阅读说明：本技术 具有集成dc调节器的电外科手术输出级 (electrosurgical output stage with integrated DC regulator ) 是由 D·W·玛里昂 于 2018-05-31 设计创作，主要内容包括：本申请公开一种DC-DC电压调节器电路,其包括：输出节点；上拉开关和下拉开关,其中输出节点耦合在上拉开关和下拉开关之间；电抗电路元件,电抗电路元件耦合到输出节点；上拉设定电压电路,上拉设定电压电路经耦合以提供作为输出节点处的电压的函数的上拉设定电压；下拉设定电压电路,下拉设定电压电路经耦合以提供作为输出节点处的电压的函数的下拉设定电压；第一比较器,第一比较器经耦合以基于上拉设定电压和控制电压的比较引起上拉开关在断开开关状态及其闭合开关状态之间转变；以及第二比较器,第二比较器经耦合以引起下拉开关在其断开开关状态及其闭合开关状态之间转变。(the application discloses DC-DC voltage regulator circuit, it includes: an output node; a pull-up switch and a pull-down switch, wherein an output node is coupled between the pull-up switch and the pull-down switch; a reactive circuit element coupled to the output node; a pull-up set voltage circuit coupled to provide a pull-up set voltage as a function of a voltage at the output node; a pull-down set voltage circuit coupled to provide a pull-down set voltage as a function of a voltage at the output node; a first comparator coupled to cause the pull-up switch to transition between an open switch state and a closed switch state thereof based on a comparison of the pull-up set voltage and the control voltage; and a second comparator coupled to cause the pull-down switch to transition between its open switch state and its closed switch state.)

具有集成DC调节器的电外科手术输出级

要求优先权

本申请要求2017年5月31日提交的美国临时专利申请No.62/513,287的优先权的权益，该专利申请在本文中全文以引用方式并入本文。

背景技术

电外科手术涉及使用电以引起生物组织的热破坏，以例如通过干燥、凝固或汽化切割或去除组织。益处包括在具有有限失血的情况下进行精确切割的能力。在外科手术过程期间频繁使用电外科手术设备以帮助防止医院手术室中或门诊过程中的失血。最常用的两种类型的电外科手术是高频电外科手术和电烙术。高频电外科手术涉及高频(射频)交流电，当高频(射频)交流电穿过组织时通过电阻被转换成热量。例如，组织内的热量积累引起热组织损伤，导致切口或减瘤(debulking)。电烙术也涉及将热量直接传送到组织。然而，代替将电流传递通过组织，电流用于加热手持式元件，然后手持式元件被施加到组织。附加形态的电外科手术包括电解和消融(coblation)，电解使用由直流产生的化学反应损伤组织，消融使用电流使传导介质(诸如生理盐水)电离，然后传导介质用于将热量传输到组织。

典型的电外科手术发生器使用多级电压转换器，以将交流(AC)线路功率转换成实行电外科手术过程所需的受控射频(RF)输出。该方法正常包括：第一、将AC线路输入转换成调节的直流(DC)；第二、将调节的DC转换成受控DC电压；以及第三、将受控DC电压供应到RF输出级。电外科手术发生器通常包括用户界面，该用户界面允许外科医生调整高频输出电压、电流或功率，以便实现期望的外科手术效果。

现有电外科手术发生器系统通常包括控制器，以监测RF输出，并且调整受控DC电压以维持期望的RF输出电压、电流和功率。在外科手术过程期间，电外科手术器械可以与多种组织类型和负载条件接触，引起负载的阻抗显著变化。结果，一般需要对受控DC电压进行合理的严格控制，以针对改变的阻抗调整RF输出级电压。在典型系统上，受控DC电压级和RF输出级独立操作，其中控制器主动闭合它们之间的控制回路。

