CN112701935A - 一种等离子体精准能量控制保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体精准能量控制保护系统，包括AD/DC模块、DC控制模块和等离子体能量输出模块，还包括串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关电路；所述等离子体能量输出模块中，能量调控电路：用于动态地电流取样以检测阻抗值，然后直接反馈到第二驱动控制电路；当其检测到的阻抗值低于等离子体的激发阻抗值时进行能量调控，使阻抗匹配及输出电路的输出能量减小；并联式短路检测电路：用于并联式短路检测，然后将所得短路检测信号发送给开关电路进行短路判断，以实现开关电路的通断。本发明采用直接反馈机制和并联式电压取样检测到短路信号，反应快，系统能量输出稳定，安全性好。

Description

一种等离子体精准能量控制保护系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种等离子体精准能量控制保护系统。

背景技术

射频等离子体手术系统是新一代的低温等离子体手术系统，可用于外科手术的软组织解剖、切除、止血和干燥，可以与内窥镜系统配合进行腔内手术或与影像系统配合开展介入治疗等，它消除了射频对医患的损伤和危害，并提高了手术的效率，同时还拥有适用于不同科室的不同外径、不同弯度和不同长度的各类电极。

使用等离子体手术系统进行手术时，等离子体手术系统的能量需要控制在一定范围内，现有等离子体手术系统采用串联式电流取样，需要经过单片机反馈到驱动控制模块，反应时间长；由于现有等离子体手术系统能量调控不精准，从而使等离子体手术系统表现出反应慢，粘刀，切割慢，切割位置易变黄而且设备易损坏等问题。而且，现有等离子体手术系统输出的瞬间能量激发弱，不易激发等离子体，等离子体不易持续产生等问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种等离子体精准能量控制保护系统，能量调控电路对所述全桥逆变及升压电路进行动态地母线电流取样以检测阻抗值，然后直接反馈到第二驱动控制电路，不需要经过单片机，采用直接反馈机制，反应快，系统能量输出稳定；并且还有并联式短路检测电路通过并联式电压取样检测到的短路信号更加精确，开关电路在短路检测信号的控制下，在发生短路时可以及时断开，安全性好，解决了因短路检测控制不精准、能量反馈不及时等因素导致设备易损坏的技术问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种等离子体精准能量控制保护系统，包括AD/DC模块、DC控制模块和等离子体能量输出模块，还包括串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关电路，所述等离子体能量输出模块包括第二驱动控制电路、全桥逆变及升压电路、阻抗匹配及输出电路、并联式短路检测电路和能量调控电路，其中：

第二驱动控制电路(经隔离后)驱动全桥逆变及升压电路，使全桥逆变及升压电路对所述开关电路输出的电压进行逆变升压，然后通过阻抗匹配及输出电路输出能量；

能量调控电路：用于对所述全桥逆变及升压电路进行动态地电流取样以检测阻抗值(即进行动态地母线电流取样，经其内部的整流滤波电路和阻容网络处理后，即相当于测得工作状态时，刀头环境的阻抗值)，然后直接反馈到所述第二驱动控制电路；当其检测到的阻抗值低于等离子体的激发阻抗值时进行能量调控，使阻抗匹配及输出电路的输出能量减小，并保证等离子体持续激发(即将能量减小到安全值，该安全值保证在一定时间内设备不坏且不影响等离子体激发，如500ms内设备不坏，相当于此时3～4个开关模块的工作周期，此处的能量大小并不确定，应以上述标准为准，因此不再赘述)；-------第一级能量保护

并联式短路检测电路：用于对全桥逆变及升压电路的升压输出端行动态地并联式短路检测(即并联式取样、隔离、整流滤波及与所调基准电压比较)，然后将所得短路检测信号发送给开关电路进行短路判断，以实现开关电路的通断；当判断为短路时，所述开关电路断开。--------第二级能量保护

进一步地，所述开关电路包括峰值功率控制电路、单片机和用于串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关模块，其中：

所述峰值功率控制电路：用于对全桥逆变及升压电路进行动态地电流取样、滤波，并对生成的电压信号进行放大倍数调节，以调节峰值功率点，然后发送给所述单片机；

所述单片机：用于根据接收到的电压信号进行处理并控制开关模块的工作周期，使等离子体能量控制系统的输出功率(即等离子体能量输出模块的输出功率)不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线。开关电路中的开关模块串联在等离子体精准能量控制保护系统的线路中，此处区别于上述只有短路保护的功能；由于开关电路还具有峰值功率控制电路，峰值功率控制电路通过对等离子体能量输出模块进行电流取样并放大，生成电压信号发送给开关电路中的单片机，单片机根据电压信号控制开关模块的工作周期，从而使等离子体能量输出模块的输出功率不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线，解决了输出的瞬间能量激发弱，不易激发等离子体，等离子体不易持续产生，切割效率低，而且会出现粘刀、手术刀切割不锋利等问题。

进一步地，所述并联式短路检测电路包括依次连接的并联式取样单元、霍尔电压传感器、整流滤波单元和比较单元，其中：

所述并联式取样单元：用于对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式取样，并将取样得到的取样电压发送给所述霍尔电压传感器；

