一种智能化等离子手术电源系统的制作方法

1.本发明涉及电气控制领域，特别涉及一种临床医学的低温等离子手术电源系统。


背景技术：

2.等离子手术电源系统通过高能粒子对于组织分子化学键的破坏，从而达到切割，消融的效果。在手术过程是在低温下进行，因此不会出现组织炭化现象，从而使得手术创伤小，恢复时间快。
3.该系统通过电离生理盐水产生离子，在高频变化的电压下产生动能，使得电离出的粒子具有较高的活性和动能，快速运动的高能粒子打破人体组织中的分子键，从而达到破坏细胞组织，实现消融的效果，此外由于离子在两极之间快速移动中摩擦，从而产生热量，使得手术过程中血液快速凝固达到止血的目的。并且产生的热量会使得蛋白质变性，在后期伤口恢复过程中通过细胞的新陈代谢快速排出体外，缩短康复周期。
4.具体的，目前现有技术中，存在的缺点主要有以下几点：
5.(1)目前使用的等离子系统多为国外进口，价格昂贵，产生的方波波形不稳定，容易出现伤口炭化现象。
6.(2)目前使用的等离子手术电源系统体积庞大，集成度不高。
7.(3)由于国内外人口体质的差异，外国的设备临床试验不够理想，难以达到要求。
8.(4)目前使用的等离子手术电源系统复杂，控制难度大，操作复杂，同时成本较高。


