醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源維修技術(shù)的探討

范開洲

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院 醫(yī)療工程組，湖北 武漢430022

醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源維修技術(shù)的探討

范開洲

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院 醫(yī)療工程組，湖北 武漢430022

本文根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路和典型故障特點(diǎn)，從輸入電路、光電耦合器、功率器件、外圍電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）IC及外圍電路和其他開關(guān)電源部件等方面結(jié)合實(shí)際臨床醫(yī)學(xué)工程經(jīng)驗(yàn)對醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源的維修技術(shù)進(jìn)行了探討。

醫(yī)療設(shè)備；開關(guān)電源；維修技術(shù)

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[1]。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[2-4]，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。

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)例對以上2種分類中典型維修技術(shù)進(jìn)行探討。

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。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。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。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。

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。

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(dǎo)體封裝在同一管殼內(nèi)，當(dāng)輸入端加電信號時(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，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。

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、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。

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。可控硅V1-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(bào)“E013”。查維修手冊提示為“Header not Switching 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。

3 功率器件及外圍電路故障

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(diǎn)檢查對象，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電阻。

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。

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與基準(zhǔn)信號的差值進(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穩(wěn)定。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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的。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)。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)測電流傳感端電壓是否正常，接著要仔細(xì)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(biāo)稱電壓，觀察基準(zhǔn)電壓是否準(zhǔn)確。

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)電壓和電流檢測端引腳電壓，發(fā)現(xiàn)+300V正常，7腳無電壓輸入。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。

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。在維修醫(yī)療設(shè)備電源時(shí)，首先要對灰塵進(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人體放電。對有大量風(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。

例2：TOSHIBA 240A 型B超連續(xù)工作時(shí)間較長后電源外殼發(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[4]。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醫(yī)療設(shè)備開關(guān)電源作進(jìn)一步研究。

[1] 周志敏.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)-設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[2] 劉亞芹.醫(yī)療器械中光電傳感器引起的故障及其檢測方法[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2006,22(7):142.

[3] 楊兆芳,李衛(wèi)成.飛利浦移動(dòng)式X線機(jī)BV25電源原理及維修實(shí)例[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2006,(4):54.

[4] 張勇.淺談電源質(zhì)量對醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的影響[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2008,24(3):154.

Medical Equipment Maintenance Technology of Switching Power Supply

FAN Kai-zhou
Medical Engineering Group,Wuhan Union Hospital, Wuhan Hubei 430022, China

TH789

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.043

1674-1633(2011)07-0118-03

2010-12-06

作者郵箱：frankfan2008@163.com