所述霍尔电压传感器：用于接收所述并联式取样单元发送的取样电压并进行隔离处理，然后将所得取样电压发送给所述整流滤波单元；

所述整流滤波单元：用于接收所述霍尔电压传感器发送的取样电压并进行整流滤波处理，然后将所得取样电压发送给所述比较单元；

所述比较单元：用于接收所述整流滤波单元发送的取样电压并与所调基准电压(可调)进行比较，并生成短路检测信号，然后将短路检测信号发送给所述开关电路进行短路判断及通断动作(具体的，所述单片机接收和处理短路检测信号，当单片机根据短路检测信号判断为短路时，控制开关电路的开关模块进行断开；未工作时开关模块为断开状态，当开始工作时，DC控制模块给其充满电才打开开关模块)。

进一步地，所述开关模块包括VMOS型开关模块或继电器型开关模块。

进一步地，所述VMOS型开关模块包括PMOS型开关模块或NMOS型开关模块。

进一步地，所述VMOS型开关模块包括依次连接的抗干扰单元、放大开关单元、驱动开关单元和用于串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关单元，其中：

所述抗干扰单元：用于接收所述单片机发送的开关控制信号并作抗干扰处理，然后发送给所述放大开关单元；

所述放大开关单元：用于接收所述抗干扰单元发送的开关控制信号并放大，然后发送给驱动开关单元；

所述驱动开关单元：用于接收放大开关单元发送的开关控制信号，然后进行通断动作；

所述开关单元：用于与所述驱动开关单元保持相同的通断动作。

具体的，所述峰值功率控制电路：用于对等离子体能量输出模块进行动态地电流取样、滤波，生成电压信号，并对电压信号进行放大倍数调节，以调节峰值功率点；然后将经过放大倍数调节后的所述电压信号发送给所述单片机，以控制开关模块的工作周期，并使等离子体能量输出模块的输出功率不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线。

进一步地，所述峰值功率控制电路包括母线取样单元、输入滤波单元、放大倍数调节单元和输出单元，其中：

所述母线取样单元：用于对全桥逆变及升压电路进行动态地电流取样，并将取样信号发送给所述输入滤波单元；

所述输入滤波单元：用于接收所述母线取样单元发送的取样信号并进行滤波处理，生成电压信号，然后将电压信号发送给所述放大倍数调节单元；

所述放大倍数调节单元：用于接收所述电压信号，并进行放大倍数调节，以调节峰值功率点，然后将经过放大倍数调节后的所述电压信号发送给输出单元；

所述输出单元：用于接收所述放大倍数调节单元发送的电压信号，并发送给所述单片机。

进一步地，所述峰值功率控制电路通过取样电阻对全桥逆变及升压电路的桥臂母线进行母线电流取样。

进一步地，所述能量调控电路通过电流互感器对全桥逆变及升压电路的桥臂母线进行母线电流取样。

进一步地，所述并联式短路检测电路包括

所述并联式取样单元：用于对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式取样，并将取样得到的取样电压发送给下一级；

所述霍尔电压传感器：用于接收所述并联式取样单元发送的取样电压并进行隔离处理，然后将所得取样电压发送给下一级；

所述整流滤波单元：用于接收所述霍尔电压传感器发送的取样电压并进行整流滤波处理，然后将所得取样电压发送给下一级；

所述比较单元：用于接收所述整流滤波单元发送的取样电压并与所调基准电压进行比较，并生成短路检测信号，然后将短路检测信号发送给所述单片机，当单片机根据短路检测信号判断为短路时，控制开关电路的开关模块进行断开。

进一步地，还包括控制面板，控制面板包括识别控制模块、报警电路和人机交互模块；当所述开关电路根据所述短路检测信号判断为短路时，开关电路向识别控制模块发送短路控制信号；

所述识别控制模块：用于接收和处理开关电路中单片机发送的短路控制信号，生成报警信号，并控制DC控制模块和等离子体能量输出模块断开(即控制第一驱动控制电路和第二驱动控制电路断开)，以及将所述将报警信号发送给报警电路；

所述报警电路：用于接收和处理所述识别控制模块发送的报警信号并报警，同时将处理后的报警信号发送给所述人机交互模块进行显示。--------第三级能量保护与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明主要改进点在于：

1)增设开关电路，在保护系统中，用于短路保护，防止设备损坏。此发明点明显与现有的等离子体手术系统不同。

2)利用对所述全桥逆变及升压电路进行动态地母线电流取样，并经其内部的整流滤波电路和阻容网络处理后(即相当于测得阻抗值)反馈到所述第二驱动控制电路，并在其检测到的阻抗低于等离子体的激发阻抗值时进行能量调控，使等离子体能量输出模块的输出能量减小；这种直接反馈机制不需要经过单片机，反应快，系统能量输出稳定，能很好地防止设备损坏。此发明点明显与现有的等离子体手术系统不同，也没有现有技术给予技术启示。

3)以及采用新的并联式短路检测电路进行并联式取样、隔离、整流滤波和与所调基准电压比较，再向开关电路发送短路检测信号；这种短路检测方式更加精准，开关电路在短路检测信号的控制下，在发生短路时可以及时断开等离子体能量输出模块，安全性好。此发明点明显与现有的等离子体手术系统不同，也没有现有技术给予技术启示。

