高频电刀双闭环控制系统的制作方法

专利名称：高频电刀双闭环控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种手术用高频电刀的输出控制系统，特别是涉及一 种高频电刀输出的双闭环控制系统。
技术背景高频电刀也称高频手术设备，是一种取代机械手术刀进行切割和凝血 的电外科器械。它通过手术电极尖端产生的高频高压电流与肌体接触时对 组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目 的。目前对高频电刀输出的控制已从早期的无自动补偿开环控制发展到可 自动调整和稳定输出的闭环控制，在正常状态下，通过高频功率放大器的 输入驱动幅度单环控制或供电电源单环控制，可达到将输出稳定于设定值 的目的。但是随着医疗手术对高频电刀安全性、可靠性要求的不断提高， 对于单一故障状态下的输出也必须加以控制或限制。现有的一些高频电刀 对单一故障状态下的输出超差实施报警和切断输出的方法来保证安全，这给实际的手术使用带来了不便；也有一些高频电刀对高频功放的输入驱动 幅度及其供电电源实施双环控制，以限制单一故障状态下的输出，这在高 频功放和输出回路效率较低，特别是效率不恒定的情况下，实际输出仍有 可能发生不稳定和不可靠的情况。发明内容针对现有高频电刀对单一故障状态下输出不稳定控制不力的问题，本 实用新型提出了一种新型的高频电刀双闭环控制系统，其采用同时对高频 功放供电电源即输入电压、电流和功率采样控制(内环)和高频输出电压、 电流和功率采样控制(外环)，这样一种双闭环控制系统来稳定高频电刀的输出，这既消除了单一故障状态(例如一闭环中任一部分出现故障)下 输出超差的现象，又可保证医疗手术的正常进行。同时，对输出的直接采 样控制还大大提高了输出精度。本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是一种高频电刀双闭环控制系统，接受来自微处理器的第一组设定信号 和第二组设定信号，其包括有开关电源、高频功放电路、输出回路、第一 误差放大器和第二误差放大器；所述开关电源在第一误差放大器控制下产 生可调直流电压以用作后续高频功放电路的供电电源；所述高频功放电路 将开关电源提供的直流能量转换为高频输出并送后续的输出回路；所述输 出回路对高频功放电路的输出进行滤波整形，产生高频电刀所需要的供医 疗手术用的高频高压电流输出；所述第一误差放大器对开关电源的采样信 号与微处理器送来的第一组设定信号作比较和误差放大，从而对高频电刀 输出进行第一闭环控制，使之与第一组设定值相一致；所述第二误差放大 器对输出回路输出的采样变换信号与微处理器送来的第二组设定信号作比 较和误差放大，从而对高频电刀输出进行第二闭环控制，使之与第二组设 定值相一致。本实用新型所述的高频电刀双闭环控制系统，其开关电源是一种由脉 宽调节器控制、中功率MOS管推挽驱动、大功率MOS管作高频开关、高 频功率变压器作隔离耦合的半桥开关电源，其含有整流、滤波及对输出电 压、电流和功率的采样电路；所述高频功放电路是一种可自动调整的大功 率MOS全桥D类放大器；所述输出回路是一种高Q值双LC谐振电路， 其含有高频输出电压、电流和功率采样变换电路；所述第一误差放大器和 第二误差放大器由高增益比较器和CMOS或非门组成。与现有的开环、单闭环或高频功放双环控制的高频电刀输出控制系统 相比较，本实用新型采用了高频功放供电电源的电压、电流及功率采样控制(内环)和高频输出电压、电流及功率采样控制(外环)的双闭环控制 系统，其具有在单一故障状态下和正常状态下，输出均能准确地稳定于设 定值的优点，任一环中出现故障都不妨碍医疗手术的正常进行，不会出现 因输出不稳定或严重超差而引起的安全问题。

图1是本实用新型的结构示意图。图2是本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
-下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明。 首先请参阅图1本实用新型的结构示意图。图示高频电刀双闭环控制 系统，接受来自微处理器的第一组设定信号U1、 II、 Pl和第二组设定信号 U2、 12、 P2，该两组设定信号为微处理器("C)送出的两组电压、电流 和功率设定信号。该高频电刀双闭环控制系统包括有开关电源3、高频功放 电路4、输出回路5、第一误差放大器1和第二误差放大器2;其中第一误 差放大器1为内环(第一闭环)误差放大器，第二误差放大器2为外环(第 二闭环)误差放大器。所述开关电源3在第一误差放大器1的控制下产生 可调直流电压E以用作后续高频功放电路4的供电电源。所述高频功放电 路4的驱动信号为UD，其将开关电源3提供的直流能量转换为高频功率信 号Up并输出给后续的输出回路5。