更具体地，现有开关电源经常包括第一控制回路，第一控制回路使用脉冲宽度调制(PWM)调节所转换的DC电压，并且现有开关电源包括第二控制回路，第二控制回路在微控制器的控制下确保受控DC输出适当地对RF输出级处的负载改变作出响应。PWM控制回路正常独立于RF输出级操作，并且使用其自己的时钟源以生成PWM开关。实质上，现有电外科手术发生器系统经常包括同时运行以将AC线路输入转换成RF输出信号的两个控制回路。DC开关调节器中的第一PWM控制回路确保调节的DC电压与命令的目标DC电压匹配，并且第二控制回路响应于控制器而调整命令的目标DC电压，以响应于射频级处的负载的改变而调整RF输出电压、电流和功率。

两个控制回路的使用可以对多级电压转换器对具有迅速改变阻抗的RF输出负载的波动的响应施加限制。例如，在一些早期的转换器中，微控制器确定响应于RF输出负载阻抗的改变而需要的改变的目标电压。改变的目标电压被传达到DC调节器，DC调节器调整提供到RF输出级的受控DC电压，这最终导致调整RF输出电压。由于这些现有控制例程本质上是迭代的，所以对RF负载阻抗的改变的响应时间可能受到RF输出级和相关联的测量电路的响应时间连同DC调节器电路的响应时间的限制。由于这两个子系统独立操作，所以该响应时间可以是显著的。慢的响应时间可能致使外科医生检测性能的明显滞后从而中断外科手术流程的情况、或递送过度功率引起意想不到的组织损伤的时段。

发明内容

一种DC-DC电压调节器电路，DC-DC电压调节器电路包括上拉开关和下拉开关，其中输出节点在上拉开关和下拉开关之间。电抗电路元件经耦合以在基于输出节点处的电压的电压电平下存储能量。上拉设定电压电路经耦合以提供作为输出节点处的电压的函数的上拉设定电压。下拉设定电压电路经耦合以提供作为输出节点处的电压的函数的下拉设定电压。第一比较器经耦合以基于上拉设定电压和控制电压的比较引起上拉开关在断开开关状态和上拉开关的闭合开关状态之间转变。第二比较器经耦合以引起下拉开关在下拉开关的断开开关状态和下拉开关的闭合开关状态之间转变。

在另一个方面，提供一种用于控制DC-DC转换器的开关的方法。提供作为输出节点处的电压的函数的上拉设定电压。提供作为输出节点处的电压的函数的下拉设定电压。基于上拉设定信号和控制信号之间的比较，提供第一信号，以控制上拉开关在断开开关状态和闭合开关状态之间的转变。基于下拉设定信号和控制信号之间的比较，提供第二信号，以控制下拉开关在断开开关状态和闭合开关状态之间的转变。