上述三点的结合，一方面能量调控电路对所述全桥逆变及升压电路进行动态地母线电流取样以检测阻抗值，然后直接反馈到第二驱动控制电路；这种直接反馈机制不需要经过单片机，反应快，当其检测到的阻抗值低于等离子体的激发阻抗值时进行能量调控，能够使阻抗匹配及输出电路的输出能量迅速减小，且保证等离子体持续激发，不影响等离子体激发，既避免了能量过大而损坏设备，又能保证等离子体持续产生；另一方面还通过使得等离子体精准能量控制保护系统能够对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式取样(取样方式和取样点区别于现有技术)，以精准检测短路情况，并通过增加的开关电路来控制整个系统的通断，起到短路保护作用；类似情况下，这种方式在判断到短路后，能够快速关闭开关电路，仅需关闭开关电路即可，而DC控制模块和等离子体能量输出模块不需要关断重启，大大缩短了反应时间；避免了常规等离子体能量输出模块等因没有开关电路，而需要关断重启的缺陷。在这种多重保护机制下，使得本申请的等离子体精准能量控制保护系统能够迅速而精准的进行能量控制和保护，解决了因短路检测控制不精准、能量反馈不及时等因素导致设备易损坏的技术问题，能够在产生等离子体的情况下保护设备不损坏，实用效果明显更好。

附图说明

图1为根据一示例性实施例示出的一种等离子体精准能量控制保护系统结构框图。

图2为根据一示例性实施例示出的一种开关模块电路结构示意图。

图3为根据一示例性实施例示出的一种峰值功率控制电路结构框图。

图4为根据一示例性实施例示出的一种峰值功率控制电路、全桥逆变及升压电路、并联式短路检测电路及能量调控电路结构示意图。

图5为根据一示例性实施例示出的一种继电器型开关模块结构示意图。

图6为根据一示例性实施例示出的一种等离子体精准能量保护控制系统结构框图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供一种等离子体精准能量控制保护系统包括AD/DC模块、DC控制模块和等离子体能量输出模块，还包括串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关电路(所述开关电路通过其内部的开关模块串联于DC控制模块和等离子体能量输出模块之间)，所述等离子体能量输出模块包括第二驱动控制电路、全桥逆变及升压电路、阻抗匹配及输出电路、并联式短路检测电路和能量调控电路，其中：

所述第二驱动控制电路：经隔离后，用于驱动所述全桥逆变及升压电路；

所述全桥逆变及升压电路：用于对所述开关电路输出的电压进行逆变升压，然后输出给所述阻抗匹配及输出电路；

所述阻抗匹配及输出电路：用于对所述全桥逆变及升压电路输入的电压进行阻抗匹配并输出；

所述开关电路包括峰值功率控制电路、单片机和用于串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关模块，其中：

所述峰值功率控制电路：用于对全桥逆变及升压电路进行动态地电流取样、滤波，生成电压信号，并对电压信号进行放大倍数调节，以调节峰值功率点，然后将经过放大倍数调节后的所述电压信号发送给所述单片机；

所述单片机：用于接收和处理所述峰值功率控制电路发送的电压信号，并根据处理后的电压信号控制开关模块的工作周期(具体为，该电压信号大于阈值时，控制开关模块的工作周期；而该电压信号小于等于所设阈值时，不处理，即开关模块一直打开)，使等离子体能量控制系统的输出功率不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线；

能量调控电路，用于对所述全桥逆变及升压电路进行动态地母线电流取样并经其内部的整流滤波电路和阻容网络处理后(即相当于测得阻抗值)反馈到所述第二驱动控制电路；当其检测到的阻抗低于等离子体的激发阻抗值时，使等离子体能量输出模块的输出能量减小，并保证等离子体持续激发(即将能量减小到安全值，该安全值保证在一定时间内设备不坏且不影响等离子体激发，如500ms内设备不坏，相当于此时3～4个开关模块的工作周期，此处的能量大小并不确定，应以上述标准为准，因此不再赘述)；

并联式短路检测电路：用于对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式(动态地)取样、隔离、整流滤波及与所调基准电压比较，然后将所得短路检测信号发送给所述开关电路中的单片机；当所述单片机根据所述短路检测信号判断为短路时，控制所述开关电路中的开关模块断开。

进一步地，所述峰值功率控制电路中，针对不同型号的刀头而言，放大倍数不同；对同一型号的刀头而言，每次取样、滤波后的放大倍数是恒定的。

这里需要说明的是，等离子体精准能量控制保护系统在保证系统能量精准控制的同时也可以起到短路保护作用，一方面，能量调控电路对全桥逆变及升压电路进行电流取样并直接反馈回等离子体能量输出模块，中间不经过单片机，反应快延迟小，而且采用直接反馈机制，系统能量输出稳定，从而使使用本实施例的手术系统具有切割快，效率高的优势；另一方面，开关模块的输入端和输出端分别与DC控制模块的输出端和等离子体能量输出模块的输入端连接，也即，开关模块串联在等离子体精准能量保护控制系统中，当等离子体精准能量保护控制系统正常工作时，并联式短路检测电路生成的短路检测信号为正常工作信号，单片机接收到这一信号后，开关模块在正常工作周期下进行关断和打开，当等离子体精准能量保护控制系统处于短路状态时，并联式短路检测电路生成的短路检测信号为异常工作信号(判断系统为短路状态的信号)，单片机接收到这一信号后生成开关控制信号，控制开关模块断开，等离子体精准能量控制保护系统断开，起到短路保护作用，从而使本实施例在保证精准能量控制的同时也可以起到很好的短路保护效果，安全可靠。

作为优先，本实施例中的并联式短路检测电路可以包括依次连接的并联式取样单元、霍尔电压传感器、整流滤波单元和比较单元，其中：

所述并联式取样单元：用于对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式取样，并将取样得到的取样电压发送给所述霍尔电压传感器；