技术实现要素：

9.为克服现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种智能化等离子手术电源系统，在实现安全，集成度高，操作简单的基础上具有智能化控制的特点。
10.为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
11.一种智能化等离子手术电源系统，，包括单片机、电源模块、二级降压模块、指示灯、外部按键、低通滤波器模块、ad-dc整流模块、dc-dc升降压模块、dc-ac逆变模块和温度检测模块、上拉电阻、手术刀，电源模块、指示灯、外部按键、温度检测模块与单片机连接。电源模块与ad-dc整流模块连接。
12.电源模块是指220v，50hz市电输入端，与低通滤波器模块直接相连。
13.其中低通滤波器模块为使电磁干扰不大于8db/μv，必须选用适合的电感、电容，以最大限度地提高电路干扰(包括射频干扰)的能力。
14.本发明采用差模抑制电容c1、c2＝0.1μf，差模抑制电感l2、l3＝100μh，共模抑制电容c3、c4＝4.7nf。对电网或者本电源系统产生高频波动进行滤波，使得公共电网和本电源系统之间不会有高频信号的干扰，保证了电网用户电能质量，也保护了本电源系统的稳定运行。
15.低通滤波电路后接全波整流电路，桥式整流电路是由四个整流二极管两两对接而成的。当输入电压为正半周时，d2、d4导通，d1、d3截止，输出电压上正下负；输入电压为负半
周时，d1、d3导通，d2、d4截止，输出电压方向不变。桥式整流电路具有电流利用率高、输出电压波动小等优点，整流电路后接二级降压模块。
16.二级降压模块的输入端与低通滤波器模块的输出端相连。一级降压：输入电压通过芯片lm2575-adj降压为15v与后级的dc-dc变换电路相连。二级降压：通过lm2575-adj降压为15v再与芯片lm2575-5v相连产生5v电压接入单片机的vcc端为单片机控制系统供电。
17.其中，二级降压模块的lm2575-adj芯片的输出端v
out
＝15v，与dc-dc变换芯片ltc3779的v
in
相连，二级降压模块的lm2575-5v的输出端v
out
与单片机的vcc接口相连。为单片机供电。
18.在dc-dc电能变换环节采用ltc3779芯片的输出电压为10v-150v，其输出控制端fb外接电阻r2和外接电阻r1通过r1接地，其供电端vin上接lm2575-adj芯片的输出端。通过改变r1和r2的比值控制ltc3779芯片的输出电压，本发明设置r1＝1kω，r2＝82.3kω，作为100v输出电阻，本发明设置r1＝1kω，r2＝124kω，作为150v输出电阻。
19.dc-ac电路设计：推挽逆变器是由中间抽头的高频变压器和两个mos管交替导通工作来实现逆变的。变压器工作在双向磁化状态，属于双极性变压器，抗饱和能力强。mos管交替导通工作，逆变输出电压波形对称性好。两个mos管有一个公共接地端，驱动电路结构简单，能提供较高的开关频率。推挽逆变器的输出电流瞬态响应速度高，电源转换效率高。推挽逆变器的电路原理图如图5，逆变变压器初级绕组与次级绕组的匝数比为a:b。由两路反相pwm驱动信号分别控制mos1和mos2，使其交替导通。为避免变压器出现偏磁现象，一个工作周期内，两个mos管的导通时间应严格相等。同时，为防止其中一路驱动信号延时使mos管同时导通而损坏电路，两路信号设置有死区时间。
20.推挽逆变电路结构简单，由关键元件为功率开关管和高频变压器组成。推挽逆变电路中mos管的源漏极需承受2倍的输入电压，工程设计上通常要留1.5倍的余量，因此mos的vds应至少大于450v。因此，mos管irfp460在推挽电路中适用。
21.其中，高频变压器设计可分为四个步骤:磁芯选择、绕线匝数计算、绕线线径计算、绕线方式选择。
22.本发明选择双极性变压器，选用铁氧体磁芯来设计。绕线匝数:线圈匝数n与伏秒积uat呈线性正比关系。根据设计要求推挽逆变电路输入电压ua为10～150v，输出频率为100khz和300khz，其mos管的开关频率为100khz和300khz。为节约成本、缩小设备体积、使系统输出更为稳定，将利用一级逆变电路来输出100khz和300khz两种频率的方波信号。为兼顾两个频率的输出并留出一定余量，线圈匝数n取11。
23.led指示灯有六个，每一个指示灯通过串联1kω的电阻接地。
24.外部按键设置有3个，分别为启动/停止按键为k1，加档按键为k2，减档按键为k3，启动/停止按键为k1，加档按键为k2，减档按键为k3一端与单片机相连，并串联有上拉电阻，一端接地。
25.两个温度检测模块分别置于mos1和mos2管处，在快速开通与关断之间切换时，检测其温度变化，当温度较高时，并超过单片机设定的阈值时，紧急报警器led灯闪烁报警。以保证系统在使用过程的安全性。
附图说明
26.图1为本发明智能化等离子手术电源系统整体结构示意图。
27.图2为本发明电源系统中的低通滤波器模块示意图。
28.图3为本发明电源系统中的二级降压模块示意图。
29.图4为本发明电源系统中的dc-dc环节ltc3779控制模块示意图。
30.图5为本发明电源系统中的dc-ac逆变电路模块示意图。
31.图6为本发明电源系统中的ac-dc整流滤波电路模块示意图。
32.图7为本发明智能化等离子手术电源系统控制流程图。