所述输出回路5对高频功放电路4的输 出Up进行滤波整形，产生高频电刀所需要的供医疗手术用的高频高压电流 输出OUT (包括功率、电压、电流)。所述第一误差放大器1对来自开关 电源3的输出电压、电流和功率采样信号ul、 il、 pl与微处理器送来的第 一组电压、电流和功率设定信号U1、 II、 Pl作比较并产生误差放大信号A 1，从而对高频电刀输出进行第一闭环控制，使之与第一组设定值U1、 II、 Pl相一致；所述第二误差放大器2对输出回路5输出的采样变换信号u2、i2、 p2与微处理器送来的第二组设定信号U2、 12、 P2作比较并产生误差放 大信号A2，从而对高频电刀输出进行第二闭环控制，使之与第二组设定值 U2、 12、 P2相一致。再请参阅图2本实用新型的电路原理图。所述高频电刀双闭环控制系 统的开关电源3是一种由脉宽调节器(PWM)控制、双中功率MOS管推 挽驱动、双大功率MOS管作高频开关、高频功率变压器作隔离耦合的半桥 开关电源，其含有整流、滤波及对输出电压、电流和功率的采样电路。该 开关电源3由市电缓冲整流产生的直流电压供电，其由一个脉宽调节器U4 控制，由两只中功率MOS管Ql、 Q2和高频变压器T1 (分配信号)组成 的推挽电路驱动，由两只大功率MOS管Q3和Q4、两组均压阻容R1、 Cl 和R2、 C2及高频功率变压器T2 (隔离耦合)组成的半桥开关，然后由四 只高速二极管Dl-D4整流，高频扼流圈L1及电容C3、 C4、 C5滤波，产 生0-200V的直流可调电压E用作后续高频功放电路4的供电电源。该开关 电源3的脉宽调节器U4设定于较高的工作频率(120KHZ左右)，加上优 质器件和线路，可获得》85%的效率，输出功率可达500W以上，足以为 产生400W高频输出的高频功放电路4供电。该开关电源3所包含的输出 电压、电流采样直接在电阻上取得(因是含脉动成分的直流信号)，功率采 样信号由电压、电流在一乘法器中取得，具体地说，采用R3、 R4两电阻 分压产生电压采样信号ul;采用大功率低值电阻R5取出其电流采样信号 il;采用一乘法器U5将输出电压、电流采样信号ul、 il变换为功率采样 信号pl=ulxil。所述高频功放电路4是一种可自动调整的大功率MOS全桥D类高效 高频放大器，其由两组两两同相、两两异相的高幅方波驱动(本实用新型 未详述)，产生的高频功率信号经变压器隔离送入后续的输出回路5。该高 频功放电路4由开关电源3供电，由四只大功率MOS管Q5-Q8组成的全桥作开关式高效功率放大器，由高频变压器T3送来的两组两两同相、两两 异相的高幅驱动信号UD (本实用新型未详述)驱动，由高频功率变压器 T4隔离耦合，将高频功放电路4输出的功率信号Up送入输出回路5中。 之所以采用全桥D类开关式放大，是为了提高高频功放电路4的效率(可 达80%以上)，电路设计和器件选择应是严格的，特别是必须满足其对称性 要求。所述输出回路5是一种高Q值双LC滤波的谐振电路，其含有高频输 出电压、电流和功率采样变换电路，所产生的输出送高频电刀供医疗手术 使用。该输出回路5由L2、 C9禾t1L3、 C10构成的双高Q值LC谐振电路 整形、滤波，产生较纯净的正弦波(降低高频泄漏)，输出端所接电容Cll、 C12是高频电刀标准要求防低频刺激所必需的(其取值有限制，同时应考 虑不得影响输出波形和功率)。在本实用新型中，输出回路5的一个关键部 分为高频输出电压、电流的采样和变换电路，其所包含的输出电压采样信 号u2由高压高频电容和大功率无感电阻降压后由高频变压器T5耦合取得，并经真有效值变换器变换为真有效值输出电压(直流)；其所包含的输出电 流采样信号i2由高频电流互感器T6取得，并经真有效值变换器变换为真 有效值输出电流(直流)；其所包含的输出功率采样信号p2由上述输出电 压、电流采样变换信号u2和i2在一乘法器中相乘后取得。具体地说，所 述输出回路5用跨接于两输出端上高频电容C13、 C14和无感电阻R8、 R9 降压，以及高频变压器T5隔离耦合，在高频变压器T5付边电阻R10上产 生输出电压采样信号，送入一个频响高于8MHz的真有效值变换器U7，变 换为真有效值输出电压(直流)u2;用串于输出回路一端的高频电流互感 器T6及其付边电阻R11，将高频输出电流采出并转换为电压信号，送入与 U7相同的真有效值变换器U8，变换为真有效值输出电流信号(直流)i2; 而输出功率的真有效值信号p2则由以上电压、电流采样变换信号u2、 i2在一个乘法器U6中产生(P2=i2xu2)。所述第一误差放大器1由高增益比较器U1 (A-C)和CMOS三或非门 U3A组成，所述第二误差放大器2由高增益比较器U2 (A-C)和CMOS 三或非门U3B组成。