VELA 呼吸機供電系統分析與維修二例

申倩

東部戰區總醫院醫學工程科（江蘇南京 210002）

有創呼吸機作為無法自主呼吸危重患者急救或長時間生命支持的設備在我國已得到廣泛應用。VELA呼吸機是有創呼吸機中比較主流的品牌之一，主要由主板、電源模塊、電池組、人機交互組件、內置渦輪泵等組成，結構緊湊、安裝方便，內置渦輪泵無需外部壓縮空氣，增加了臨床使用的靈活性，既可使用高壓氧氣作為氧氣供氣源，也可在沒有高壓氧氣的情況下使用低壓氧氣為患者供氧，同時內置電池為48 V、4000 mA·h 大容量鎳氫電池組，可在無外部電源的情況下穩定工作8 h，其強大的續航能力為醫師救治危重患者提供了可靠的保障，此外，還具有A/C、SIMV、CPAP 等多種通氣模式可滿足臨床醫師對不同患者的救治需要。

1 VELA 呼吸機電源模塊基本電路分析

電源模塊分為主電源和電源分配板兩部分。呼吸機通電后主電源產生48 V 直流電，該電壓供給電源分配板輸入端，電源分配板輸出各路分電壓供呼吸機使用，同時電源分配板上的邏輯電路也負責各路分電壓的監測和管理。

1.1 主電源

主電源以ML4841CP 電源管理芯片為核心設計，ML4841CP 電源管理芯片內部結構如圖1所示。由于ML4841CP 電源管理芯片兼具功率因數校正和脈寬控制兩個功能，所以應用此芯片設計開關電源無需單獨的功率因數校正芯片和脈寬控制芯片，使電路結構大大簡化，電源可靠性隨之升高。該芯片PFC 部分及相關的外圍電路將整流后的311 V 直流電壓校正成400 V 左右直流電壓，再通過該芯片的PWM 部分及相關的外圍電路將400 V 直流電壓變換成48 V 直流穩定電壓。

圖1 ML4841CP 電源管理芯片內部結構圖

1.2 電源分配板

電源分配板由外部接口電路、開關邏輯電路（圖2）、風扇轉速控制電路（圖2）、渦輪供電電容充電電路（圖2）、DC-DC 電路、電池充電與狀態指示電路組成，其中外部接口包括開關插口、冷卻風扇插口、電源分配板與主板通信排線和電源分配板向主板供電排線。電源開關閉合后分配板中開關邏輯電路將主電源48 V 電壓供給整個分配板使用，經過穩壓芯片變換成5 V 和8 V 兩路電壓；同時，LM2576HV 芯片將主電源48 V 電壓變換成12 V 電壓和24 V 電壓供整機使用。關于電池充電部分，主電源48 V 電壓經過BOOST 變換芯片產生69 V 直流電壓，為48 V 鎳氫電池組充電提供電源。MC68HRC806JK3CDW 芯片控制電池組的充電，并產生電池組的充電狀態信號驅動前面板的電池狀態指示燈。

圖2 開關邏輯電路、風扇轉速控制電路及渦輪供電電容充電電路圖

2 故障實例

2.1 故障一

2.1.1 故障現象

插上電源線后交流指示燈正常指示，打開電源開關后交流指示燈閃爍，同時顯示屏閃爍，主板上三路電壓指示燈亦閃爍，大約幾秒后呼吸機恢復正常啟動。

2.1.2 故障分析

此故障現象考慮是由于開機初期負載過大引起開關電源反復保護所致，開機的同時使用萬用表測量48 V主供電，發現電壓波動，幾秒后呼吸機恢復正常啟動，電壓亦穩定。由于呼吸機正常啟動后能穩定工作，所以充分印證了48 V 主供電沒有問題，發生此故障是開機初期負載過大所致。分析呼吸機開機初期和穩定工作時負載基本一致，唯一區別是開機初期渦輪供電大電容需要充電，故考慮渦輪供電大電容充電電路出現問題導致開機初期充電電流過大。

2.1.3 故障解決方案

依照圖2電路測量關鍵點，外部供電24 V 和12 V電壓正常，主電源48 V 電壓供電亦正常，故考慮是此部分電路元器件有損壞；首先測量渦輪供電電容充電用主開關管Q210，發現D 極和S 極之間短路，更換該開關管后，呼吸機恢復正常。

2.2 故障二

2.2.1 故障現象

打開電源開關呼吸機無反應，大約十幾秒后呼吸機正常啟動。

2.2.2 故障分析

插上電源線測量48 V 主供電，發現無電壓輸出，十幾秒后48 V 正常輸出，呼吸機隨后正常啟動，故考慮主電源損壞。

2.2.3 故障解決方案

將主電源從呼吸機上拆下單獨加電，使用雙通道示波器觀察主電源上功率因數校正電容正極（CH1）與ML4841CP 電源管理芯片引腳（CH2）電壓波形，如圖3～5所示。

圖3 修復前功率因數校正電容正極與ML4841CP 電源管理芯片13腳電壓波形

圖5 修復后功率因數校正電容正極與ML4841CP 電源管理芯片14腳電壓波形

從圖3主電源上電后CH1、CH2產生的電壓波形可以看出：當ML4841CP 電源管理芯片13腳電壓達到15 V 左右（箭頭1所示）后，ML4841CP 電源管理芯片開始啟動并將市電整流后311 V 直流電壓校正成400 V 左右（箭頭2所示）直流電壓，但是功率因數校正電容正極電壓不穩定，呈現遞減狀態（箭頭2到箭頭3區間），工作了幾秒后功率因數校正電容正極電壓恢復正常（箭頭3以后CH1波形）。此過程中ML4841CP 電源管理芯片13腳電壓正常，沒有明顯變化，說明ML4841CP 電源管理芯片供電正常，故再觀察ML4841CP 電源管理芯片其他引腳電壓波形是否正常。

從圖4電源上電后CH1、CH2產生的電壓波形可以看出：出現功率因數校正電容正極電壓不穩定時，ML4841CP 電源管理芯片14腳輸出電壓亦不穩定。分析原因可能是ML4841CP 電源管理芯片自身不穩定或者14腳周圍電路發生故障，沿著14腳檢查外圍電路，發現該腳主要是為晶振時鐘電路和PWM 電壓反饋電路供電，用萬用表測量相關的元器件未發現問題，排除周圍電路故障；更換ML4841CP 電源管理芯片，上電后用示波器觀察功率因數校正電容正極與ML4841CP 電源管理芯片14腳電壓波形，發現恢復正常，故障得以排除。

圖4 修復前功率因數校正電容正極與ML4841CP 電源管理芯片14腳電壓波形

3 小結

呼吸機電源結構比較復雜，電路電壓及電流故障無法通過肉眼排查，只有維修人員熟練掌握維修工具，譬如萬用表、示波器等，通過定量分析才能發現故障現象，找出故障原因，因此，維修人員需不斷加強自身的專業能力，以更好地為臨床醫療服務提供幫助。