附图说明

图1是表示电外科手术发生器系统的说明性框图。

图2是表示图1的DC调节器电路的说明性电路图。

图3是表示图1的系统的电路驱动器的说明性示意图。

图4是表示图1的系统的RF输出端子之间的监测的阻抗的示例改变的说明性曲线。

图5A-图5B是表示响应于图4的阻抗的说明性示例变化的DC调节器的操作的说明性信号时序图。

图6是表示用于响应于RF输出端子之间的阻抗的改变而产生电压控制信号的改变的图1的系统的微控制器的配置的说明性流程图。

具体实施方式

图1是表示根据一些实施例的电外科手术发生器系统100的说明性框图。系统100包括微控制器122；离线整流器102，离线整流器102经耦合以将AC线路电压信号转换成原始整流的DC信号；DC调节器104，DC调节器104用于将整流的DC电压信号转换成受控DC电压信号；以及RF输出级106，RF输出级106经耦合以将受控DC电压转换成高频输出能量，可以在外科手术器械末端执行器(未示出)处跨第一输出端子108和第二输出端子110施加该高频输出能量。电压监测电路包括电压变换器112和第一RMS转换器114，电压变换器112和第一RMS转换器114经耦合以监测跨第一输出端子108和第二输出端子110的RF输出电压，并且经由线路119将RMS电压值提供到微控制器122。电流监测电路包括电流感测变换器116和第二RMS转换器118，电流感测变换器116和第二RMS转换器118经耦合以监测第一输出端子108和第二输出端子110之间的RF输出电流，并且经由线路123将RMS电流提供到微控制器122。模拟乘法器电路121经耦合以基于模拟RF输出电压和模拟RF输出电流确定模拟RF输出功率，并且经由线路125将模拟功率值的DC表示提供到微控制器122。用户输入控制126经耦合以将用户输入参数接收到微控制器122，例如，用户输入参数可以包括最大高频电流、最大高频电压或最大高频功率、目标高频电压、目标高频电流或目标高频功率、或这些值的一些组合。

在操作中，第一输出端子108和第二输出端子110可以设置在外科手术器械末端执行器128处，以接触生物组织120上的两个不同位置。RF输出电压可以表示跨第一端子108和第二端子110之间的生物组织120的电压，并且RF输出电流可表示穿过第一端子108和第二端子110之间的生物组织120的电流。微控制器122将控制线路124上的电压控制信号提供到DC调节器104，以基于RF输出电压和RF输出电流以及RF输出功率中的至少一个且基于经由用户输入控制块接收的用户输入确定受控电压。

更特别地，在外科手术过程期间，电压控制信号可以基于在第一输出端子108和第二输出端子110之间测量的阻抗的变化而变化。一般来说，取决于使用的电外科手术设备和作为目标的组织，患者的生物组织120的阻抗负载通常可以在从50欧姆至5k欧姆的范围内。第一RMS转换器114将感测的RF输出电压信号转换成指示RF输出电压电平的第一DC反馈信号。第二RMS转换器118将感测的RF输出电流信号转换成指示RF输出电流电平的第二DC反馈信号。模拟乘法器电路121将感测的RF输出电压和感测的RF输出电流转换成指示平均RF输出功率的第三DC反馈信号。微控制器122在线路124上产生电压控制信号，以引起DC调节器104产生受控DC电压电平，受控DC电压电平基于感测的RF输出电压、感测的RF输出电流和RF输出功率中的至少一个变化。

图2是表示根据一些实施例的图1的DC调节器电路104的说明性电路图。上拉开关Q1和下拉开关Q2串联耦合在上拉电压VDC_RAW和下拉电压接地之间。上拉开关Q1包括第一FET器件。下拉开关Q2包括第二FET器件。第一FET器件Q1的第一栅极控制节点202经耦合以接收第一控制信号HI_OUT。第二FET器件Q2的第二栅极控制节点204经耦合以接收第二控制信号LO_OUT。第一FET器件Q1的漏极节点耦合到上拉电压VDC_RAW。第一FET器件Q1的源极节点和第二FET器件Q2的漏极节点耦合到公共节点206。第二FET器件Q2的源极节点耦合到下拉电压接地。当DC调节器104处于电压上拉状态时，上拉开关Q1处于闭合状态，以将上拉电压耦合到公共节点206，并且下拉开关Q2处于断开状态，以使公共节点206与下拉电压去耦。当DC调节器104处于电压下拉状态时，上拉开关Q1处于断开状态，以使上拉电压与公共节点206去耦，并且下拉开关Q2处于闭合状态，以将公共节点206耦合到下拉电压。

电抗能量存储元件耦合在公共节点和DC调节器输出节点之间。具体地，电容器C1在DC调节器输出节点208和接地之间与第二FET器件Q2并联耦合，并且电感器在公共节点206和DC调节器输出节点208之间与电容器C1串联耦合。二极管D1在公共节点206和下拉电压之间与电容器C1并联耦合。更具体地，二极管D1的阴极在电感器L1和公共节点206之间耦合到公共节点206，并且二极管D1的阳极耦合到下拉电压。