33.图中标记：1-市电电源模块、2-二级降压模块(图3)、3-单片机、4-指示灯、5-外部按键、6-低通滤波器模块(图2)、7-(ad-dc)整流模块(图6)、8-(dc-dc)升降压模块(图4)、9-(dc-ac)逆变模块(图5)和10-温度检测模块、11-上拉电阻、12-手术刀。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明进行详细说明。
35.如图1所示、本发明是一种智能化等离子手术电源系统，其特征在于，包括电源模块、二级降压模块(图3)、单片机3、指示灯4、外部按键5、低通滤波器模块6(图2)、ad-dc整流电路模块7(图6)、dc-dc升降压模块(图4)、dc-ac逆变模块9(图5)和温度检测模块10、上拉电阻11、手术刀12，电源模块、指示灯4、外部按键5、温度检测模块10与单片机3连接。电源模块与ad-dc整流模块7连接；
36.单片机的p1.0引脚接led和上拉电阻r1作为电源指示灯，当系统可以正常工作时指示灯亮。单片机的p2.0引脚接led和上拉电阻r7作为警示指示灯，当温度检测模块监测到的温度超过单片机预定的阈值时，指示灯上闪烁警告。p1.6和p1.7引脚分别控制温度检测模块1，与温度检测模块2，用以检测在dc-ac环节mos管在高频变换下的温度，防止温度过高产生危险。p3.1接外部按键用来控制系统的启停。p3.2和p3.1引脚用来控制输出的pwm信号，分别实现升频，降频实现100khz，150khz，200khz，310khz的频率变换。p3.4和p3.5引脚输出对ltc3779的控制信号。p3.4和p3.5引脚分别输出100v和150v电压信号。p3.5和p3.6引脚通过单片机中编写的延时函数产生pwm信号分别控制mos2、mos1引脚的高频交替开通和关断。
37.图2为低通滤波器模块的硬件电路示意图，低通滤波器模块之前串联的热敏电阻对电路进行过流保护，为了防止电网产生的浪涌电流进入系统，通过低通滤波器将系统电路中产生的高频脉冲以及电网中的高频干扰信号过滤掉。低通滤波器中l1为共轭线圈，一方面滤除信号线上的共模干扰，一方面实现了本身不对外产生干扰信号。本发明采用差模抑制电容c1、c2＝0.1μf，差模抑制电感l2、l3＝100μh，共模抑制电容c3、c4＝4.7nf。能够保证电磁干扰不大于8db/μv，满足设计需求。低通滤波器模块的输出端口直接与ac-dc整流滤波模块输入端口ud+，ud-相连。
38.全桥整流电路采用的是四个二极管构成。d2、d4导通，d1、d3截止，输出电压上正下负；输入电压为负半周时，d1、d3导通，d2、d4截止，输出电压方向不变。后续的滤波电流1000μf电容c1与100kω并联，使得输出为直流电压。为了使在关机的时候快速放电再并联1μf电容c2。全桥整流的输出端接二级降压电路。
39.二级降压模块如图3所示，二级降压模块作为等离子手术电源系统的辅助电流主要是实现电能的变换以满足后级电路的输入需求和为数字控制电路及调制驱动电路供电。本发明采用的lm2575-adj与lm2575-5v芯片可以实现15v和5v的电压变换。其中以及降压产生的15v电压作为后级的输入电压，进行后续的电压变化。二级降压产生的5v电压为单片机供电。二级降压电路15v输出端接ltc3779的输入端，进行dc-dc电压变换。
40.图4为本发明dc-dc环节ltc3779控制模块示意图。ltc3779是一种电流模式控制器，它提供一个高于、等于或低于输入电压的输出电压。电流电压控制的第ith引脚，图4中vfb、ss为芯片内部误差放大器ea的外置引脚。其中v
fb
引脚接收电压反馈信号，而内部参考电压为需要输出电压的幅值。通过输入和输出电压进行对比实现对外电路的控制，从而输出设定的电压值。(没明白其含义)
41.输出电压vout＝1.2(1+r2/r1)，通过调节r1与r2的数值达到调节电压的目的。ltc3779芯片可以实现10-150v的电压输出，符合设计需求。ltc3779芯片输出与dc-ac逆变电路的输入端相连。
42.dc-ac逆变电路如图5所示，推挽逆变电路的设计主要包括主功率电路设计和调制控制电路设计。
43.推挽电路的设计涉及到以下关键参数:
44.①
输入电压ua:逆变器的前一级电路为dc-dc调压电路，所以输入电压为10v～150v。.
45.②
输出功率po：预设系统的最大输出功率为100w。
46.③
输出电流i:预设系统的最大输出电流为1.5a。
47.④
变压器匝数比(a:b):高频变压器的原、副边匝数比为1:1。
48.⑤
驱动信号频率f:驱动信号频率与输出高频信号频率一致，根据专利说明书中对系统技术参数设定，其输出频率为100khz和300khz。
49.⑥
驱动信号占空比d:为确保两个mos管不会同时导通，需留有一定的死区时间，最大为49％。
50.⑦
ud直流电。
51.本发明所选择的双极性变压器采用铁氧体磁芯来设计bm＝0.15t，s＝1.96*10-4
m2。绕线匝数n取11。采用线径为0.2414mm(单根漆包线截面积sc＝0.046mm2)的漆包线进行多股绕制，并需要线数x≥8.2。系统采用9根直径为0.2414mm的漆包线进行绕制。dc-ac逆变电路的输出端直接连接电极手术刀。
52.本发明依靠单片机进行程序控制，将市场现有的同等系统电路简化，在可实现可靠波形输出的基础上，具有操作过程简单，电路集成度高，成本低廉的特点。
53.其特征在于，包括电源模块、二级降压模块(图3)、单片机3、指示灯4、外部按键5、低通滤波器模块(图2)、ad-dc整流模块、dc-dc升降压模块(图4)、dc-ac逆变模块(图6)和温度检测模块10、上拉电阻11、手术刀输出，电源模块、指示灯、外部按键5、温度检测模块10与单片机3连接。电源模块与ad-dc整流模块7连接。

