試析醫療設備開關電源工作原理和維修辦法

李 廣（麗水市人民醫院醫學工程部，浙江 麗水 323000）

試析醫療設備開關電源工作原理和維修辦法

李 廣
（麗水市人民醫院醫學工程部，浙江 麗水 323000）

摘 要：本文首先闡述了醫療設備開關電源的基本工作原理，進而分析了醫療設備開關電源的常見故障問題，并在此基礎上提出了醫療設備開關電源的維修辦法。期望通過本文的研究能夠對提高醫療設備開關電源的維修效率和質量有所幫助。

關鍵詞：醫療設備；開關電源；故障；維修

1 醫療設備開關電源的基本工作原理

大多數的醫療設備都離不開安全、穩定的電源，且很大一部分為開關電源。由于醫療設備本身的特殊性，使得設備開關電源的互換性較差，這給維修工作增添了一定的難度。所以，了解并掌握醫療設備開關電源的基本工作原理尤為重要。開關電源一般都是由主回路和控制回路兩部分構成，其中主回路是將交流電網中的電能傳遞給負載的回路，而控制回路則是按照輸入/輸出條件對主回路工作狀態進行控制的回路。目前，大部分醫療設備開關電源中的控制回路都是集成化電路，也被稱之為集成控制器。由于醫療設備開關電源中應用了集成控制器，從而使得開關電源控制組件的數量大幅度減少，開關電源的結構和工作程序也隨之簡化，進一步提高了電源本身的安全性和可靠性。醫療設備開關電源中包括以下元器件：開關變壓器、輸出整流等等。開關電源的具體工作原理如下：交流電源輸入并經過整流濾波之后轉換為直流電源，通過PWM信號控制開關管，將轉換后的直流電源直接加至開關變壓器的初級上，隨后開關變壓器的次級會感應出高頻電壓，再經過整流濾波后供給負載，輸出部分利用一定的電路反饋給控制電路，對PWM的占空比進行控制，以此來達到穩定輸出的目的。圖1為醫療設備開關電源的工作原理。

從圖1中可以清楚的看到，由開關變壓器和開關元件所構成的功率變換電路是整個開關電源的核心組成部分，其中開關變壓器需要承受高頻工作狀態，所以一般會采用比較特殊的合金磁芯進行制作，而開關元件則分為兩大類，一類是自動激發式開關元件，另一類是被動式開關元件。開關電源的控制方式有以下三種：脈寬調制、脈頻調制以及混合調制，圖1中給出的是最為常見的脈寬調制。利用相應的調制組件可以對脈沖的寬度和頻率進行控制，從而為整個電路提供矩形脈沖序列。醫療設備的種類相對比較多，并且醫療設備開關電源的電路樣式也均不相同，但是這些開關電源的工作原理卻是相通的，并且主要結構也非常相似，大體上可將開關電源的回路分為三個部分，即整流電路、線路濾波器、浪涌電流抑制電路。在這三個部分當中，整流電路的作用最為明顯，它能夠將輸入電路中的交流電轉換為供設備使用的直流電，濾波器主要起衰減高頻干擾的作用，浪涌電流抑制電路的主要作用是抑制線路中的浪涌電流。

2 醫療設備開關電源的常見故障問題分析

2.1 故障分類

根據開關電源的元件損壞可將其故障分為以下幾種類型：電感性、電容性以及電阻性器件損壞引起的故障；功率半導體元器件損壞引起的故障；光電耦合器損壞引起的故障；晶振、風扇等電源硬件設備損壞引起的故障。

按照開關電源的工作流程又可將其故障分為以下幾種類型：PWM電路故障；DC轉換器故障；交流輸入故障；驅動電路故障。上述故障僅僅是醫療設備開關電源最為常見的幾種故障類型。

2.2 故障成因

醫療設備開關電源的故障成因可歸納為以下幾個方面：由于輸入電路產生出直流高壓，從而導致二極管損壞，嚴重時還會造成功率管損壞；當輸入電路當中的高壓濾波電容漏電量超限時，會造成開關電源本身的負載能力降低，嚴重時會導致電源啟動限流的電阻被燒損；如果高壓濾波電容失效或是高頻變壓器的次級繞組的整流二極管過熱，則會引起波紋電壓增大，由此容易造成整機異常；由于功率開關管損壞，造成振蕩器停止工作，致使無直流電流輸出；因光電耦合器或是電壓調整部分損壞，導致開關電源自穩功能喪失，從而使得電壓輸出不穩定，這樣一來可會造成整機工作異常；由于輸出端的負載或是空載電流過小，或是某一路輸出發生故障，致使電源啟動后立即進入到保護狀態，造成各路直流無輸出。

圖1 醫療設備開關電源的工作原理示意圖

3 醫療設備開關電源的維修辦法

3.1 維修要點

3.1.1 在對醫療設備的開關電源進行維修前，要先熟悉其基本工作原理，并能看懂電路圖，然后按照開關電源的功能將之分解為若干個基本單元，再繪制出結構框架圖，以此來作為故障維修時的主要參考依據，這樣有助于快速查明故障問題的發生原因，進而對故障位置進行準確判斷，有利于提高維修速度。

3.1.2 維修過程中，可以在開關電源板的輸出端接入一個匹配的假負載，如大功率電阻，這樣做能夠排除負載故障對開關電源的影響，還可以解除輕載保護，同時還能有效避免開關管因飽和時間過長而損壞，最為重要的是，可以防止維修過程中輸出電壓過高導致負載損壞的情況發生。

