設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源的關(guān)鍵

隨著醫(yī)學(xué)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(huì)遇到設(shè)備因電源故障而無法使用，此時(shí)就需要醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的臨床醫(yī)學(xué)工程師結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)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(biāo)準(zhǔn)的器件。二次電源DC/DC 變換器用以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動(dòng)、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路檢測(cè)輸出電壓變化，并與基準(zhǔn)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(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。基本結(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(dǎo)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(fēng)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(dòng)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(shí)際維修實(shí)例對(duì)以上2 種分類中典型維修技術(shù)進(jìn)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(dòng)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(fù)載是否嚴(yán)重短路，并換上同樣安培數(shù)的熔斷絲通電時(shí)監(jiān)測(cè)總輸入電流。交流抗干擾電路故障一般因電容器使用時(shí)間長(zhǎng)而失效較常見。軟啟動(dòng)電路是開關(guān)電源保護(hù)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(jì)，在輸入電路合閘瞬間。由于電容器上的起始電壓為0，會(huì)形成很大的瞬間沖擊電流?！　?/p>

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(dòng)電路。

常見的軟啟動(dòng)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(shí)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(jiǎn)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。PTC 常態(tài)阻值較低。當(dāng)有過大的異常電流流過時(shí)，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(dá)到限制沖擊電流的作用?！　?/p>

當(dāng)電路處于正常工作狀態(tài)時(shí)，電阻發(fā)熱而使其阻值變小?！　?/p>

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(fù)原始阻值需要時(shí)間，當(dāng)電源斷電后又快速接通時(shí)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(jì)。其中，PTC 熱敏電阻在遭遇雷電或強(qiáng)電流的時(shí)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(dǎo)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(jiǎn)稱光耦。是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把紅外線發(fā)光二極管與光敏半導(dǎo)體封裝在同一管殼內(nèi)，當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出光線，光敏半導(dǎo)體接受光線就產(chǎn)生電信號(hào)，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)“電- 光- 電”轉(zhuǎn)換。它廣泛應(yīng)用于信號(hào)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(dá)到精密穩(wěn)壓的目的?！　?/p>

光耦能實(shí)現(xiàn)電氣隔離，還有抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。但遇到光耦合器性能下降導(dǎo)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(jī)的電源不少臨床醫(yī)學(xué)工程人員都接觸過。其中，因光電耦合器性能不良導(dǎo)致無法開機(jī)幾乎成為該電源的通病。BV25 主電源采用了無觸點(diǎn)軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)。當(dāng)220V 接入時(shí)，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(huì)導(dǎo)致開機(jī)失敗，判斷V3 是否損壞需拆下測(cè)量，否則容易誤判?！　?/p>

例2 ： OHMEDA 2000 嬰兒溫箱， 溫度到設(shè)定值后繼續(xù)上升，報(bào)“E013”。查維修手冊(cè)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(chǎng)效應(yīng)管等。在維修過程中，功率器件是重點(diǎn)檢查對(duì)象，此類器件的損壞，會(huì)導(dǎo)致開機(jī)保護(hù)或燒熔斷絲。在維修中發(fā)現(xiàn)該類器件損壞時(shí)，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(cè)電阻?！　?/p>

例1 ：Alcon Universal II 型超聲乳化儀開機(jī)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(hù)動(dòng)作。該電源用到了 UC3842、UC3843 和UC3854等PWM IC，各IC 電流檢測(cè)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(diǎn)檢查功率器件，其中一路電源的開關(guān)管（IRF460）擊穿，更換該場(chǎng)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(jī)器所有連線恢復(fù)，各組電壓正常且整機(jī)工作穩(wěn)定。　　

例2 ：SHIMADZU OPESCOPE 50N 型X 線機(jī)監(jiān)視器無顯示，指示燈閃爍，該X 線機(jī)總供電為220V，而監(jiān)視器供電為110V，送修前操作人員單獨(dú)對(duì)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(jì)，其DS 極已擊穿，且D1722 被擊穿，更換后接假負(fù)載各路電源輸出正常，恢復(fù)電路連線后指示燈亮，機(jī)內(nèi)有“嗒嗒”聲，但仍無顯示，后檢查發(fā)現(xiàn)行管Q9 和保險(xiǎn)電阻R71損壞，更換后整機(jī)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(gè)電源甚至還會(huì)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(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)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(hào)穩(wěn)定?！　?/p>

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

同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一些附帶的過流保護(hù)、抗偏磁及均流等功能。

在維修開關(guān)電源時(shí)，當(dāng)整流濾波電路、開關(guān)管正常情況下，通常要檢測(cè)PWM IC 及外周電路是否正常，這樣會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。PWM IC 基本上都存在IC 供電、基準(zhǔn)電壓、驅(qū)動(dòng)脈沖、電流檢測(cè)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(dòng)電阻，若該電阻開路或變大，提供給IC 供電低將導(dǎo)致電源不啟動(dòng)?！　?/p>

當(dāng)供電正常時(shí)，重點(diǎn)檢查基準(zhǔn)電壓及驅(qū)動(dòng)脈沖是否正常，然后監(jiān)測(cè)電流傳感端電壓是否正常，接著要仔細(xì)檢測(cè)傳感支路。判斷PWM IC 自身故障的方法一般是通過測(cè)量引腳間阻抗或給供電端輸入標(biāo)稱電壓，觀察基準(zhǔn)電壓是否準(zhǔn)確?！　?/p>

例1 ：北美GS 麻醉機(jī)+5V、+12V 電源板無輸出。該機(jī)器開關(guān)電源初級(jí)PWM IC 芯片為UC3845，保險(xiǎn)和主要功率器件完好，計(jì)劃先檢查PWM IC 芯片供電、基準(zhǔn)電壓和電流檢測(cè)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(dòng)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。　　

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(cè)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(jī)瞬間會(huì)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(dāng)中，往往會(huì)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(dǎo)致電源不穩(wěn)定及部分風(fēng)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(cè)方法有些困難，因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析采取替換方式排除?！　?/p>

在維修醫(yī)療設(shè)備電源時(shí)，首先要對(duì)灰塵進(jìn)行處理，可用吸塵器和大功率冷風(fēng)機(jī)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(duì)人體放電。對(duì)有大量風(fēng)扇的電源一定要檢查風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，特別是那些帶轉(zhuǎn)速控制或速度檢測(cè)的風(fēng)扇，不確定時(shí)可采取替換法解決。　　

例1 ：日立7170A 生化儀+5V 開關(guān)電源，開機(jī)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(fēng)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(fēng)扇電源無輸出。換上普通的2 線CPU 風(fēng)扇依然無輸出，將該風(fēng)扇測(cè)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(fēng)扇因時(shí)間較長(zhǎng)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(dāng)時(shí)因設(shè)備使用較急更換了新的電源模塊后恢復(fù)正常?！　?/p>

例2 ：TOSHIBA 240A 型B 超連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)后電源外殼發(fā)燙，且經(jīng)常出現(xiàn)過溫保護(hù)。該類故障一般是因?yàn)閮?nèi)部灰塵過多或內(nèi)部風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變低致整個(gè)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(fēng)扇后電源溫度明顯下降，機(jī)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(dāng)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(gè)臨床醫(yī)學(xué)工程人員的基本技能，也是難點(diǎn)。本文只結(jié)合實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)對(duì)醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源的維修技術(shù)進(jìn)行了探討，希望更多同行專家提出寶貴意見并對(duì)醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源作進(jìn)一步研究。