基于時基集成電路的醫(yī)用電氣設備剩余電壓試驗工裝電路的設計與實現(xiàn)

鄧其源 吳少海 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 （廣東 廣州 510663）

基于時基集成電路的醫(yī)用電氣設備剩余電壓試驗工裝電路的設計與實現(xiàn)

鄧其源 吳少海 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 （廣東 廣州 510663）

醫(yī)用電氣設備電源部分的干擾抑制電容過大，儲存的能量有可能會對操作者造成傷害，GB 9706.1-2007《醫(yī)用電氣設備 第1部分：安全通用要求》中要求對于干擾抑制電器超過限值的醫(yī)用電氣設備需要進行剩余電壓試驗，文章主要通過基于時基集成電路的醫(yī)用電氣設備剩余電壓試驗工裝電路進行設計與實現(xiàn)，并提供校準方法以使該電路滿足標準要求。

時基集成電路 剩余電壓

醫(yī)用電氣設備作為電子設備，其電源系統(tǒng)一般會受到共模干擾以及差模干擾，即兩條電源線相對大地存在的干擾以及兩條電源線之間的干擾，通過加裝濾濾器，旁邊高頻信號和干擾[1]。如果電源系統(tǒng)設計不合理，在拔掉插頭后，設備中儲存的電能就有可能會對操作者或者患者造成傷害，因此，對于預期通過插頭與電源相連的醫(yī)用電氣設備需要進行剩余電壓試驗來考核剩余電壓大小[2]。在GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設備 第1部分：安全通用要求》中條款15電壓和（或）能量的限制中要求，用插頭與供電網(wǎng)連接的設備，應設計成在拔斷插頭后1s時，各電源插腳之間以及每一電源插腳與外殼之間的電壓不超過60V[3]。試驗過程中，如果干擾抑制電容器超過一定的限值，則要求在斷開電源后1s時，用一個內(nèi)阻抗不影響測量值的儀表來測量插頭各電源插腳間及電源插腳與外殼間電壓。設備的剩余電壓結果受放電時間的影響非常大，因此，需要設計一個工裝來精確實現(xiàn)在斷開試驗設備電源1s后可以立即進行剩余電壓測試。而時基集成電路是一種將模擬電路和數(shù)字電路結合在一起的非線性電路，它能夠為電子系統(tǒng)提供時間基準信號，以實現(xiàn)時間或時序上的控制，在定時、控制、波形發(fā)生和處理電路得到廣泛應用，可以通過時基集成電路完成本工裝電路的設計[4]。

1.醫(yī)用電氣設備剩余電壓試驗工裝電路設計

1.1 功能設計

根據(jù)GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設備 第1部分：安全通用要求》標準的要求，需要設計一個剩余電壓試驗工裝實現(xiàn)以下功能：在試驗開始前，試驗設備通過電源線與供電電源連接并正常運行，而被測設備DUT與電源線斷開不進行測試，避免被測設備DUT對試驗結果造成影響。試驗開始后，通過開關應能讓試驗設備與電源線斷開，同時1s后被測設備DUT與電源線連接，進行火線、零線或者地線之中任一兩線的電壓測試。試驗結束后，斷開按鈕開關，試驗連接恢復回初始狀態(tài)，重復下一個測試循環(huán)。

圖1. 時基集成電路內(nèi)部電路框圖

圖2. 定時器電路

圖3. 波形圖

1.2 定時器設計

通過以上功能分析可知，該工裝的電路核心部分為定時器，在開關動作1s后將被測設備DUT與電源線連接。我們可以使用時基集成電路作為定時器的關鍵元器件，時基集成電路內(nèi)部電路框圖如圖1所示。電阻R1、R2、R3組成分壓網(wǎng)絡，為A1、A2兩個電壓比較器提供2/3VCC和1/3VCC的基準電壓。兩個比較器的輸出分別作為RS觸發(fā)器的置“0”信號和置“1”信號。輸出驅(qū)動級和放電管VT受RS觸發(fā)器控制。由于分壓網(wǎng)絡的三個電阻R1、R2、R3均為5kΩ，所以該集成電路又稱為555時基集成電路。

為了實現(xiàn)定時器功能，將時基集成電路按圖2進行連接。其中C2、R1和RL為定時元件。+12V供電之前，常閉開關SB4閉合，C2放電清空電荷，繼電器K處于斷開狀態(tài)；當電路接通瞬間，常閉開關SB4斷開，+12V電源經(jīng)C2加至IC2的2、6腳，使3腳輸出為“0”，隨著C2的充電，一定時間后，2、6腳電壓降至1/3Vcc以下，IC2觸發(fā)，3腳輸出為“1”，K吸合接通。定時時間取決于C2、R1與RL，大小T=1.1×（R1+RL）×C2，調(diào)節(jié)C2、R1與RL可調(diào)節(jié)定時長短，我們可以通過確定C2、R1與RL為定時器設定定時時間為1s，該電路的波形圖如圖3所示。時基集成電路電源接通前，IC2的2腳輸入Vi為“0”，C2無電荷，3腳的輸出Vo也處于“0”狀態(tài)，此時繼電器K上無電壓，繼電器開關處于斷開狀態(tài)。供電電源接通瞬間，2腳輸入Vi由于C2的分壓而處于高電平，輸入為“1”，隨著C2充電電壓的抬升，Vi分壓下降，這個過程3腳Vo始終處于低電位“0”狀態(tài)。在時間t時，2腳的電位低于1/3 VCC時處于“0”狀態(tài)，3腳Vo翻轉輸出高電平“1”而使繼電器K接通。通過這種方式，實現(xiàn)在開關斷開后1s，繼電器接通測試設備進行測試的功能。

