리니어 테크놀로지의 LT8705 동기식 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러는 입력 전압과 같거나 또는 높거나 낮은 부동 전압을 통해 배터리를 효율적으로 충전시킬 수 있기 때문에 첨단 수술 시스템을 위한 전력공급장치 설계를 대폭 단순화시킬 수 있다.



통증은 매우 적고, 입원 기간은 짧으며, 일상 활동으로의 회복은 보다 빠르고, 보다 우수한 임상 결과를 제공할 가능성이 있으면서 최소의 부위만을 절개하여 이루어지는 대수술을 상상해 보자. 최근까지 수술 방법은 제한돼 있었으며 절개 부위가 큰 전통적인 개복 수술과 함께 복강경 수술이라고 하는 매우 작은 절개 부위를 통해 경량 튜브를 삽입하는 수술이 있었다. 하지만 복강경 수술이 최소 침습 수술임에도 필요 장비들로 인해 일반적으로 매우 간단한 수술로만 한정되었다. 혁신적인 기술로 인해 로봇 보조 기능을 통합한 또 다른 범주의 최소 침습 수술이 있다.
이러한 형태의 수술 시스템은 로봇 보조 복강경, 흉강경, 내시경 수술을 창출할 수 있는 컴퓨터와 로봇 기술을 통합하고 있다. 외과전문의들에게 강화된 성능을 제공함으로써 전통적인 수술 방법을 가능하게 했던 것보다 향상된 시각화, 정밀도, 기민성, 제어 특성을 제공하는 최소 침습 접근법을 통해 보다 다양한 상황들을 처리할 수 있다.
최소 침습 로봇-보조 수술은 심장 수술에서부터 암 수술에 이르는 모든 것에 사용되고 있으며 전립선암, 자궁내막암, 병적비만증, 승모판막 폐쇄부전 등과 같은 다양한 상황들을 처리할 수 있다. 이러한 시스템들은 이전까지 없었던 로봇 및 외과 기술을 통합하고 있기에 외과전문의들이 다양하고 복잡한 상황들에 대해 이용 가능한 가장 효과적이면서 최소 침습 치료 방법을 선택하여 제공할 수 있도록 지원한다.
일반적인 구성은 외과전문의용 콘솔, 쌍방향 로봇 팔이 설치된 환자 카트, 인체 내부 초확대 3D 이미지 모니터 등이다. 새로운 영상 및 영상-유도 기술을 이용한 방법들은 외과전문의들에게 중요한 내부 구조의 위치와 장비 위치에 대한 매우 정확한 3D 정보를 제공한다.
수술을 위해 외과전문의들은 겸자(forcep)처럼 동작하는 마스터 제어 기능들을 사용한다. 외과의사들이 제어 기능들을 조정함에 따라 시스템들은 실시간으로 입력에 반응하고 의사의 손, 손목, 손가락 움직임을 변환하여 초소형 장비들을 정밀하게 동작시킨다. 그림 1은 로봇 수술 시스템이다.
이러한 형태의 시스템은 일반적으로 분산 전력 아키텍처를 사용하여 설계한다. 따라서 이것은 110VAC 또는 220VAC로 구성된 AC 주 전력을 통해 동작하며, 이를 48 V 배터리를 충전하는 절연 48 V DC 전압으로 변환한다. 이 48 V 버스 전압은 시스템을 거쳐 로봇 팔, 시스템 전자장치, 계측장치, 고해상도 디스플레이 등을 포함한 전체 서브시스템을 위한 부하 레귤레이터의 전력 다운스트림 지점으로 라우팅 된다. AC 주 전력이 공급되지 않는 경우가 발생할 경우에 배터리 팩이 시스템 동작을 유지한다.
하지만, 배터리 충전 상태에 따라서 배터리 팩 전압이 48 V 입력과 같거나 또는 이보다 높거나 낮을 수 있기 때문에, 이러한 애플리케이션을 위한 전력공급장치를 설계하는 것이 중요한 기술적 과제가 된다. 리니어 테크놀로지는 최근에 이와 같은 전력 공급 요구사항들을 처리할 수 있는 80 V 동기식 벅-부스트 컨트롤러인 LT8705을 출시했다.



