開關電源在氬氣高頻手術設備中的應用研究

陳映慧（通信作者），包瑾

北京恒實基業科技有限公司 （北京 100041）

電源是有源醫療器械的重要組成部分，也是衡量醫療器械安全性的重要指標[1-2]。據相關資料統計，電源故障是醫療器械故障的主要原因之一，占所有故障的60%以上[3]，且醫療設備對電源的技術和專業要求均較高，不僅要考慮電源的安全性和穩定性，還要考慮電源的維修難度和占用空間[4]。目前，市場上的氬氣高頻手術設備主要采用線性電源，其效率低、輸入范圍窄，變壓器設計復雜、體積龐大，設備的使用存在安全隱患。基于此，本研究設計了一款適用于氬氣高頻手術設備的開關電源，現報道如下。

1 氬氣高頻手術設備電源現狀

氬氣高頻手術設備中線性電源的工作原理是將交流電經變壓器降低電壓值，通過整流電路得到脈沖直流電，濾波后得到醫療設備所需的直流電壓。其中，變壓器的工作原理是利用功率半導體器件的線性工作區，通過調節線性阻抗來控制輸出電壓。線性電源內部電路接線復雜，長時間使用會使變壓器溫度升高，縮短內部絕緣材料壽命，還可能造成設備擊穿等事故[5-6]。此外，線性電源中變壓器的重量大、體積大，導致設備移動困難，也間接給醫院造成負擔。

隨著電源技術的發展，高頻工作狀態、體積較小的開關電源被研發出來。開關電源被廣泛應用于通信、計算機、軍工、航天和醫療等行業，其工作原理是利用功率半導體器件的飽和區，通過調整開通時間或頻率達到調節輸出的目的[7-10]。開關電源不僅具有小型化、輕便化的特點，且電能轉換效率高、快速性好，在宕機或電壓波動情況下，能夠迅速調整電源，不會造成設備停機，還能節約能源、保護環境，其轉換效率達90%以上[11]。相對于線性電源來說，開關電源具有體積小、效率高、工作損耗低、輸入范圍寬等優點，但其設計難度較大。鑒于氬氣高頻手術設備為三類醫療器械，對設備安全性要求更高，故本研究更傾向使用規范化、標準化與規模化的開關電源，替代現有的線性電源。

2 氬氣高頻手術設備供電原理

氬氣高頻手術設備適用于各類外科手術，主要具備純切、混切、點凝、面凝、氬氣束凝等功能，其設備供電原理見圖1。A 板是以微處理器為基礎的控制系統，所有用戶接口功能都可通過微處理器及相應的數字和模擬裝置實現。C 板是氬氣流量/高壓控制電路板，主要提供2 種獨立的功能，即提供與工作相匹配的高壓和氬氣流量控制功能，高壓提供功能分為相位控制觸發脈沖的產生、調整環節、高壓電復位脈沖的產生及電壓輸出監測線路。F 板為高壓輸出電路板，主要為射頻放大器提供可調的直流電壓及電流，射頻放大器將能量轉換為高頻電流，使線路板中有高壓輸出。D 板為低壓供電電路，主要為電路提供+5 V 和±15 V 的供電電源。

圖1 氬氣高頻手術設備供電原理圖

3 氬氣高頻手術設備開關電源設計

為達到設備所需的供電電壓，氬氣高頻手術設備的電源必須提供1 個高壓變壓器和1 個低壓變壓器，高壓部分必須包含功率器件及電容濾波器以保證高壓輸出；低壓部分必須保證+5、±15 V 的電壓給設備的主控制板。開關電源設計中，應確保開關頻率高、輸出電壓連續可調、工作效率高，且為氬氣高頻手術設備的切、凝和氬氣束凝工作模式提供+5、±15 V 的低壓供電電源。此外，該開關電源還需滿足3 個技術指標：（1）高轉換效率，開關電源的主要損耗在于變壓器線圈的直流電阻損耗，頻率越高損耗越小；（2）低輸出電壓的紋波，開關電源穩壓是一個不斷取樣反饋調節的過程，輸出紋波電壓越小，輸出特性越好，否則易造成死機現象；（3）輸入電壓范圍滿足條件，開關電源的輸入電壓變化范圍已經達到90～270 V，可滿足220 V 的要求[12-14]。在開關電源控制方式和驅動方式上，主要有自激式脈寬調制、自激式脈頻調制、自激式混合調制、它激式脈寬調制、它激式脈頻調制、它激式混合調制6 種方式。自激式的安全性較低，穩定性差，長時間工作不易控制；脈頻調制的工作穩定性差，安全性有缺陷；混合調制的電路設計較復雜，電磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）的強制性比較高。考慮到開關電源經過整流、濾波，還需增加EMC 濾波及使用安全標準的器件，故本設備開關電源采用它激式脈寬調制驅動方式[15-16]。根據開關電源的技術要求設計電路，主要包括主電路、控制電路，另外還要為控制電路提供1 個輔助電源。開關電源的設計框圖如圖2 所示。