2.電路實現(xiàn)

2.1 工裝電路組成

工裝的電路如圖4如示，該工裝電路主要由定時器電路、定時器供電電路、主電源、測試連接端口、被測設備及電源線組成。

定時器供電電路由常開開關SB5、變壓器、穩(wěn)壓器IC1組成，其中常開開關SB5由開關SB控制。該電路用于在開關SB接通時為定時器電路提供穩(wěn)定的+12V電源。

定時器由時基集成電路IC2、定時元件R1、RL、C2、常閉開關SB4以及繼電器K等組成，其中常閉開關SB4由開關SB控制，在開關SB接通時斷開，以使供電電路為C2充電定時，在開關SB斷開時，常閉開關SB4閉合為C2放電，為下一次測試做好準備。該電路用于實現(xiàn)在開關SB斷開1s定時接通繼電器K，控制被測設備DUT與測試端口的連接。

主電源由開關SB及受開關SB控制的常閉開關SB1、SB2、SB3組成。用于為被測設備DUT供電并且通過開關SB控制主電路供電、定時器供電電路通斷以及定時元件C2充放電。

圖4. 總電路圖

2.2 電路運行原理

試驗開始時開關SB斷開，電源部分的火線L，零線N和地線PE通過常閉開關為被測設備DUT供電；測試設備與工裝上測試連接端口的火線L，零線N和地線PE任兩線連接，并通過常開開關與電路連接；定時器供電電路開關SB5斷開，定時器電路開關SB4閉合為C2清空電荷，繼電器K開關斷開。

試驗開始后開關SB閉合，電源部分的常閉開關斷開，火線L，零線N和地線PE停止為試驗設備DUT供電；同時，定時器電路開關SB4斷開，定時器供電電路開關SB5閉合，為定時器提供電源同時為C2開始充電，1s時，觸發(fā)繼電器K接通測量電路端口部分的常開開關閉合，測量電路可以開始測量。

試驗結束后開關SB斷開，電路恢復原狀，且此時由于開關SB斷開，控制時基集成電路定時元件C2開關閉合，短路C2放電，為下一次測試做好準備。

圖5. 校準波形圖

3.校準

為了滿足GB9706.1-2007的要求，避免工裝對試驗結果造成影響，需要對該電路進行校準，以確保定時的準確性。從圖4可知，定時器的準確性取決于C2、R1、RL元器件的精度，整個工裝的定時準確性還受開關SB、繼電器K的影響，因此，需要對整個工裝進行校準，以達到精確1s控制的要求。校準可以通過雙通道的示波器以及直流電源進行。校準開始前，主電源不供電，移除被測設備DUT，將直流電源的正負端與被測設備DUT端的L、N端連接，示波器的一個通道連接主電源端口的L、N，另一個通道連接測試連接端口的L、N點，啟動直流電源后開始進行校準，閉合開關SB后觀察示波器兩通道電壓波形變化的時間差。如圖5校準波形圖所示，啟動直流電源后開關SB閉合前，由于常閉開關SB1和常閉開關SB2處于閉合狀態(tài)，主電源端口的L、N測得高電平，而測試連接端口L、N由于繼電器K斷電測得低電平；開關SB閉合后，常閉開關SB1和常閉開關SB2斷開，主電源端口的L、N測得低電平，t時間后定時器觸發(fā)繼電器K動作，測試連接端口L、N測得高電平，通過調(diào)節(jié)定時元件變阻器RL可以精確校準工裝的動作時間t為1s。

4.小結

醫(yī)用電器設備剩余電壓試驗工裝電路基于時基集成電路，電路實現(xiàn)較容易，而且電路簡單，校準方便，準確性好，對試驗的結果影響較小。

[1] 周立夫,林明耀.EMI電源濾波器的設計和仿真分析[J].低壓電器,2004,5(4):7-9.

[2] IEC 60601-1:2012 Medical electrical equipment–Part 1:General requirements for basic safety and essential performance[S] .2012.

[3] GB 9706.1-2007《醫(yī)用電氣設備 第1部分:安全通用要求》[S].2007.

[4] 門宏.圖解集成電路識別檢測與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

The Design and Implementation of the Device Circuit for Medical Electrical Equipment Residual Voltage Test Based on Time Base Integrated Circuit

DENG Qi-yuan WU Shao-hai Gongdong Medical Device Quality Surveillance and Test Institute (Guangdong Guangzhou 510663)

If the power supply interference suppression capacitors of medical electrical equipment stored large energy, it may be damage the operator. The standard GB 9706.1-2007 Medical electrical equipment - part 1: General requirements for safety requires the residual voltage test for the medical electrical equipment which interference suppression capacitors exceed the limit. This paper discuss the design and implementation of the device circuit for medical electrical equipment residual voltage test based on time base integrated circuit and provides a calibration method to make the circuit to meet the standard requirement.

time base integrated circuit, residual voltage

1006-6586(2017)13-0017-03

R197.39

A

2017-04-05