所述霍尔电压传感器：用于接收所述并联式取样单元发送的取样电压并进行隔离处理，然后将所得取样电压发送给所述整流滤波单元；

所述整流滤波单元：用于接收所述霍尔电压传感器发送的取样电压并进行整流滤波处理，然后将所得取样电压发送给所述比较单元；

所述比较单元：用于接收所述整流滤波单元发送的取样电压并与基准电压(可调)进行比较，并生成短路检测信号，然后将短路检测信号发送给所述单片机，当单片机根据短路检测信号判断为短路时，控制开关电路的开关模块进行断开(未工作时开关模块为断开状态，当开始工作时，DC控制模块给其充满电才打开开关模块)，而DC控制模块和等离子体能量输出模块暂不关断。

这里需要说明的是，当DC控制模块的输出电压输入到开关模块之后，开关模块开始充电蓄能，直至开关模块打开；并联式取样单元对等离子体能量输出模块中全桥逆变及升压电路的输出电压进行检测，采用并联式电压传感器(优选霍尔电压传感器)精确测量，当电压在设定值及以下时(也可以折算成阻抗，比如阻抗低于10欧，相当于短路)，并联式电压传感器输出的电压信号经整流滤波单元整流滤波后，输入到比较单元，与电压设定值进行比较，当整流滤波后的电压信号低于或高于电压设定值(含)时(取决于比较器相位)，输入到单片机，单片机控制开关模块关断(1ms以内的延迟判断，优选0～0.5ms区间内的延迟判断)，从而实现短路检测及保护。

这里需要说明的是，等离子体能量控制保护系统包括DC控制模块和等离子体能量输出模块，开关模块设置有输入端、输出端和开关控制输入端，开关模块的输入端和输出端分别与DC控制模块的输出端和等离子体能量输出模块的输入端连接，也即，开关模块串联在等离子体能量控制保护系统中，开关模块的开关控制输入端与单片机连接，接收单片机发送的开关控制信号，开关模块根据开关控制信号执行断开或闭合动作，开关模块断开，则等离子体能量输出模块断开，开关模块闭合，则等离子体能量输出模块闭合，换言之，开关模块工作周期也就是等离子体能量控制系统工作周期，峰值功率控制电路生成的电压信号主要用于通过单片机来控制开关模块的工作周期，并使等离子体能量控制系统输出的功率峰值不超出预设功率峰值并满足预设功率曲线。其中，根据需要，预设峰值功率和预设功率曲线可以提前预置在峰值功率控制电路和单片机内。

具体实施本实施例时，DC控制模块的输出电压有不同档位，如10个档位，每个档位对应不同的电压，最高档10档对应65V，其余各档位与最高档依次递减，等离子体能量输出模块的输出端即为等离子体能量控制系统的输出端(等离子体能量控制系统包括控制面板，控制面板中设置有可以连接手术刀头和脚踏开关的外部接口，等离子体能量控制系统的输出端通过控制面板的外部接口为手术刀头提供等离子体输出能量)，等离子体能量输出模块的输出端通过控制面板的外部接口可以连接不同型号的手术刀头，与等离子体能量控制系统输出端连接的手术刀头型号不同，手术刀头要求的能量也不同，相应地，等离子体能量控制系统输出的功率需要满足的峰值功率和功率曲线不一样。而不同型号手术刀头对应的峰值功率和功率曲线，可以由操作者根据实际需要设置，比如使用刀头A时，设置的峰值功率为300W，等离子体能量控制系统输出功率需要满足功率曲线A，峰值功率控制电路实时获取到取样电流后进行放大处理生成电压信号并发送给单片机(实质测得的是刀头两极之间的实时阻抗)，单片机根据接收到的电压信号就可以计算出满足峰值功率300W和功率曲线A时开关模块对应的工作周期(即此处不同的电压信号对应不同的预设峰值功率和预设的功率曲线)，从而生成开关控制信号控制开关模块断开或闭合。对于同一型号的刀头，如预设200欧为峰值功率点，那么，当测得阻抗大于200欧时，单片机控制开关模块的工作周期为500ms左右(其中，断开时间110ms左右)，当测得阻抗为50欧时，为了适应预设的功率曲线，单片机控制开关模块的工作周期为140ms左右(其中，断开时间110ms左右)，使等离子体能量控制系统的输出功率始终控制在所需范围内。相比于现有技术，本技术方案，当测得的阻抗低于等离子体的激发阻抗值时，工作周期(由断开时间和工作时间组成，且断开时间保持不变)变短(即工作时间变短，即只调节其工作时间的长短)，开关模块断开，并通过DC控制模块对开关电路进行充电储能。本技术方案可以根据预设的峰值功率和预设的功率曲线来调节开关模块的工作周期，由于阻抗低于等离子体的激发阻抗值时，开关电路断开蓄能，在一定范围内，工作周期短，爆发能量很强，能有效避免瞬间能量激发弱，不容易产生等离子体等问题。使用本实施例的手术系统在手术过程中，当手术刀头上附着有组织，即出现粘刀现象时，刀头阻抗发生变化，如果不解决粘刀问题，会严重影响手术效果，而本实施例由于开关电路断开蓄能，瞬间激发能量时间短，利用瞬间能量产生的等离子体可以将附在刀头的组织打掉，快速解决粘刀问题，另外，由于本实施例可以持续输出等离子体能量，因此具有切割快，效率高的优势。

作为优先，本实施中的开关模块可以包括VMOS型开关模块或继电器型开关模块，当本实施例采用VMOS型开关模块时，VMOS型开关模块可以包括依次连接的抗干扰单元、放大开关单元、驱动开关单元和用于串联在等离子体能量控制系统线路中的开关单元，其中：

