醫療設備開關電源故障維修四例

黃劍女，郭愛群

1 浙江省紹興市人民醫院 （浙江紹興 312035）；2 中國科學院大學附屬腫瘤醫院·浙江省腫瘤醫院 （浙江杭州 310005）

醫療設備中使用了大量的開關電源，開關電源又是醫療設備的故障高發單元之一，因此學習和掌握開關電源的工作原理和維修思路十分必要。本文首先介紹了開關電源的工作原理，然后通過對4例開關電源的維修案例進行分析，探索維修思路和方法，旨在提供一些維修經驗，以供工程師日常維修時參考。

1 開關電源的工作原理

開關電源又稱交換式電源、開關變換器，是一種采用開關方式控制的直流穩定電源，也是一種高頻化電能轉換裝置，可輸出穩定的電壓、電流。開關電源的優點包括輸出過壓/過流保護、輸出欠壓保護、過熱保護等。開關電源的工作原理（圖1）為：交流電源輸入經整流濾波電路形成直流電Vs，Vs 經開關管電路[由開關占空比控制頻脈沖寬度調制（pulse wide modulation，PWM）電路通/斷狀態的波形Vc 控制]導通和截止后變成高頻脈沖狀交流電Vo’，Vo’經開關變壓器和高頻整流濾波后輸出直流電Vo，Vo 通過取樣比較電路產生比較輸出電壓Ve，反饋給開關占空比控制PWM 電路產生Vc，再去控制開關管的導通時間，以達到穩定輸出的目的。

圖1 開關電源原理框圖

另有一種特殊的開關電源（圖2）：在DC-DC變換器之前增加了一個功率因素變換器（power factor converter，PFC）和PFC 控制器電路，在正常市電輸入220 V 電壓的情況下，大電容C0兩端電壓為350～400 V 左右，低于350 V 說明PFC 未正常工作。

圖2 含PFC 的開關電源原理框圖

2 維修案例

2.1 故障一：ABI StepOnePlus PCR 儀開關電源故障

2.1.1 故障現象

打開電源開關，屏幕顯示“System is on standby，please wait”，片刻后設備自動關閉，屏幕無顯示；關閉電源開關后重新啟動，設備仍無法開啟。

2.1.2 故障分析

開機自檢程序還未啟動，設備就自動關閉的原因可能為：（1）電源故障；（2）控制板故障，無法進入系統程序。

2.1.3 故障維修

根據由簡單到復雜的維修原則，首先考慮電源故障；測量開關電源的電壓發現，屏幕有顯示時，輸出電壓為+24 V，屏幕無顯示時，無+24 V 輸出電壓，基本可以判定為電源故障。

從設備中取出開關電源（型號為SP-750-24AP1-1），進行如下維修：打開電源，重點檢查內部元件，查找有無發黑過熱的電阻，有無鼓包的電容，結果均無；通電測量大電容（容量330 UF，電壓450 V，為開關電源中體積最大的電容）兩端的整流濾波電壓發現，當開關電源有+24 V 輸出電壓時，其電壓為+395 V，當無+24 V 輸出電壓時，其電壓為+300 V，說明PFC 未工作，需進一步檢查PFC 相關電路； PFC 控制器的芯片為FAN4822，測量該芯片pin12的電源電壓（volt current condenser，VCC），發現當大電容兩端電壓為+300 V 時，FAN4822的pin12 VCC 無電壓（其正常工作時電壓為+13 V），說明該芯片因無供電電壓導致無法震蕩工作；經測量分析發現，FAN4822 pin12 VCC由電源管理芯片TOP242PN 控制，此電源管理芯片振蕩后經開關變壓器二極管整流及電容濾波輸出+13 V 電壓供給FAN4822的pin12；對開關電源單獨通電1 min 后關閉，此時戴手套觸摸發現TOP242PN 芯片發熱，估計其溫度超過100 ℃[查閱資料后發現，此芯片具有過熱保護功能，當接點溫度超過關斷溫度（140 ℃）時，其內部的金屬氧化物半導體（metal oxide semiconductor，MOS）管振蕩輸出關閉]，待TOP242PN芯片冷卻5 min后，重新開機，設備可正常啟動，由此判斷此芯片性能不佳，需要更換；更換TOP242PN芯片后，開啟電源，試機正常工作。