圖2 開關電源設計框圖

3.1 主電路設計

主電路設計包括輸入整流與濾波電路、功率變換電路、高頻變壓器、輸出整流與濾波電路。輸入整流與濾波電路主要是將交流電網的輸入電壓轉換為紋波較小的直流電信號，交流輸入電壓的范圍為180～240 V AC，采用電容濾波，將輸出的電壓轉換為較平滑的直流電壓；氬氣高頻手術設備電源輸出最大電流為1.5 A，選用1 500～2 000 pF 之間的電解電容即可滿足濾波；功率變換電路主要是將直流電信號轉化成高頻交流電信號；高頻變壓器主要是完成隔離諧振和變壓器變換電壓電流的功能；輸出整流和濾波電路主要是輸出設備所需的穩定電壓和電流，變壓器技術參數如表1 所示。

表1 開關電源主電路中變壓器的技術參數

3.2 控制電路設計

控制電路設計主要包括驅動電路、反饋電路、保護電路。驅動電路采用功能齊全的集成脈寬調制（pulse width modulation，PWM）芯片，即電流控制性PWM 控制器（SG3525 芯片），可按照反饋電流調節脈寬，該控制器在結構上具有電壓環和電流環雙環系統，電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性較好；為控制開關電源主電路輸出電壓的變化，同時設計1 個反饋電路，通過檢測到的輸出電壓來控制主電路的電壓變化，形成穩定的閉環系統，實現開關電源的自穩定；另外，為降低開關電源瞬時啟動時產生的浪涌電流造成的損害，選用熱敏電阻降低浪涌電流，或通過增加1 個較大的電容，在啟動瞬間給電容充電來降低浪涌電流的瞬時擊穿；同時，設計1 個過熱保護電路，通過控制系統的溫度來保護電路安全。

4 開關電源測試

基于上述資料，完成氬氣高頻手術設備開關電源設計，并對開關電源安全性及功能進行測試，驗證設備功能使用情況、安全性能及重量體積變化情況。

4.1 氬氣高頻手術設備的功能測試

在氬氣高頻手術設備試驗臺上，用開關電源替換小電源變壓器和D 板，向各電路板供電（+5、+15、-15 V）。將D 板上原有的兩路+15 V 接到一起，DG 和AG 接到一起。其中，A 板是氬氣高頻手術設備前面板，以微處理器為基礎的控制系統，包括鍵盤、顯示屏等用戶界面和控制部分，需要D 板提供低壓供電；D 板是氬氣高頻手術設備低壓供電電路板，用于提供設備前面板需要的+5、±15 V 電壓；C 板（氬氣高頻手術設備流量/高壓控制線路板）上的LINE FREQUENCY 信號是由小電源變壓器經過D 板（氬氣高頻手術設備低壓供電電路板）提供的，必須提供1 個額外的變壓器產生LINE FREQUENCY信號為C 板供電，改進后接線見圖3。測試結果顯示：（1）A 板能夠正確顯示；（2）各項功能激發能夠響應；（3）F 板有高壓；（4）各項功率有輸出；（5）開關電源發熱溫度較低。因此可見，采用開關電源替換小電源變壓器和D 板供電，各項電壓值并無問題，機器能夠正常工作，相關試驗數據見表2。

表2 開關電源改進后測試數據

圖3 開關電源改進后接線圖

4.2 開關電源的安全性測試

使用耐壓測試儀，將直流電壓從0 逐漸增加至500 V，通過持續高壓輸出，測試開關電源耐高壓情況；使用漏電流測試儀，將電源設置為220 V，測試接地漏電流和外殼漏電流是否符合安全標準GB9706.1-2020《醫用電氣設備 第1 部分：基本安全和基本性能的通用要求》和GB 9706.202-2021《醫用電氣設備 第2-2 部分：高頻手術設備及高頻附件的基本安全和基本性能專用要求》。測試結果顯示，開關電源在耐高壓測試中未被擊穿，在漏電流測試中滿足高頻手術設備安全性的要求。

4.3 開關電源重量及體積測試

通過對原有線性電源及新設計開關電源重量及體積進行測試對比，開關電源的體積小、重量輕，約為原線性電源的1/3，有利于氬氣高頻手術設備小型化。

5 結論

本研究設計一款滿足氬氣高頻手術設備需求的開關電源，經測試，該開關電源滿足氬氣高頻手術設備的技術要求，保證了設備使用的安全性，降低了設備的故障率，且體積小、重量輕，符合醫療器械行業對設備小型化、集成化的需求，在一定程度上提高了氬氣高頻手術設備的市場競爭力。考慮到開關電源設計復雜，投入的研發成本比較高，設計時還要滿足較大的開關頻率，連續可調的輸出電壓。因此，在現有滿足設備性能及安全性的情況下，后續將對開關電源電磁兼容、維修操作便利性以及設備小型化布局等方面進行更深入的研究。