所述抗干扰单元：用于接收所述单片机发送的开关控制信号并作抗干扰处理，然后发送给所述放大开关单元；

所述放大开关单元：用于接收所述抗干扰单元发送的开关控制信号并放大，然后发送给驱动开关单元；

所述驱动开关单元：用于接收放大开关单元发送的开关控制信号，然后进行通断动作；比如，当所述单片机发送给抗干扰单元的开关控制信号为低电平时，驱动开关单元通路；当所述单片机发送给抗干扰单元的开关控制信号为高电平时，驱动开关单元断开；

所述开关单元：用于与所述驱动开关单元保持相同的通断动作。

这里需要说明的是，开关单元的输入端和输出端即为开关模块的输入端和输出端，如图2所示，本实施例中开关模块的电路结构可以包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第一稳压管Z1、第一三极管S1、第一二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电容C5(第五电容C5可以舍去)和第三外接电源U3，其中：

所述第一MOS管Q1的源极和漏极分别作为所述开关模块的输入端和输出端串联于等离子体能量控制系统的线路中，所述第一电阻R1和第一稳压管Z1同时并联在所述第一MOS管Q1的源极和栅极之间且所述第一稳压管Z1的正极与所述第一MOS管Q1的栅极连接，所述第一MOS管Q1的栅极与所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第二MOS管Q2的漏极与连接，所述第二MOS管Q2的源极接地，所述第二MOS管Q2的栅极同时与所述第三电阻R3的一端和第一三极管S1的集电极连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第三外接电源U3连接，所述第一三极管S1的发射极接地，所述第一三极管S1的基极同时与所述第一二极管D1的负极和所述第五电容C5的一端连接，所述第五电容C5的另一端接地，所述第一二极管D1的正极与所述第四电阻R4的一端连接，所述第四电阻R4的另一端作为所述开关模块的开关控制输入端与所述单片机连接。

本实施例提供的开关模块电路结构中，由第四电阻R4、第一二极管D1和第五电容C5一起够成抗干扰单元，其中，第一二极管D1和第五电容C5一起可以起到防误触发抗干扰的作用，由第三电阻R3和第一三极管S1构成放大开关单元，由第二电阻R2和第二MOS管Q2构成驱动开关单元，其中，第二电阻R2为分压电阻，由第一MOS管、第一电阻R1和第一稳压管Z1构成开关单元，在开关单元中设置稳压管，可以保证第一MOS管Q1的栅极电压稳定性，提高电路工作质量；为了使电路结构简单，开关单元中的第一MOS管可以采用PMOS管，具体工作中，第一三极管S1的基极从单片机中接收到高电平时，第一三极管S1导通，第二MOS管Q2的栅极为低电平，第二MOS管Q2断开，此时开关单元中的第一MOS管Q1的栅极为高电平，第一MOS管Q1断开，相应的，开关单元和等离子体能量控制系统断开；第一三极管S1的基极从单片机中接收到低电平时断开，第二MOS管Q2的栅极为高电平，第二MOS管Q2导通，此时开关单元中的第一MOS管Q1栅极为低电平，第一MOS管Q1导通，开关单元导通，相应的，开关单元和等离子体能量控制系统导通，因此，单片机通过给开关模块的开关控制输入端发送一定时长的高电平和一定时长的低电平来控制开关电路的工作周期。另外，作为不同于上述开关模块电路结构的另一种实施例，开关单元中的第一MOS管Q1也可以采用NMOS管或继电器来实现开关功能。采用VMOS管可以使本实施例的可靠性更高，具有开关迅速，不易损坏，使用寿命长等特点。本实施例中，第三外接电源U3可以为12V。

作为另一种优选，本实施例提供的开关电路还可以采用继电器型开关模块，如图5所示，继电器型开关模块包括继电器K、三极管Q20和二极管D20，所述三极管Q20的发射极接地且与所述二极管D20的正极连接，所述二极管D20的负极与所述三极管Q20的集电极连接，所述三极管Q20的基极通过电阻R30与单片机连接，所述三极管Q20的集电极还与所述继电器K的线圈的一端连接，所述继电器K的线圈的另一端可以连接12V外接电源，其中，所述继电器K开关触点的两端分别作为继电器型开关模块的输入端和输出端串联在系统线路中。

作为优选，如图3所示，所述峰值功率控制电路包括母线取样单元、输入滤波单元、放大倍数调节单元和输出单元，其中：

所述母线取样单元：用于对等离子体能量输出模块进行动态地电流取样，并将取样信号发送给所述输入滤波单元；

所述输入滤波单元：用于接收所述母线取样单元发送的取样信号并进行滤波处理，生成电压信号，然后将电压信号发送给所述放大倍数调节单元；

所述放大倍数调节单元：用于接收所述电压信号，并进行放大倍数调节，然后将经过放大倍数调节后的所述电压信号发送给输出单元；这里，放大倍数调节单元的放大倍数根据不同型号刀头的预设功率曲线来定，刀头型号不同，其放大倍数可能不同，如刀头A的预设功率曲线A的峰值功率是300W，则其对应放大倍数2，若改变峰值功率大小，则改变相应的放大倍数；

所述输出单元：用于接收所述放大倍数调节单元发送的电压信号，并发送给所述单片机。

为了更好地对峰值功率控制电路进行说明，如图3所示，本实施例提供一种具体的峰值功率控制电路，包括第一放大器V1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第一滑动电位器RW1(或者采用电子电位器等等效元件)，其中：

