设计医疗设备开关电源的设计

随着医学电子技术的高度发展，医疗设备的种类也越来越多，医疗设备与现代医疗诊断、治疗关系日益密切，任何医疗设备都离不开安全稳定的电源，且大部分为开关电源。在日常诊断与治疗过程中往往会遇到设备因电源故障而无法使用，此时就需要医疗服务机构的临床医学工程师结合自身经验和专业知识为临床部门提供迅速、高效的服务。由于医疗设备的特殊性，设备电源互换性差，有的甚至缺少技术图纸，这给维修工作带来极大的不便。

医疗设备开关电源一般可以分为AC/DC 和DC/DC 两大类，一次电源AC/DC 变换器输入为50/60Hz、220V 交流电，必须经整流、滤波，体积较大的滤波电解电容是不可少的，且交流输入必须加上EMC 滤波及使用安全标准的器件。二次电源DC/DC 变换器用以进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路检测输出电压变化，并与基准电压比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。基本结构见图1。

图1 医疗设备开关基本结构　　

开关电源损坏从损坏元件上大致可分为：① 感性、容性和阻性器件损坏；② 功率半导体器件损坏；③ PWM IC损坏；④ 光电耦合器损坏；⑤ 其他，如晶振、风扇等电源器件损坏。　　

按电源工作流程上可分为：① 交流输入故障；② DC/DC 变换器故障；③ 驱动电路故障；④ PWM 电路故障；⑤取样电路故障。开关电源故障种类繁多，在此不能一一详列，下面结合实际维修实例对以上2 种分类中典型维修技术进行探讨。　　

1 输入电路故障　　

医疗设备开关电源的输入电路一般包括开关、熔断丝、交流抗干扰电路和软启动电路等。开关、熔断丝和交流抗干扰电路故障很容易发现，其中开关损坏可以直接更换，但熔断丝损坏最好检查一下负载是否严重短路，并换上同样安培数的熔断丝通电时监测总输入电流。交流抗干扰电路故障一般因电容器使用时间长而失效较常见。软启动电路是开关电源保护电路之一，开关电源的输入电路大都采用整流加电容器滤波电路设计，在输入电路合闸瞬间。由于电容器上的起始电压为0，会形成很大的瞬间冲击电流。　　

为此，医疗设备开关电源一般都在输入电路中设置防冲击电流的软启动电路。

常见的软启动电路有热敏电阻防冲击电流电路、SCR-R 电路、继电器与电阻构成的电路、采用定时触发器与限流电阻的电路，以及过零触发的光耦可控硅与双向可控硅构成的电路等。下面以热敏电阻防冲击电流、电路为例简单说明其工作原理：热敏电阻分为正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）。PTC 常态阻值较低。当有过大的异常电流流过时，因PTC 自身发热使其电阻值迅速增加，变大电阻，起限流的作用；NTC 热敏电阻在电源接入瞬间，阻值较大，达到限制冲击电流的作用。　　

当电路处于正常工作状态时，电阻发热而使其阻值变小。　　

NTC 热敏电阻防冲击电流电路由于热敏电阻的热惯性，重新恢复原始阻值需要时间，当电源断电后又快速接通时起不到限流作用。　　

输液泵及部分小功率医疗设备电源中很多便采用PTC热敏电阻限流或NTC 热敏电阻防冲击电流电路设计。其中，PTC 热敏电阻在遭遇雷电或强电流的时候容易损坏，始终呈低阻态而通电便烧熔断丝。而NTC 热敏电阻往往出现开路故障，导致一次电源DC 无AC 接入。　　

2 光电耦合器故障　　

光耦合器（Optical Coupler）亦称光电耦合器，简称光耦。是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把红外线发光二极管与光敏半导体封装在同一管壳内，当输入端加电信号时，发光二极管发出光线，光敏半导体接受光线就产生电信号，从输出端流出，从而实现"电- 光- 电"转换。它广泛应用于信号隔离、开关电路、脉冲放大、固态继电器（SSR）等电路中。另外，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流改变占空比，达到精密稳压的目的。　　

光耦能实现电气隔离，还有抗干扰能力强、使用寿命长、传输效率高等优点[3]。但遇到光耦合器性能下降导致电路故障在医疗设备开关电源中还是比较多的。　　

例1 ：Philips BV25 X 线机的电源不少临床医学工程人员都接触过。其中，因光电耦合器性能不良导致无法开机几乎成为该电源的通玻BV25 主电源采用了无触点软启动电路设计。当220V 接入时，一路变压器提供一组28V 和多组7V 电源，28V 经整流稳压后得到+15V 电压向电源控制板提供电源，7V 供给各组光耦合器。电源板上H1 若为绿灯，则大致可判断28V 和7V 输出正常。可控硅V1-V3及光耦（4N25）B1-B6 性