当DC调节器104处于上拉状态时，上拉开关Q1将电容器C1耦合到上拉电压，以将电容器C1充电到上拉电压电平，从而在DC调节器输出节点208处提供上拉电压。并且，当DC调节器104处于上拉状态时，电感器L1可以调节可通过上拉电压的脉冲感应的电压纹波，电压纹波可以是调节的电压中固有的。当DC调节器104处于下拉状态时，下拉开关Q2将电容器C1成放电，从而在DC调节器输出节点208处提供下拉(接地)电压。

在DC调节器104从上拉状态转变到下拉状态期间，电感器L1通过防止电容器C1在下拉开关Q2转变到闭合状态时立即放电，来阻抑电容器C1的放电。并且，当DC调节器104从上拉状态转变到下拉状态时，二极管D1通过抑制当上拉开关Q1转变到其断开状态时可能在电感器L1中感应的尖峰，来阻抑由电感器L1产生的电压。因此，在DC调节器104从上拉状态转变到下拉状态期间，电容器C1和电感器L1协作，以便以避免电压过冲并且避免将电压突然放电到患者组织的方式消散存储在电容器C1中的能量，突然放电可能导致意想不到的组织损伤以及过度的生烟。

第一分配器电路210包括串联耦合在DC调节器输出节点208和接地之间的第一电阻器R1和第二电阻器R2，在DC调节器输出节点208处提供受控DC调节的电压V_REG。设置在第一电阻器R1和第二电阻器R2之间的第一分配器节点212提供上拉设定电压，

V_UP＝R1/(R1+R2)

第二分配器电路214包括串联耦合在DC调节器输出节点208和接地之间的第三电阻器R3和第四电阻器R4。设置在第三电阻器R3和第四电阻器R4之间的第二分配器节点216提供下拉设定电压，

V_DN＝R3/(R3+R4)

选择电阻器值R1和R2以及电阻器值R3和R4，使得

V_UP>V_DN

更具体地，选择这些电阻器值，使得这些电阻器值不会显著添加DC调节器104的电负载，并且使得这些电阻器值在上拉设定电压和下拉设定电压之间提供在2％至10％之间的迟滞。

图3是表示根据一些实施例的电路驱动器300的说明性示意图。第一比较器电路302经耦合以接收目标电压控制信号V_CNTL和上拉设定电压V_UP，并且提供指示第一控制信号HI_OUT的值的信号。更特别地，第一比较器302被配置为将目标电压控制信号V_CNTL与上拉设定电压V_UP进行比较，并且响应于上拉设定电压V_UP小于目标电压控制信号V_CNTL，提供指示上拉开关Q1接通的输出信号。第二比较器电路304经耦合以接收目标电压电平信号V_CNTL和下拉设定电压V_DN，并且提供指示第二控制信号LO_OUT的信号。更具体地，第二比较器304被配置为将目标电压控制信号V_CNTL与下拉设定电压V_DN进行比较，并且响应于下拉设定电压V_DN大于目标电压控制信号V_CNTL，提供指示下拉开关Q2接通的输出信号。电压电平控制电路306被配置为当与调节的电压VDC_RAW一起使用时，将第一比较器302和第二比较器304的逻辑电平输出转换成适于第一FET器件Q1和第二FET器件Q2的电压电平。

图4是表示根据一些实施例的第一端子108和第二端子110之间的监测的阻抗中的示例改变的说明性曲线。在外科手术过程期间，电外科手术器械的尖端可以在具有不同阻抗的不同组织部分之间移动。通常，电外科手术器械的外科手术效果与递送到组织的功率直接相关。因此，调节RF功率，以便在由外科医生在不同组织类型之间移动器械时维持一致的外科手术效果。一般来说，组织的阻抗越高，在电外科手术器械尖端处提供期望的治疗效果所需的RF电压越高。反之，组织的阻抗越低，在电外科手术器械尖端处提供期望的治疗效果所需的RF电压越低。提供对生物组织来说太高的电压可能导致过度的功率递送，这可能导致过度组织加热和不想要的组织损伤。此外，在外科手术过程期间，电外科手术器械尖端可以移动到与患者组织接触或脱离接触，例如诸如当尖端暂时悬浮在患者组织上方的空气中时。当尖端悬浮在空气中时第一端子和第二端子之间的阻抗接近无穷大。