所述第一放大器V1的正向输入端同时与所述第五电阻R5的一端和所述第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端接地，所述第五电阻R5的另一端通过所述第一电容C1接地，所述第一电容C1连接所述第五电阻R5的一端还与所述第九电阻R9的一端连接，所述第九电阻R9的另一端接地，且所述第九电阻R9相对接地的另一端作为母线取样输入端与等离子体能量输出模块连接，所述第一放大器V1的反向输入端同时与所述第六电阻R6的一端和所述第三电容C3的一端连接，所述第六电阻R6的另一端和所述第三电容C3的另一端同时接地，所述第一放大器V1的输出端通过所述第一滑动电位器RW1与反向输入端连接，且第一滑动电位器RW1的滑动抽头与所述第一放大器V1的输出端连接，所述第一放大器V1的输出端还与所述第七电阻R7的一端连接，所述第七电阻R7的另一端作为所述能量控制模块输出端且同时与所述第四电容C4的一端和所述第八电阻R8的一端连接，所述第四电容C4的另一端和所述第八电阻R8的另一端同时接地。

这里需要说明的是，上述峰值功率控制电路中，由第九电阻R9构成母线取样单元，由第一电容C1、第二电容C2和第五电阻R5构成输入滤波单元，由第三电容C3、第六电阻R6、第一放大器V1和第一滑动电位器RW1构成放大倍数调节单元，由第七电阻R7、第八电阻R8和第四电容C4构成输出单元。

如图4所示，具体实施本实施例时，等离子体能量输出模块包括全桥逆变及升压电路，全桥逆变及升压电路包括相互连接的全桥逆变电路和升压变压器，峰值功率控制电路的母线取样输入端可以与全桥逆变电路中的桥臂母线连接，由于取样电流比较小或者存在干扰，可以依次通过峰值功率控制电路中的滤波单元和放大倍数调节单元进行滤波放大，最后生成电压信号并通过输出单元发送给单片机。

如图4所示，本实施例提供的并联式短路检测电路可以包括霍尔电压传感器T3、第一比较器A1、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第六电容C6、第十二极管D10、第十一二极管D11、第二滑动电位器RW2和第二外接电源U2，其中：

所述霍尔电压传感器T3的一次侧的两端分别与所述第十电阻R10的一端和所述第十一电阻R11的一端连接，所述第十电阻R10的另一端和所述第十一电阻R11的另一端分别作为所述并联式短路检测电路的输入端的两端与所述等离子体能量输出模块连接，所述霍尔电压传感器T3的二次侧的两端分别与所述第十二极管D10的正极和所述第十一二极管D11的正极连接，且所述霍尔电压传感器T3的二次侧与所述第二外接电源连接，所述第十二极管D10的负极同时与所述第十一二极管D11的负极、所述第十二电阻R12的一端、所述第六电容C6的一端和所述第一比较器A1的正向输入端连接，所述第十一二极管D11的正极、所述第十二电阻R12的另一端和所述第六电容C6的另一端同时接地，所述第一比较器A1的反向输入端与所述第二滑动电位器RW2的滑动抽头连接，所述第二滑动电位器RW2的电阻一端与所述第二外接电源U2连接，所述第二滑动电位器RW2的电阻另一端接地，所述第一比较器A1的输出端作为所述并联式短路检测电路的输出端与所述单片机连接。

这里需要说明的是，由第十电阻R10和第十一电阻R11一起构成并联式取样单元，由第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二电阻R12和第六电容C6一起构成整流滤波单元，由第一比较器A1和第二滑动电位器RW2一起构成比较单元，在具体工作中，第一比较器A1的反向输入端的电压作为基准电压，通过调节第二滑动电位器RW2的滑动抽头，可以改变基准电压，第一比较器A1的正向输入端为与短路检测信号相关的输入电压。具体工作时，霍尔电压传感器T3接收到取样电压信号，当电压低于设定值时，经整流滤波后输入第一比较器A1的同相端，第一比较器A1输出低电平；当电压高于设定值时，经整流滤波后输入第一比较器A1的同相端，第一比较器A1输出高电平。

如果将第一比较器A1的同向输入端的电压作为基准电压，当电压高于设定值时，经整流滤波后输入第一比较器A1的反相端，第一比较器A1输出低电平；当电压低于设定值时，经整流滤波后输入第一比较器A1的反相端，第一比较器A1输出高电平。本实施例中，第一外接电源U1可以为12V(稳压电源)，第二外接电源U2可以为5V(稳压电源)。

如图4所示，能量调控电路可以包括电流互感器T1、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9和阻容网络，所示电流互感器T1一次侧的一端作为取样端与所述全桥逆变及升压电路中的全桥逆变电路中的桥臂母线连接，所述电流互感器T1一次侧的另一端作为取样端供所述峰值功率控制电路的母线取样输入端进行电流取样，所述电流互感器T1二次侧的一端同时与所述第六二极管D6的负极和所述第七二极管D7的正极连接，所述电流互感器T1二次侧的另一端同时与所述第八二极管D8的正极和所述第九二极管D9的负极连接，所述第六二极管D6的正极与所述所述第九二极管D9的正极连接后接地且与所述阻容网络输入端的一端连接，所述第七二极管D7的负极与所述所述第八二极管D8的负极连接后与所述阻容网络输入端的另一端连接，所述阻容网络的输出端与所述驱动控制电路的输入端连接。

