設(shè)計醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源的關(guān)鍵

隨著醫(yī)學電子技術(shù)的高度發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備的種類也越來越多，醫(yī)療設(shè)備與現(xiàn)代醫(yī)療診斷、治療關(guān)系日益密切，任何醫(yī)療設(shè)備都離不開安全穩(wěn)定的電源，且大部分為開關(guān)電源。在日常診斷與治療過程中往往會遇到設(shè)備因電源故障而無法使用，此時就需要醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)的臨床醫(yī)學工程師結(jié)合自身經(jīng)驗和專業(yè)知識為臨床部門提供迅速、高效的服務(wù)。由于醫(yī)療設(shè)備的特殊性，設(shè)備電源互換性差，有的甚至缺少技術(shù)圖紙，這給維修工作帶來極大的不便。

醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源一般可以分為AC/DC 和DC/DC 兩大類，一次電源AC/DC 變換器輸入為50/60Hz、220V 交流電，必須經(jīng)整流、濾波，體積較大的濾波電解電容是不可少的，且交流輸入必須加上EMC 濾波及使用安全標準的器件。二次電源DC/DC 變換器用以進行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路檢測輸出電壓變化，并與基準電壓比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達到調(diào)整輸出電壓大小的目的?；窘Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 醫(yī)療設(shè)備開關(guān)基本結(jié)構(gòu)　　

開關(guān)電源損壞從損壞元件上大致可分為：① 感性、容性和阻性器件損壞；② 功率半導體器件損壞；③ PWM IC損壞；④ 光電耦合器損壞；⑤ 其他，如晶振、風扇等電源器件損壞?！　?/p>

按電源工作流程上可分為：① 交流輸入故障；② DC/DC 變換器故障；③ 驅(qū)動電路故障；④ PWM 電路故障；⑤取樣電路故障。開關(guān)電源故障種類繁多，在此不能一一詳列，下面結(jié)合實際維修實例對以上2 種分類中典型維修技術(shù)進行探討?！　?/p>

1 輸入電路故障　　

醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源的輸入電路一般包括開關(guān)、熔斷絲、交流抗干擾電路和軟啟動電路等。開關(guān)、熔斷絲和交流抗干擾電路故障很容易發(fā)現(xiàn)，其中開關(guān)損壞可以直接更換，但熔斷絲損壞最好檢查一下負載是否嚴重短路，并換上同樣安培數(shù)的熔斷絲通電時監(jiān)測總輸入電流。交流抗干擾電路故障一般因電容器使用時間長而失效較常見。軟啟動電路是開關(guān)電源保護電路之一，開關(guān)電源的輸入電路大都采用整流加電容器濾波電路設(shè)計，在輸入電路合閘瞬間。由于電容器上的起始電壓為0，會形成很大的瞬間沖擊電流。　　

為此，醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源一般都在輸入電路中設(shè)置防沖擊電流的軟啟動電路。

常見的軟啟動電路有熱敏電阻防沖擊電流電路、SCR-R 電路、繼電器與電阻構(gòu)成的電路、采用定時觸發(fā)器與限流電阻的電路，以及過零觸發(fā)的光耦可控硅與雙向可控硅構(gòu)成的電路等。下面以熱敏電阻防沖擊電流、電路為例簡單說明其工作原理：熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。PTC 常態(tài)阻值較低。當有過大的異常電流流過時，因PTC 自身發(fā)熱使其電阻值迅速增加，變大電阻，起限流的作用；NTC 熱敏電阻在電源接入瞬間，阻值較大，達到限制沖擊電流的作用?！　?/p>

當電路處于正常工作狀態(tài)時，電阻發(fā)熱而使其阻值變小。　　

NTC 熱敏電阻防沖擊電流電路由于熱敏電阻的熱慣性，重新恢復原始阻值需要時間，當電源斷電后又快速接通時起不到限流作用?！　?/p>

輸液泵及部分小功率醫(yī)療設(shè)備電源中很多便采用PTC熱敏電阻限流或NTC 熱敏電阻防沖擊電流電路設(shè)計。其中，PTC 熱敏電阻在遭遇雷電或強電流的時候容易損壞，始終呈低阻態(tài)而通電便燒熔斷絲。而NTC 熱敏電阻往往出現(xiàn)開路故障，導致一次電源DC 無AC 接入?！　?/p>