3.1.3 在對開關電源進行檢修時，應當先對電源板進行觀察，看是否有明顯的元件損壞情況，隨后再對保險管進行檢查，看有無熔斷、漏液或是電阻損壞等情況，完成上述步驟之后，便可對元件的損壞原因進行分析，由此判斷出導致故障的具體原因，采取有效的方法進行維修。采用這樣的方法對開關電源進行維修，不但能夠加快速度，而且還能簡化流程，有利于維修效率的提高。

3.1.4先加電，然后對各組的輸出電壓進行測量，若是電壓顯示正常，則表明開關電源正常，負載電路出現故障；如果某個輸出支路異常，則可判斷故障發生在該支路上，此時只需要對該支路進行維修即可消除故障，使開關電源恢復工作。需要特別注意的是，醫療設備的開關電源的工作頻率大多都在幾十到上千赫茲不等，所以不能使用普通管代替脈沖整流管，若是輸出電壓均偏高或是偏低，則應當對電源的穩壓電路進行重點檢查，具體包括放大電路、耦合電路、取樣電路以及調制電路等。

3.1.5 若輸出電壓全部偏低，則應當先對開關管的集電極電壓進行測量，如果該電壓達不到300V，那么表明市電的整流濾波電路當中的某個元件損壞，一般更換該元件便可消除故障問題。需要特別注意的是，在對熔斷絲進行更換前，應當查明導致熔斷的具體原因，若是短路故障引起的熔斷，需要先消除短路，否則即使更換熔斷絲，也還存在熔斷的風險。由于濾波電容故障相對比較隱蔽，尤其是在其容量減小時，集電極電壓的下降幅度不太明顯，使用萬用表很難準確判斷，而采用示波器則能夠更加直觀地觀察到故障問題，這是因為在情況下，交流成分會顯著增大。

3.1.6 如果開關電源的集電極電壓正常，那么應當對開關管進行重點檢測，確定是開關管損壞引起的故障問題時，需要對其進行更換。在更換前，要對開關管的保護電路進行認真檢查，以免因保護電路失效造成開關管損壞。同時，還應當對負載電路進行檢查，借此來排除因負載故障導致開關管過載損壞的情況。此外，在維修時，還應當充分考慮到脈寬調制電路中的保護，如啟動保護電路、穩壓保護電路等。

3.1.7 如果開關電源的開關管正常，那么需要判斷是激勵電路還是保護電路發生故障，具體的判斷方法如下：先加電，然后對輸出電壓進行測量，若是電壓先有后無，則表示保護電路起作用，若是并未出現電壓，則說明激勵或是保護電路出現故障，此時可檢測電路是否能夠產生開關脈沖，并觀察脈沖幅度和頻率有無異常。通常情況下，激勵電阻中的啟動電容及電阻在正常工作狀態時是從300V中獲得啟動電流，所以比較容易出現損壞，此類情況占激勵電路故障的70%以上。

3.1.8 當醫療設備的開關電源出現高壓過流時，為了避免故障進一步擴大，會以斷電的方式對其進行保護，這樣一來會增大維修難度，所以在檢修時，必須先準確判斷出保護類型，具體方法如下：使用示波器對保護電流的工作狀態進行檢測，排除保護電路中元件故障后，便可繼續對故障問題原因進行分析。在檢測的過程中，需要特別注意的是，不可隨意斷開保護電路，以免造成故障擴大的情況發生。

3.2 維修實例

實例1：某型號的嬰兒保溫箱，當溫度達到設定值后仍然繼續升溫，故障提示信息為“E013”，查看該設備的維修手冊，提示為“Header not Switching off”，排除熱控開關故障后，判斷為光電耦合器性能不良引起的故障，隨后對該器件進行了更換，保溫箱恢復正常工作。

實例2：某型號的超聲乳化儀通電開機后操作面板無任何顯示，開關電源發出“吱吱”聲，此時可初步判斷為電源有保護動作。該開關電源采用了UC3842 和UC3854等PWM IC，各個IC電流檢測段全部提示存在過電流，并且各個供電端電壓存在跳變現象。排除PWM IC及其外圍電路損壞后，對功率器件進行了重點檢查，結果發現，其中一路電源的開關管被擊穿，更換開關管后，又對其外圍電路進行了檢查，發現與該開關管相連接的高壓電容也被擊穿，隨后對該電容進行更換并通電，主+24V輸出正常，整機工作穩定。

結語

總而言之，醫療設備的開關電源種類較多，雖然它們的工作原理都大體相同，但卻不可以互相替代，同時，醫療設備的頻繁使用在一定程度上增大了開關電源故障的可能性，一旦開關電源發生故障，會造成醫療設備失靈。為此，必須采取正確的維修方法對故障進行處理，并在最短的時間內消除故障，使設備恢復正常工作。

參考文獻

[1]林國祥，劉亞芹，蘇重清.談電源頻率和相序的改變對醫療設備的影響[J].醫療設備信息，2012（07）.

[2]劉宇靜，王丹.淺談醫療設備中交流穩壓電源的合理配置與使用[J].醫療裝備，2011（04）.

[3]張啟.一種經濟型醫療設備通用高頻數字開關電源設計[J].電源技術應用，2011（08）.

[4]彭潤，顏樂先，尹軍.醫院開展醫療設備電氣安全檢測的探討[J].醫療衛生裝備，2012（11）.

[5]鄭嘉羽.交流凈化穩壓電源在醫療設備中的合理配置與使用[J].醫療設備信息，2012（10）.

[6]李明.張紅鷹.加強供電電源管理來降低大型醫療設備故障率[J].中國醫學裝備，2012（01）.

[7]陳震.王書杰.便攜式醫療設備新型雙電源的實現[J].常州信息職業技術學院學報，2010（09）.

中圖分類號：TM643

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