这里需要说明的是，只有在异常情况下，比如刀头绝缘度不够甚至短路，一方面，当能量调控电路检测到的阻抗值低于等离子体的激发阻抗值时，通过阻容网络调节阻容值，然后直接反馈到第二驱动控制电路(不经过单片机，反应更快)，驱动全桥逆变及升压电路进行逆变升压，并输入阻抗匹配及输出电路，使整个系统的输出能量逐步减小；而当能量调控电路检测到的阻抗值高于等离子体的激发阻抗值时，由于此时电流小，取样后，经整流滤波电路和阻容网络处理后的反馈很小，能量调控电路的作用忽略不计，因此，几乎不会影响能量的输出；另一方面当并联式短路检测电路检测到短路后，开关电路的单片机控制开关模块断开。另外，还可以联想到，在DC控制模块的同样位置增设类似的能量调控电路。

为了更好地对本实施例进行说明，本实施例中的AC/DC模块可以包括交流输入滤波电路、高压整流滤波电路和低压输出电路，其中：

所述交流输入滤波电路：用于对输入的交流电进行滤波，然后将滤波后的交流电输出给所述高压整流滤波电路；

所述高压整流滤波电路：用于将所述交流输入滤波电路输入的交流电进行整流滤波得到高压直流电，然后将高压直流电输出给所述低压输出电路和所述DC控制模块；

所述低压输出电路：用于将所述高压整流滤波电路输入的高压直流电进行隔离降压得到低压直流电，然后将低压直流电输出给所述DC控制模块、开关电路、所述等离子体能量输出模块和所述控制面板。

本实施例中的DC控制模块可以包括软开关全桥逆变及降压电路、整流滤波输出电路和第一驱动控制电路，其中；

所述第一驱动控制电路：经隔离后，用于驱动所述全桥逆变及降压电路，这里，所述第一驱动控制电路驱动的是软开关全桥逆变及降压电路中VMOS管的栅极，可根据不同型号的刀头使DC控制模块输出不同的电压；

所述软开关全桥逆变及降压电路：用于对AC/DC控制模块输出的高压直流电进行逆变降压，然后将所得电压输出给所述整流滤波输出电路；

所述整流滤波输出电路：用于对所述软开关全桥逆变及降压电路输出的电压进行整流滤波，然后将整流滤波后的电压输出给所述开关电路。

进一步地，如图6所示，本实施例中，还包括控制面板，所述控制面板可以包括外部接口、识别控制模块、报警电路和人机交互模块，其中：

所述识别控制模块：用于识别与所述外部接口连接的手术刀头信息和脚踏开关信息并处理，生成第一调控信号，然后将所述第一调控信号同时发送给所述DC控制模块和所述等离子体能量输出模块；还用于接收所述开关模块发送的短路信号并处理，生成报警信号，然后将所述将报警信号发送给报警电路；还用于接收所述人机交互模块发送的操作者信号并处理，生成第二调控信号，然后将所述第二调控信号同时发送给所述DC控制模块和所述等离子体能量输出模块(即操作者手动选择选择档位的过程)；

所述报警电路：用于接收所述识别控制模块发送的报警信号并报警，同时将报警信号发送给所述人机交互模块显示；

所述人机交互模块：用于接收所述识别控制模块和所述报警电路发送的信号并显示，还用于为操作者提供人机界面接口并将操作者输入的相关信号发送给所述识别控制模块。

这里需要说明的是，本实施例中，外部设备(比如脚踏开关、手术刀头等)本身的接口、外部设备、控制面板本身的显示器/触摸屏等均通过隔离电路与本实施例提供的等离子体能量控制系统隔离，当并联式短路检测电路对全桥逆变及升压电路进行短路检测并判断为短路后，单片机在控制开关模块断开的同时会将短路信号发送给识别控制模块，识别控制模块识别到短路信号后控制报警电路报警，其中，报警电路可以包括声音报警、声光报警等各种报警形式，人机交互模块可以包括触摸屏交互模式或普通的按键显示交互模块。

另外，实施本实施例时，操作者手动选择选择档位的过程如下所述：操作者通过脚踏开关选择工作模式后，如切割、止血等，每种工作模式(均有多个能量档位，如10个档位)通过人机交互模块进行手动选择，并可进行能量档位调节。识别控制模块根据不同型号的刀头预置有相应的默认档位，一般为最佳档位，操作者可根据需要，通过人机交互模块选择需要的档位将档位选择信号输入到识别控制模块，并通过脚踏开关来选择工作模式的工作状态(如择一选择切割或止血的开或关)。如选择切割模式，脚踏开关通过外部接口给识别控制模块一个开关信号(止血开关通过另一个通道向识别控制模块提供开关信号)，识别控制模块识别到开关信号后，控制DC控制模块中的第一驱动控制电路和等离子体能量输出模块中第二驱动控制模块(即同时打开第一驱动控制电路和第二驱动控制模块，而开关电路中的开关模块在DC控制模块给其充满电才打开，虽然时间上有先后顺序，但是开关模块与前两者的打开时间差为毫秒级，相当于同时打开第一驱动控制电路、第二驱动控制模块和开关模块)。

一方面，识别控制模块根据预置的不同能量档位向第一驱动控制电路输出对应的控制电压，第一驱动控制电路通过隔离后，驱动软开关全桥逆变及降压电路(输入到VMOS管的栅极)，电压经降压后输入到整流滤波输出电路输出，以控制DC控制模块对应档位的输出电压(作为开关电路的输入电压)。操作者还可根据人机交互模块选择相应的档位进行手动调节预置档位，再通过上述工作流程调节DC控制模块对应档位的输出电压。