技术特征：
1.一种智能化等离子手术电源系统，其特征在于，包括单片机(3)、电源模块、二级降压模块(2)、指示灯(4)、外部按键(5)、低通滤波器模块(6)、ad-dc整流模块(7)、dc-dc升降压模块(8)、dc-ac逆变模块(9)和温度检测模块(10)、上拉电阻(11)、手术刀(12)，电源模块、指示灯、外部按键(5)、温度检测模块(10)与单片机(3)连接，电源模块与ad-dc整流模块(7)连接。2.根据权利要求1所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，电源模块为220v，50hz市电电源输入，市电电源与低通滤波器模块(6)相连接，低通滤波器模块(6)与ad-dc整流模块(7)相连接，ad-dc整流模块(7)后接r1＝1.4kω电阻进行分压，使得其输出端电压为40v再与二级降压模块(2)相连接，二级降压电路中的第一级降压输出端和dc-dc升降压控制模块(8)相连接，二级降压电路中的第二级降压输出端与单片机vcc接口相连接。3.根据权利要求1所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，其低通滤波模块为市电接入，采用差模抑制电容c1、c2＝0.1μf，差模抑制电感l2、l3＝100μh，共模抑制电容c3、c4＝4.7nf，共模抑制电感l1以及采用480v击穿电压的压敏电阻fr对电路进行过流保护。4.根据权利要求3所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，压敏电阻fr与低通滤波模块中的电路串联，共模抑制电容c3、c4串联中间接gnd，c2与c3、c4并联，c1与共模抑制电感l1并联与l3、l2、和c2、c3、c4构成的系统串联。5.根据权利要求2所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，二级降压模块(2)包括lm2575-adj以及lm2575-5v分别作为15v和5v电源电路设计，直流输入端，直流15v输出端，直流5v输出端、接地端口gnd。6.根据权利要求5所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，lm2575-adj的输入端vin与低通滤波器模块(6)输出端口相连接，lm2575-adj的输出端(dc15v)与lm2575-5v的输入端口相连接，lm2575-5v的输出端与单片机的vcc引脚连接。7.根据权利要求1所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，ad-dc整流模块采用二极管的电流导向作用，在交流输入电压u2的正半周内，二极管d1、d3导通，d2、d4截止，在负载rl上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，d1、d3截止，d2、d4导通，流过负载rl的电流方向与正半周一致。8.根据权利要求1所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，在dc-dc电能变化采用的是ltc3779芯片，其输入端为根据权利要求4中的二级降压电路中的一级输出端；它提供一个高于、等于或低于输入电压的输出电压。adi的专有拓扑和控制架构采用了电流感应电阻；电感电流电压控制的第ith引脚,误差放大器的输出ea；vfb接收电压反馈信号,而内部参考电压的ea；如果输入/输出电流调节循环实现,感应到电感电流控制的感应反馈电压或输入/输出电流；通过调节r1与r2的数值达到调节输出电压的目的。9.根据权利要求1所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于，在dc-ac逆变电路中电能变换采用的是推挽电路，其中mos1栅极与单片机的引脚p3.6相连，其中mos2栅极与单片机的引脚p3.5相连，通过单片机中延迟程序控制引脚产生pwm波形，控制mos1、mos2交替开通和关断；dc-ac逆变电路输出端与手术刀(12)两极相连。10.根据权利要求9所述的智能化等离子手术电源系统，其特征在于温度检测模块至少两个分别分布在dc-ac逆变模块的mos1、mos2处。

技术总结
本发明涉及一种智能化等离子手术电源系统，它包括包括单片机、电源模块、二级降压模块、指示灯、外部按键、低通滤波器模块、AD-DC整流模块、DC-DC升降压模块、DC-AC逆变模块和温度检测模块、上拉电阻、手术刀，电源模块、指示灯、外部按键、温度检测模块与单片机连接。电源模块与AD-DC整流模块连接。本发明等离子手术电源系统安全性高，集成度高，操作简单，成本较低，伤口不易出现炭化现象。伤口不易出现炭化现象。伤口不易出现炭化现象。


技术研发人员：李双双 潘忠成 郑鹏飞 田利明 李蒲民
受保护的技术使用者：陕西麦可罗生物科技有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/14