2.2 故障二：GE Optima-XR220amx 移動DR 機開關電源故障

2.2.1 故障現象

按開關ON/OFF 鍵，開機指示燈不亮，無法開機。

2.2.2 故障分析

根據故障現象懷疑有電源模塊損壞。

2.2.3 故障維修

該設備的電源模塊LVLE2是一個開關電源，輸入電壓為直流電 +85～180 V，測量LVLE2的各路輸出電壓均無；拆開LVLE2，在start 觸發控制電路部分，發現1個貼片電阻（型號820，阻值82 Ω，功耗1 W）有焦痕，經測量發現此處電阻開路，用1個同阻值的電阻焊接并聯在此電阻上（即用觀察法立即更換損壞的元件）后，檢查LVLE2的J2的pin5和pin9（均為+24 V）與地之間的阻抗，發現直接短路，懷疑電源內部仍有故障元件；此模塊內有2塊電路板，一塊為DC-DC 變換器電路板，另一塊為各路電壓輸出的直流控制板，經測量發現DC-DC 變換器電路板的Q5（MOS 管型號為FDP3632，主要參數ID=80 A，VDSS=100 V）的引腳兩兩短路；購買同型號的管子更換后，進行通電測量（具體方法在下文介紹），設備可正常開機，故障排除。

通電測量前需先制作簡易的直流電壓，作為開關電源的輸入電壓，然后引入觸發信號（start1），依次測量DC-DC 變換器電路板、電源模塊LVLE2，最后進行上機測試，具體步驟如下。（1）制作簡易的直流電壓：LVLE2的輸入電壓為直流電+85～180 V，其實現過程見圖3。（2）start1引入接法：除了直流輸入外，LVLE2需要start1和start2的信號才會觸發啟動，由于start1信號由一個12 V 繼電器控制，該繼電器開關的一個觸點接高壓，另一個觸點接start1，因此在簡易電路上加一個開關可實現start1的觸發。（3）DC-DC 變換器電路板測量：在LVLE2中加上+110 V 輸入電壓和start1觸發電壓，通電測量DC-DC 變換器電路板的各路直流電壓，結果顯示，+12、+24、+48 V 均有輸出。（4）電源模塊LVLE2測量：連接LVLE2的兩塊電路板，測量J2的pin5和pin9（均為+24 V）對地電壓為+24 V，但持續時間僅為3 s 左右，3 s 后該+24 V 電壓立即下降為+5 V；采用觸發start1的方法觸發start2，測量結果相同，+24 V 電壓仍立即下降為+5 V，此時LVLE2并未加任何負載，考慮導致+24 V 電壓下降的原因為該設備設計有各種保護電路，需要上機測試LVLE2是否正常。（5）上機測試：將電源模塊LVLE2裝回設備，按開關ON/OFF 鍵，開機正常，嘗試曝光測試正常，說明此電源模塊已修復。