前述开关电源3的电压釆样信号ul经R6、 C6滤波送 第一误差放大器1的误差放大器U1A，电流采样信号il经R7、 C7滤波送 第一误差放大器1的误差放大器U1B，功率采样信号pl送第一误差放大器 1的送误差放大器U1C;该电压、电流和功率采样信号ul、 il、 pl分别在 第一误差放大器l的误差放大器U1A、 U1B、 U1C中与微处理器(yC ) 送来的第一组电压、电流和功率设定信号U1、 II、 Pl作比较，并进行误差 放大，经三或非门U3A综合，产生第一个误差信号A1 (实际上是高、低 电平信号)，送入开关电源3的脉宽调节器(PWM) U4的一个输入端， 控制开关电源3工作，从而控制高频功放电路4的供电及高频输出。由于 Ul (A-C)采用高增益比较器(》80db)，控制精度很高，所以开关电源3 的功率、电压、电流输出精度和稳定性就很高，响应速度也很快，因此高 频输出电压、电流和功率与设定值偏差将很小。前述输出回路5的高频输 出电压、电流和功率采样变换信号u2、i2和p2分别在第二误差放大器2的 误差放大器U2A、 U2B、 U2C中与微处理器(u C )送来的第二组电压、 电流和功率设定信号U2、 12、 P2作比较，并进行误差放大，经另一个三或 非门U3B综合，产生第二个误差信号A2 (也为高、低电平信号)，送入开 关电源3的脉宽调节器(PWM) U4的另一个输入端，控制开关电源3工 作，从而控制高频输出。由于该闭环(外环)所用采样信号是从输出回路5 中取得，加上增益同样很高，高频输出电压、电流和功率几乎完全与输入 设定值相同，因此尽管开关电源3、高频功放电路4及输出电路5可能出现 偏差，在该闭环不失效的情况下，输出精度将非常之高。总之，由于两闭 环增益高、响应快，特别是高频功放电路4和输出回路5的高效和高稳定性，最终的高频输出电压、电流和功率与设定值偏差将很小。正常情况下这两个闭环系统并不同时工作，由于外环直接对高频输出采样和控制，稳定性和精度优于内环，因此通常使外环优先工作；只有当 外环完全失效使输出有超差倾向时内环才起作用，以保证输出稳定于设定 范围内，当然，内环失效将不会影响输出。此外，必须随时或定时地检测 内外环的工作情况， 一旦某一环出现失效，微处理器(UC)应发出警告信 号，并在不影响正常使用的情况下，对失效环进行必要的维护、调整或修 理。
权利要求1、一种高频电刀双闭环控制系统，接受来自微处理器的第一组设定信号和第二组设定信号，其特征在于它包括有开关电源(3)、高频功放(4)、输出回路(5)、第一误差放大器(1)和第二误差放大器(2)；所述开关电源(3)在第一误差放大器(1)控制下产生可调直流电压以用作后续高频功放电路(4)的供电电源；所述高频功放电路(4)将开关电源(3)提供的直流能量转换为高频输出并送后续的输出回路(5)；所述输出回路(5)对高频功放电路(4)的输出进行滤波整形，产生高频电刀所需要的供医疗手术用的高频高压电流输出；所述第一误差放大器(1)对开关电源(3)的采样信号与微处理器送来的第一组设定信号作比较和误差放大，从而对高频电刀输出进行第一闭环控制，使之与第一组设定值相一致；所述第二误差放大器(2)对输出回路(5)输出的采样变换信号与微处理器送来的第二组设定信号作比较和误差放大，从而对高频电刀输出进行第二闭环控制，使之与第二组设定值相一致。
2. 根据权利要求1所述的高频电刀双闭环控制系统，其特征在于 所述开关电源(3)是一种由脉宽调节器控制、中功率MOS管推挽驱动、 大功率MOS管作高频开关、高频功率变压器作隔离耦合的半桥开关电 源，其含有整流、滤波及对输出电压、电流和功率的采样电路。
3. 根据权利要求l所述的高频电刀双闭环控制系统，其特征在于 所述高频功放电路(4)是一种可自动调整的大功率MOS全桥D类放大 器。
4. 根据权利要求1所述的高频电刀双闭环控制系统，其特征在于:所述输出回路(5)是一种高Q值双LC谐振电路，其含有高频输出电 压、电流和功率采样变换电路。
5.根据权利要求1所述的高频电刀双闭环控制系统，其特征在于 所述第一误差放大器(1)和第二误差放大器(2)由高增益比较器和CMOS或非门组成。
专利摘要本实用新型公开了一种高频电刀双闭环控制系统，接受来自微处理器的两组设定信号，其包括有开关电源、高频功放、输出回路、第一误差放大器和第二误差放大器，该两误差放大器分别对开关电源和输出回路的采样信号与微处理器送来的两组设定信号作比较和误差放大，从而对高频电刀输出进行双闭环控制，使之与两组设定信号值相一致。由于本实用新型采用了同时对高频功放供电电源(内环)采样和高频输出(外环)采样的双闭环控制系统，因此其具有在单一故障状态下和正常状态下，输出均能准确地稳定于设定值的优点，任一环出现故障都不妨碍医疗手术的正常进行，不会出现因输出不稳定或严重超差而引起的安全问题，可用于高频电刀的控制电路中。
文档编号A61B18/12GK201088625SQ200720076569
公开日2008年7月23日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者丁红雪, 朱忠明 申请人:上海沪通电子有限公司