另一方面，识别控制模块接收到脚踏开关的开关信号后，打开第二驱动控制电路，第二驱动控制电路经隔离后，用于驱动所述全桥逆变及升压电路(输入到图4中VMOS管的栅极)，电压经升压后输入到阻抗匹配及输出电路，以控制等离子体能量输出模块的能量输出。如图4所述，能量调控电路对所述全桥逆变及升压电路进行动态地母线电流取样并经过整流滤波电路和阻容网络(出厂时预先调好阻容参数)处理后反馈到所述驱动控制电路。并联式短路检测电路对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式电压取样并处理，生成短路检测信号，然后将所述短路检测信号发送给所述开关电路中的单片机，所述单片机根据所述短路检测信号控制所述开关电路中的开关模块断开或闭合。正常工作时，第一驱动控制电路和第二驱动控制电路都是打开的，仅在非正常工作时关断(如刀头被判断短路，或者脚踏开关关闭)。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体精准能量控制保护系统，包括AD/DC模块、DC控制模块和等离子体能量输出模块，其特征在于，还包括串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关电路；等离子体能量输出模块包括第二驱动控制电路、全桥逆变及升压电路、阻抗匹配及输出电路、并联式短路检测电路和能量调控电路，其中：

第二驱动控制电路驱动全桥逆变及升压电路，使全桥逆变及升压电路对开关电路输出的电压进行逆变升压，然后通过阻抗匹配及输出电路输出能量；

能量调控电路：用于对全桥逆变及升压电路进行动态地电流取样以检测阻抗值，然后直接反馈到第二驱动控制电路；当其检测到的阻抗值低于等离子体的激发阻抗值时进行能量调控，使阻抗匹配及输出电路的输出能量减小，并保证等离子体持续激发；

并联式短路检测电路：用于对全桥逆变及升压电路的升压输出端进行动态地并联式短路检测，然后将所得短路检测信号发送给开关电路进行短路判断，以实现开关电路的通断。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述开关电路包括峰值功率控制电路、单片机和用于串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关模块，其中：

所述峰值功率控制电路：用于对全桥逆变及升压电路进行动态地电流取样、滤波，并对生成的电压信号进行放大倍数调节，以调节峰值功率点，然后发送给所述单片机；

所述单片机：用于根据接收到的电压信号进行处理并控制开关模块的工作周期，使等离子体能量控制系统的输出功率不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线。

3.根据权利要求2所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述开关模块包括VMOS型开关模块或继电器型开关模块。

4.根据权利要求3所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述VMOS型开关模块包括PMOS型开关模块或NMOS型开关模块。

5.根据权利要求3所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述VMOS型开关模块包括依次连接的抗干扰单元、放大开关单元、驱动开关单元和用于串联在DC控制模块和等离子体能量输出模块之间的开关单元，其中：

所述抗干扰单元：用于接收所述单片机发送的开关控制信号并作抗干扰处理，然后发送给所述放大开关单元；

所述放大开关单元：用于接收所述抗干扰单元发送的开关控制信号并放大，然后发送给驱动开关单元；

所述驱动开关单元：用于接收放大开关单元发送的开关控制信号，然后进行通断动作；

所述开关单元：用于与所述驱动开关单元保持相同的通断动作。

6.根据权利要求2所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述峰值功率控制电路包括母线取样单元、输入滤波单元、放大倍数调节单元和输出单元，其中：

所述母线取样单元：用于对全桥逆变及升压电路进行动态地电流取样，并将取样信号发送给所述输入滤波单元；

所述输入滤波单元：用于接收所述母线取样单元发送的取样信号并进行滤波处理，生成电压信号，然后将电压信号发送给所述放大倍数调节单元；

所述放大倍数调节单元：用于接收所述电压信号，并进行放大倍数调节，以调节峰值功率点，然后将经过放大倍数调节后的所述电压信号发送给输出单元；

所述输出单元：用于接收所述放大倍数调节单元发送的电压信号，并发送给所述单片机。

7.根据权利要求2所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述峰值功率控制电路通过取样电阻对全桥逆变及升压电路的桥臂母线进行母线电流取样。

8.根据权利要求1所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述能量调控电路通过电流互感器对全桥逆变及升压电路的桥臂母线进行母线电流取样。

9.根据权利要求1所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，所述并联式短路检测电路包括

所述并联式取样单元：用于对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式取样，并将取样得到的取样电压发送给下一级；

所述霍尔电压传感器：用于接收所述并联式取样单元发送的取样电压并进行隔离处理，然后将所得取样电压发送给下一级；

所述整流滤波单元：用于接收所述霍尔电压传感器发送的取样电压并进行整流滤波处理，然后将所得取样电压发送给下一级；

所述比较单元：用于接收所述整流滤波单元发送的取样电压并与所调基准电压进行比较，然后将生成的短路检测信号发送给所述开关电路进行短路判断及通断动作。

10.根据权利要求1所述的一种等离子体精准能量控制保护系统，其特征在于，还包括控制面板，控制面板包括识别控制模块、报警电路和人机交互模块；当所述开关电路根据所述短路检测信号判断为短路时，开关电路向识别控制模块发送短路控制信号；

所述识别控制模块：用于接收和处理开关电路中单片机发送的短路控制信号，生成报警信号，并控制DC控制模块和等离子体能量输出模块断开，以及将所述报警信号发送给报警电路；

所述报警电路：用于接收和处理所述识别控制模块发送的报警信号并报警，同时将处理后的报警信号发送给所述人机交互模块进行报警显示。

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