1 引 言

医用射频设备是一种利用高频电流流过组织时产生的热效应来实现治疗目的的医用设备，可用于诸多医学领域[1]。其中，大功率的医用射频设备主要用于电凝和电切割等电外科手术中，而中低功率的医用射频设备多用于医学美容、消融等[2-4]。

医用射频设备一般包括开关电源、射频功率放大器、主控部分和接口等[5]。设备在主控部分控制下，由开关电源提供直流信号，再经由射频功率放大器将直流信号转换为射频信号，最后经由接口输送给生物组织。为适应医用射频设备功率可调的要求，需要开关电源的输出可调。现有医用射频设备的开关电源采用传统的AC-DC加DC-DC模式，首先将220 V的交流信号转换为310 V的直流信号，再将310 V的直流信号降压为所需的直流信号。中低功率的医用射频设备需求的直流电压比较低，若采用现有的开关电源模式，将导致DC-DC的降压幅度较大，会对开关器件产生过度的电压应力。为此，本研究设计了一款满足于中低功率的新型可调开关电源，以确保45 V以内的直流电压输出。

2 新型可调开关电源的框架设计

新型可调开关电源由医用隔离开关电源模块和低压降压模块组成，应中低功率射频功率放大器的需求，新型可调开关电源可输出最大电压为45 V，最大电流为3.5 A，最大功率为90 W，上升时间也应低于100 ms，极限参数下效率不低于90%，且射频设备对输出精度要求相对较低，误差绝对值不高于10%。医用开关电源模块采用商用的医用隔离电源，如明纬RPS-120系列电源，可将市电转化为48 V的直流低压信号，该系列电源符合安全性标准(EN-1)和电磁兼容性标准(EN-1-2)，可用于BF型患者可接触的医疗设备[6]；低压降压模块通过高性能直流降压芯片LT8641将医用开关电源模块输出的直流电压转换为0～45 V的可调直流电压。本研究重点设计了LT8641的可调直流电压电路，该模式可使开关元件所受的电压应力减小，且电路体积小，输出稳定高效。新型可调开关电源的系统框架见图1。

图1 新型可调开关电源的系统框架Fig.1 System framework of a new adjustable switching power supply

3 电路设计与仿真

3.1 电路设计

外围电路设计 LT8641是一款电流模式降压型DC/DC转换芯片，采用了Silent Switcher架构，可实现200 kHz～3 MHz的可调频率下高效率输出，具有超低的EMI辐射。芯片内置了顶部和底部电源开关MOS管、补偿元件和其他必要电路，可将外部元件的数量减到最少，节省了空间。芯片内部还具有过压保护、输出短路保护、过温保护和输出软启动等功能[7-8]，可以实现安全稳定的输出。

LT8641芯片通过RT管脚外的电阻设置内部频率振荡器的振荡频率，并以此控制内部顶部与底部的开关MOS管。LT8641的内部框图见图2。当负载电流增加时，内部误差放大器处的0.8 V基准电压与FB管脚的反馈电压的差值增大，使误差放大器的输出VC节点电压升高；VC节点电压升高使顶部开关MOS管的峰值电流增大，电感电流增大，直到满足负载输出。当顶部开关MOS管的电流超过VC节点设置的电流峰值时，顶部开关电流比较器将控制顶部开关MOS管关断[9]。顶部开关MOS关闭的同时，底部开关MOS管将打开，直到下个周期开始或者电感电流降为零。

的运行模式及开关频率 LT8641具有多种运行模式，包括Burst Mode、Pulse-skipping mode、Spread spectrum mode和Synchronization mode。为了实现开关电源的实时可调，本研究将LT8641设置为Pulse-skipping mode。该模式下内部大部分电路处在唤醒状态，内部静态电流将达到几百微安。

开关频率较大时，可使元器件的体积缩小，但同时会导致功耗变大，因此，需要更强的散热能力。为确保足够高的运行效率，同时电源体积不会太大，本研究设计采用300 kHz的开关频率。LT8641的频率通过与RT管脚接地的电阻进行设置，见式(1)：

式中，RT单位为kΩ；fSW为开关频率，单位为MHz。

设计开关频率为300 kHz时，需在RT管脚处添加精度为1%的150 kΩ的电阻。

3.1.3输出电感的选择 为减小输出纹波，满足更高的负载要求，避免电感的非连续工作模式，必须选择电感额定值大于最大预期输出负载的电感。初步选择为：

图2 LT8641的内部框图Fig.2 Internal block diagram of LT8641

式中，fSW为开关频率，单位为MHz；Vout为输出电压；VSW(bot)为底部开关压降(最大为0.15 V)；L为电感值，单位为μH。

当占空比DC(Vout/Vin)大于50%时，存在一个最小的电感值，公式如下：