새로운 접근법
LT8705는 조정된 출력 전압보다 입력 전압이 같거나 또는 높거나 낮을 경우에도 동작하는 고효율(최대 98%) 동기식 벅-부스트 DC-DC 컨트롤러이다. 이 디바이스는 입력 전류/전압 및 출력 전류/전압을 조정할 수 있는 4개의 피드백 루프를 제공한다. 출력 전류 루프는 레귤레이션된 출력 전류를 배터리 충전기를 위해서나 또는 전류 소스로서 제공한다. LT8705는 넓은 2.8 V에서 80 V까지의 입력 전압 범위에 대해 동작하며 4-스위치 동기식 정류 기능 및 단일 인덕터를 사용해 1.3 V에서 80 V까지의 출력을 생성한다. 최대 250 W까지의 출력 전력을 단일 디바이스로 제공할 수 있다. 다중 회로를 병렬로 구성할 경우에 보다 높은 출력 전력을 달성할 수 있다.
추가 기능으로 피드백 루프가 활성화되었다는 것을 표시하는 서보 핀, 외부 디바이스에 전원을 공급하는 3.3V/12mA LDO, 조정 가능 소프트 스타트, 온-보드 다이 온도 모니터 등을 제공하며, 동작 접합온도 범위는 -40 ℃에서 125 ℃까지이다. LT8705는 38핀 5mm × 7mm QFN 및 38-리드 TSSOP 패키지로 제공된다. LT8705를 위한 LTspice짋 회로 모델이 제공되며, 모든 종류의 창의적인 애플리케이션을 신속하고 간편하게 평가하는 데 사용할 수 있다.
LT8705는 4개의 에러 증폭기를 포함하고 있기 때문에 출력 전류, 입력 전류, 입력 전압, 출력 전압 등을 레귤레이션하거나 제한할 수 있다. 출력 전압을 조정해야 하는 일반적인 애플리케이션의 경우, 나머지 에러 증폭기들이 과도한 입력/출력 전류 또는 입력 과소전압 조건을 모니터링할 수 있다. 배터리 충전기 등과 같은 다른 애플리케이션의 경우, 사전 결정된 전압에 도달하여 출력 전압 제어 기능이 이를 대체할 때까지 출력 전류 레귤레이터가 정전류 충전 기능을 지원한다.
그림 2의 블록 다이어그램은 48 V 배터리를 충전하고 36 V에서 72 V까지 변화할 수 있는 입력 전압을 통해 동작하는 LT8705 회로를 나타낸 것이다. 보다 높은 전력의 애플리케이션을 위해 복수의 회로를 병렬로 연결할 수 있다. 이 회로를 동기식 벅/부스트 컨버터로 사용할 수 있도록 지원하면서 이 애플리케이션을 위해 직렬 연결된 12 V  납축전지 4개를 충전할 수 있는 전류 소스로써 구성되는 4개의 외부 MOSFET가 있다.

전력 스위치 제어
그림 3은 4개의 전력 스위치를 인덕터, VIN, VOUT, 그라운드에 연결하는 방법에 대한 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.
VIN이 VOUT보다 상당히 높을 경우, 부품은 벅(스텝-다운) 모드로 동작한다. 이 영역의 경우, Burst Mode짋동작 또는 비연속 모드에서 역전류가 감지되지 않았다면 M3는 항상 오프 상태가 되며, M4는 항상 온 상태가 된다. 모든 사이클의 시작 시 동기식 스위치 M2가 먼저 온 상태로 전환되고 내부 증폭기가 인덕터 전류를 감지한다. 기울기 보상 램프(slope compensation ramp)가 감지된 전압에 추가되고 다음으로 이것을 기준 전압과 비교한다. 감지된 인덕터 전류가 기준보다 낮아지면 스위치 M2가 오프 상태로 전환되고 M1(동기식 렉티파이어)이 사이클의 남은 부분을 위해 온 상태로 전환된다. 스위치 M1과 M2가 교대로 동작하기 때문에 일반적인 동기식 벅 레귤레이터처럼 동작한다. VIN 및 VOUT은 서로 비슷해짐에 따라 벅 모드에 대한 컨버터의 최소 듀티 사이클에 도달할 때까지 듀티 사이클이 감소하고, 부품은 벅-부스트 영역으로 이동하며 4개의 MOSFET 모두가 스위칭 한다.
VOUT이 VIN 보다 한층 높을 경우, 부품은 부스트(스텝-업) 모드로 동작한다. 이 영역의 경우, M1은 항상 온 상태이고 스위치 M2는 항상 오프 상태이다. 모든 사이클의 시작 시 스위치 M3가 먼저 온 상태로 전환되고 내부 증폭기가 인덕터 전류를 감지한다. 감지된 인덕터 전류가 기준 전압보다 상승하면, 스위치 M3가 오프 상태로 전환되고 스위치 M4가 사이클의 남은 부분을 위해 온 상태로 전환된다. 스위치 M3와 M4가 교대로 동작하기 때문에 일반적인 동기식 부스트 레귤레이터처럼 동작한다.

고장 상황
LT8705는 특정 동작 조건 하에서 고장 시퀀스를 활성화시킨다. 과전류 또는 과전압 등과 같은 이러한 조건이 발생하면, 내부 스위칭 및 클록 출력이 불능화된다. 이와 동시에 소프트 스타트 기능이 다시 초기화되어야 하는 지점에서 타임아웃 시퀀스가 시작된다. 과전류 조건 등과 같이 고장이 지속되면 소프트 스타트 기능이 컨버터를 재시작할 수 없도록 만든다. 고장 조건이 제거되고 사전 정의된 타임아웃 기간이 종료된 후에 LT8705의 소프트 스타트 핀에 할당된 커패시터 값에 따른 속도에 따라 컨버터가 재시작 된다. 타임아웃 기간이 부품과 다른 다운스트림 전력 부품들의 전기 및 열응력을 경감시킨다.



결론
로봇 수술 시스템은 다양한 형태의 최소 침습 대수술을 지원해 입원 기간을 단축하고 일상으로 보다 빠르게 복귀할 수 있도록 해주며 보다 우수한 임상 결과를 제공할 가능성을 제공한다. 분산 전력 아키텍처를 통해 이러한 시스템에 전력을 공급함으로써 48 V 일반 배터리를 사용하여 모든 서브시스템을 위한 다운스트림 POL(point-of-load) 레귤레이터에 전력을 공급하는 버스 전압을 백업할 수 있다. 리니어 테크놀로지의 LT8705 동기식 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러는 입력 전압과 같거나 또는 높거나 낮은 부동 전압을 통해 배터리를 효율적으로 충전시킬 수 있기 때문에 전력공급장치 설계를 대폭 단순화시킬 수 있다.  ES