参考图4的示例监测的阻抗值，在时间间隔t₀至t₁期间，第一端子和第二端子之间的阻抗在对应于电外科手术器械触摸肌肉组织的800欧姆至1000欧姆的第一(中间)阻抗范围内。在时间间隔t₁至t₂期间，第一端子和第二端子之间的阻抗在对应于电外科手术器械触摸脂肪组织的3000欧姆至4000欧姆的第二(较高)阻抗范围内。在时间间隔t₂至t₃期间，第一端子和第二端子之间的阻抗在对应于电外科手术器械触摸血管出血良好的组织的200欧姆至500欧姆的第三(较低)阻抗范围内。

图5A-图5B是表示响应于图4的阻抗中的说明性示例变化的DC调节器104的操作的说明性信号时序图。图5A示出响应于电压控制信号V_CNTL和上拉设定电压V_UP的改变的第一控制信号HI_OUT和调节的DC电压V_REG的改变。图5B示出响应于电压控制信号V_CNTL和下拉设定电压V_DN的改变的第二控制信号LO_OUT和调节的DC电压V_REG的改变。

参考图4和图5A，在时间间隔t₀至t₁期间，当跨第一输出端子108和第二输出端子110的监测的阻抗在说明性示例第一(中间)阻抗范围中时，第一控制信号HI_OUT具有用于断开上拉开关Q1以使公共节点206与上拉电压VDC_RAW解耦的值。注意，在时间间隔t₀至t₁期间，第二控制信号LO_OUT(未示出)具有用于也断开下拉开关Q2以使公共节点206与接地电压电平解耦的值。如图4所示，在时间t₁，监测的阻抗改变到第二(较高)阻抗范围。响应于增加的阻抗，微控制器122在电压控制信号V_CNTRL中产生数字阶跃增加。响应于电压控制信号V_CNTRL中的阶跃增加，电路驱动器300在第一控制信号HI_OUT中产生数字阶跃增加，这引起上拉开关Q1闭合以将公共节点206耦合到上拉电压VDC_RAW，这引起电荷流动到电容器C1，这导致在输出节点208处的DC调节的电压V_REG和上拉设定电压V_UP以及下拉设定电压V_DN的对应的积累。更具体地，DC调节的电压V_REG、上拉设定电压V_UP以及下拉设定电压V_DN随着电容器C1上的电荷积累而增加。在时间t_1+x处，响应于上拉设定电压V_UP达到基本上与电压控制信号V_CNTRL匹配的电压电平，电路驱动器300在第一控制信号HI_OUT中产生数字阶跃减小，这引起上拉开关Q1断开以使公共节点206与上拉电压VDC_RAW解耦。注意，下拉开关Q2保持断开，并且公共节点206保持与接地解耦。因此，响应于在时间t₁处的阻抗的增加，电压微控制器122在V_CNTL信号中产生阶跃增加，这引起V_REG、V_UP和V_DN的电压值增加。尽管第一输出端子108和第二输出端子110之间的阻抗增加，V_REG的增加的值用于维持跨第一输出端子108和第二输出端子110的稳定的RF功率。V_UP的增加的值用于响应于上拉电压V_UP上升到由阶跃升高的V_CNTL电压指示的电平，引起电路驱动器300断开上拉开关Q1。