2 光電耦合器故障　　

光耦合器（Optical Coupler）亦稱光電耦合器，簡稱光耦。是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把紅外線發(fā)光二極管與光敏半導體封裝在同一管殼內(nèi)，當輸入端加電信號時，發(fā)光二極管發(fā)出光線，光敏半導體接受光線就產(chǎn)生電信號，從輸出端流出，從而實現(xiàn)“電- 光- 電”轉(zhuǎn)換。它廣泛應(yīng)用于信號隔離、開關(guān)電路、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）等電路中。另外，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流改變占空比，達到精密穩(wěn)壓的目的?！　?/p>

光耦能實現(xiàn)電氣隔離，還有抗干擾能力強、使用壽命長、傳輸效率高等優(yōu)點[3]。但遇到光耦合器性能下降導致電路故障在醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源中還是比較多的?！　?/p>

例1 ：Philips BV25 X 線機的電源不少臨床醫(yī)學工程人員都接觸過。其中，因光電耦合器性能不良導致無法開機幾乎成為該電源的通病。BV25 主電源采用了無觸點軟啟動電路設(shè)計。當220V 接入時，一路變壓器提供一組28V 和多組7V 電源，28V 經(jīng)整流穩(wěn)壓后得到+15V 電壓向電源控制板提供電源，7V 供給各組光耦合器。電源板上H1 若為綠燈，則大致可判斷28V 和7V 輸出正常?？煽毓鑆1-V3及光耦（4N25）B1-B6 性能不良均會導致開機失敗，判斷V3 是否損壞需拆下測量，否則容易誤判。　　

例2 ： OHMEDA 2000 嬰兒溫箱， 溫度到設(shè)定值后繼續(xù)上升，報“E013”。查維修手冊提示為“Header notswitching off”。排除thermal switch 故障后，最大可能是SSR內(nèi)光耦合器的性能不良所致，更換該器件后溫箱工作正常?！　?/p>

醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源和其他開關(guān)電源一樣，功率器件是必不可少的。其中用的較多的有功率二極管、可控硅（SCR）和功率場效應(yīng)管等。在維修過程中，功率器件是重點檢查對象，此類器件的損壞，會導致開機保護或燒熔斷絲。在維修中發(fā)現(xiàn)該類器件損壞時，除更換同參數(shù)器件外，還必須檢查外圍高壓電容及限流或電流檢測電阻。　　

例1 ：Alcon Universal II 型超聲乳化儀開機面板無顯示，“Standby”燈閃爍，開關(guān)電源有“吱吱”聲，可大致判斷電源有保護動作。該電源用到了 UC3842、UC3843 和UC3854等PWM IC，各IC 電流檢測端均提示過流，且各供電端電壓跳變。排除PWM IC 及外圍電路損壞后，重點檢查功率器件，其中一路電源的開關(guān)管（IRF460）擊穿，更換該場效應(yīng)管后又檢查了其外圍電路，發(fā)現(xiàn)與其連接的C26 高壓電容（1KV）已擊穿，更換C26 后通電，主+24V 輸出正常，將機器所有連線恢復，各組電壓正常且整機工作穩(wěn)定。　　

例2 ：SHIMADZU OPESCOPE 50N 型X 線機監(jiān)視器無顯示，指示燈閃爍，該X 線機總供電為220V，而監(jiān)視器供電為110V，送修前操作人員單獨對監(jiān)視器加220V 后指示燈不亮。該監(jiān)視器電源采用STR 54041 開關(guān)電源厚膜模塊設(shè)計，其DS 極已擊穿，且D1722 被擊穿，更換后接假負載各路電源輸出正常，恢復電路連線后指示燈亮，機內(nèi)有“嗒嗒”聲，但仍無顯示，后檢查發(fā)現(xiàn)行管Q9 和保險電阻R71損壞，更換后整機工作正常?！　?/p>

4 PWM IC及外圍電路故障　　

電源控制芯片與開關(guān)管組合在醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源中應(yīng)用很普遍，一個電源甚至還會多處用到。PWM 開關(guān)穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導通脈沖寬度，使得開關(guān)電源與輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定?！　?/p>

PWM 的開關(guān)頻率一般固定，控制取樣信號可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的?！　?/p>