圖3 制作輸入直流電壓的簡易框圖

2.3 故障三：貝克曼X12R 離心機開關電源故障

2.3.1 故障現象

設備在離心時突然觸發空氣開關動作。

2.3.2 故障分析

該故障現象說明前級交流電輸入部分電源電路存在嚴重短路。打開設備，拆下馬達驅動板，設備自檢能進入正常狀態，說明短路引起觸發空氣開關動作僅與馬達驅動板有關。

2.3.3 故障維修

首先，仔細測量馬達驅動板上的各元件發現，熱敏電阻RV1（型號SG26，阻值5 Ω）已開路，2個大功率MOS 管（型號APT5017）的引腳兩兩短路，均予以更換；更換后，接220 V 交流電測量板子上的高壓測試點（high voltage，HV）電壓為+300 V（正常應為+390 V），說明PFC 未工作；仔細檢查發現，該設備由電源管理芯片TOP242G 來實現DC-DC 變換（如圖4所示，該電路輸出+15 V電壓給PFC 芯片L4981A pin19 VCC，輸出+5 V 電壓給板子中其他集成模塊的VCC），測量該電路發現穩壓二極管ZR19和ZR21均正常，而測試點TP1（+15 V）、TP2（+V1）、TP3（+5 V）電壓均異常，考慮TOP242G 存在故障；更換TOP242G芯片后，再次測量以上測試點的電壓仍異常；斷開TP1的負載，測量TP1電壓為+25.5 V，而TP2、TP3電壓為+2.8～2.9 V，考慮反饋控制可能存在問題，更換U16的光耦SFH6156（負責電路的反饋控制）后，測量以上測試點電壓，均恢復正常；恢復TP1的負載，測量以上測試點電壓再次異常，說明該負載過大，懷疑PFC 芯片L4891A 存在故障，導致無法通電；如圖5所示，測量pin19 VCC 的對地電阻，測得阻值為1.5 Ω，說明L4891A 的內部VCC 已經對地短路，導致芯片故障，給予更換；更換后，通電測量以上測試點電壓和HV 電壓均恢復正常，將馬達驅動板安裝回離心機，開機測試，設備運行正常。

圖4 TOP242G 實現的DC-DC 變換電路

圖5 L4981A 的PFC 工作電路

2.4 故障四：賽默飛311二氧化碳培養箱開關電源故障

2.4.1 故障現象

開機，液晶顯示屏無顯示。

2.4.2 故障分析液晶顯示屏無顯示的原因可能為電源故障或液晶顯示器損壞。拆開設備，測量開關電源有220 V交流輸入，但無+24 V/+12 V 電壓輸出，基本判斷故障原因為開關電源故障。

2.4.3 故障維修

該設備的開關電源采用UC3844N 脈沖寬度調制振蕩芯片。取出電源，首先測量UC3844N 芯片pin7 VCC 為 +15 V，說明供電正常；測量pin8 Vref 參考電壓僅為+3.8 V（正常應為+5 V），判斷可能為UC3844N 芯片故障；更換UC3844N 芯片后，再次測量pin7 和pin8 電壓，結果同上；檢查pin8 的外圍元件，未發現故障元件，斷開pin8 的外圍元件，測試結果仍然同上；再次通電檢測，發現此電源在通電1 min 之后發出很輕的“吱吱”高頻嘯叫聲，此時測量輸出電壓僅為+5 V 左右（正常應為+24 V），懷疑某個電容漏電；仔細檢查后發現，UC3844N pin7 VCC 的濾波電容（容量47 UF，電壓50 V）的電容值僅為10 UF 左右（正常應為43～50 UF），說明該電容漏電嚴重，予以更換；更換后，再次測量UC3844N pin8 Vref 參考電壓+5 V，已恢復正常；此時，測量開關電源的兩組輸出電壓+24 V/+12 V也恢復正常，故障排除。

3 小結

故障一：工程師通過測量芯片的VCC 作為關鍵點電壓來查找故障點方法，縮小故障范圍；針對冷態工作正常、熱穩定性不佳的元件，可以通過電吹風加熱的方法來模擬故障，使元件過熱觸發熱保護。

故障二：維修開關電源需要特殊電壓的直流輸入電源時，需按電源需求進行臨時搭建；觸發信號一般為一個脈沖信號，用非自鎖按通開關電源對地模擬脈沖，需要加限流電阻；特殊情況時，觸發信號為持續高電平信號，需要用自鎖開關接高電平電源（故障二如此）；需要注意的是，部分開關電源未接負載時不會正常工作，需要加負載。

故障三：對于電路板出現嚴重短路故障，需先用萬用表測量查找明顯短路的元件，一般為大電流大功率的高壓部分元件，如MOS 管、橋堆、熱敏電阻、穩壓管等；然后再通電測量測試點或關鍵點電壓，并通過斷點法逐級分析，直至找到全部故障元件，并給予更換。

故障四：集成塊VCC 或Vref 等關鍵點電壓異常大多是由于濾波電容性能下降所致，建議用專用電容表測量故障電容的電容值（注意：在線測量的電容值往往不準，需要焊下來進行離線測量），盡量不要用數字萬用表的電容擋來測量電容值，避免電容值測量不準確誤導故障原因的分析判斷。（本人在日常維修中多次遇到用數字萬用表測量電容值正常，但改用專用電容表測量立即發現電容值異常，說明電容存在嚴重漏電現象，更換漏電電容后，電壓恢復正常）。