参考图4和图5B，在时间间隔t_1+x至t₂期间，当跨第一输出端子108和第二输出端子110的监测的阻抗在说明性示例第二(高)阻抗范围中时，第二控制信号LO_OUT具有用于断开下拉开关Q2以使公共节点206与下拉电压接地解耦的值。注意，在时间间隔t_1+x至t₂期间，第一控制信号HI_OUT(未示出)具有用于也断开上拉开关Q1以使公共节点206与上拉电压VDC_RAW解耦的值。如图4所示，在时间t₂处，监测的阻抗改变到第三(较低)阻抗范围。响应于降低的阻抗，微控制器122在电压控制信号V_CNTRL中产生数字阶跃减小。响应于电压控制信号V_CNTRL中的阶跃减小，电路驱动器300在第二控制信号LO_OUT中产生数字阶跃增加，这引起下拉开关Q2闭合以将公共节点206耦合到下拉电压接地，这引起来自电容器C1的电荷的放电，这导致在输出节点208处的DC调节的电压V_REG和上拉设定电压V_UP以及下拉设定电压V_DN的对应的减小。更具体地，DC调节的电压V_REG、下拉设定电压V_DN以及上拉设定电压V_UP随着来自电容器C1的电荷的放电而减小。在时间t_2+y处，响应于下拉设定电压V_DN达到基本上与电压控制信号V_CNTRL匹配的电压电平，电路驱动器300在第二控制信号LO_OUT中产生数字阶跃减小，这引起下拉开关Q2断开以使公共节点206与下拉电压接地解耦。注意，上拉开关Q1保持断开，并且公共节点206保持与上拉电压VDC_RAW解耦。因此，响应于在时间t₂处的阻抗的减小，电压微控制器122在V_CNTL信号中产生阶跃减小，这引起V_REG、V_DN和V_UP的电压值的减小。尽管第一输出端子108和第二输出端子110之间的阻抗减小，V_REG的减小的值用于维持跨第一输出端子108和第二输出端子110的稳定的RF功率。V_DN的减小的值用于响应于下拉电压V_DN减小到由阶跃降低的V_CNTL电压指示的电平，引起电路驱动器300断开下拉开关Q2。

图6是表示响应于RF输出端子108、110之间的阻抗用于产生电压控制信号V_CNTL的微控制器122的配置的说明性流程图600。框602根据以下公式基于测量的V_RMS和I_RMS确定阻抗，

Z＝V_RMS/I_RMS

尽管跨输出端子108、110的阻抗变化，框604使用所确定的阻抗作为基础以确定电压控制信号V_CNTL的值，以引起DC调节器104使调节的电压V_REG变化，以引起稳定的目标RF功率电平。

可以基于众所周知的关系确定电压控制信号的值，

P＝V²/Z

在一些实施例中，用于电压控制信号的值可基于诸如比例积分微分控制回路的算法。例如，目标RF功率电平可以是用户指定的或取决于外科手术过程。

框606可以基于当前监测的I_RMS电流和阈值最大I_MAX电流的比较，调整电压控制信号V_CNTL。例如，I_MAX电流可以是用户指定的或取决于外科手术过程。框608可以基于当前监测的V_RMS电压和阈值最大V_MAX电流的比较，调整电压控制信号V_CNTL，例如，V_MAX电压可以是用户指定的或取决于外科手术过程。框610将所确定的可变电压控制信号V_CNTL传输到电路驱动器300，用于控制DC调节器104。

呈现上面描述以使得本领域技术人员能够产生和使用具有集成调节器的电外科手术输出级。对实施例的各种修改对于本领域技术人员将是清楚的，并且本文中定义的一般原理可以应用于其它实施例和应用，而不脱离本发明的精神和范围。在前述描述中，阐述多个细节用于解释。然而，本领域普通技术人员将认识到，可以在不使用这些具体细节的情况下实践电路。在其它实例中，以框图形式示出众所周知的电路和过程，以便不会用不必要的细节混淆本发明的描述。在不同附图和说明书中，相同的附图标记可以用于表示的相同或类似项目的不同视图。因此，根据本发明的实施例的上述描述和附图仅仅示出本发明的原理。因而，应当理解，可由本领域技术人员对实施例作出各种修改，而不脱离在所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围。