同時，可以實現(xiàn)一些附帶的過流保護、抗偏磁及均流等功能。

在維修開關(guān)電源時，當整流濾波電路、開關(guān)管正常情況下，通常要檢測PWM IC 及外周電路是否正常，這樣會達到事半功倍的效果。PWM IC 基本上都存在IC 供電、基準電壓、驅(qū)動脈沖、電流檢測及取樣調(diào)整電路等。PWM IC供電一般是主電源經(jīng)一電阻降壓所得，通常稱為啟動電阻，若該電阻開路或變大，提供給IC 供電低將導致電源不啟動?！　?/p>

當供電正常時，重點檢查基準電壓及驅(qū)動脈沖是否正常，然后監(jiān)測電流傳感端電壓是否正常，接著要仔細檢測傳感支路。判斷PWM IC 自身故障的方法一般是通過測量引腳間阻抗或給供電端輸入標稱電壓，觀察基準電壓是否準確。　　

例1 ：北美GS 麻醉機+5V、+12V 電源板無輸出。該機器開關(guān)電源初級PWM IC 芯片為UC3845，保險和主要功率器件完好，計劃先檢查PWM IC 芯片供電、基準電壓和電流檢測端引腳電壓，發(fā)現(xiàn)+300V 正常，7 腳無電壓輸入?！　?/p>

原因是100K 啟動電阻開路。更換后，PWM IC 供電正常，6 腳輸出脈沖波形穩(wěn)定，+5V、+12V 輸出電壓正確?！　?/p>

例2 ：Stryker 腔鏡監(jiān)視器， 電源由開關(guān)管BUK456、UC3824 及外圍電路組成。UC3842 因第6 腳與5 腳短路而損壞，BUK456 的DS 極擊穿，電流檢測電阻開路，且脈沖輸出端串聯(lián)電阻開路，更換上述器件后，工作正常。若只是更換外圍電路損壞器件，而未發(fā)現(xiàn)UC3842 自身損壞，換上的器件在開機瞬間會重新?lián)p壞。因此，在維修中要排除PWM IC 自身故障?！　?/p>

5 其他電源部件故障　　

在維修當中，往往會遇到一些并非電子器件完全損壞所致的故障。如電容容量變小、線路板部分隱蔽性接觸不良、電源灰塵過多或散熱不良導致電源不穩(wěn)定及部分風扇控制電路故障致電源停振等。由于這類問題通過傳統(tǒng)檢測方法有些困難，因此，根據(jù)經(jīng)驗和分析采取替換方式排除。　　

在維修醫(yī)療設(shè)備電源時，首先要對灰塵進行處理，可用吸塵器和大功率冷風機清除，在處理過程中要減少人體靜電和防止線路板電容器對人體放電。對有大量風扇的電源一定要檢查風扇的轉(zhuǎn)速，特別是那些帶轉(zhuǎn)速控制或速度檢測的風扇，不確定時可采取替換法解決?！　?/p>

例1 ：日立7170A 生化儀+5V 開關(guān)電源，開機正常工作幾分鐘后，電源指示燈由綠變滅，+5V 輸出停止，散熱風扇無明顯異常，功率部件和PWM IC 正常，但在做完清潔后未接風扇電源無輸出。換上普通的2 線CPU 風扇依然無輸出，將該風扇測速線接上并連入線路板后，電源輸入正常且可連續(xù)工作。因此，可得出原風扇因時間較長轉(zhuǎn)速降低致電源停振的結(jié)論。以前，+24V 也出現(xiàn)過此類問題，當時因設(shè)備使用較急更換了新的電源模塊后恢復正常?！　?/p>

例2 ：TOSHIBA 240A 型B 超連續(xù)工作時間較長后電源外殼發(fā)燙，且經(jīng)常出現(xiàn)過溫保護。該類故障一般是因為內(nèi)部灰塵過多或內(nèi)部風扇轉(zhuǎn)速變低致整個電源工作環(huán)境變差所致。將電源拆下徹底除塵，更換電源底部和背面風扇后電源溫度明顯下降，機器工作正常，且1 年未出現(xiàn)故障。

6 小結(jié)　　

醫(yī)療設(shè)備種類繁多，大功率、大電流的開關(guān)電源在醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用相當廣泛。開關(guān)電源故障占醫(yī)療設(shè)備故障的60% 以上。因此，掌握開關(guān)電源的維修是每個臨床醫(yī)學工程人員的基本技能，也是難點。本文只結(jié)合實際維修經(jīng)驗對醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源的維修技術(shù)進行了探討，希望更多同行專家提出寶貴意見并對醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源作進一步研究。