某醫(yī)療器械電源模塊結構改進效果研究

劉洋，劉培，李澤楷，李雙雙

（1.成都水木醫(yī)療科技有限公司，四川 成都 611731；2.北京中關村水木醫(yī)療科技有限公司，北京 102600）

0 引言

電控系統(tǒng)發(fā)熱對其穩(wěn)定性、可靠性和壽命具有顯著的影響[1-2]。過高的溫度會使設備中的電子元器件壽命縮短，甚至瞬間或永久失效[3-5]。同時隨著設備不斷向小型化、多功能化和高性能化方向發(fā)展，設備內器件的熱流密度與功耗不斷增加，設備過熱問題越來越突出，如果不能有效進行熱設計，將直接影響系統(tǒng)的可靠性與工作壽命[6-7]。

工程設計人員在產品研發(fā)過程中借助目前主流的熱分析軟件如TMG、Icepak 和Flotherm 等對產品進行熱仿真分析，有助于在研發(fā)過程中發(fā)現熱設計的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進[8-12]。然而，仿真建模的準確性和模型采用參數的準確性對仿真結果具有巨大的影響，由于人員經驗有限和我國基礎數據薄弱，仿真結果與實際情況通常具有一定的差異[13]。如已經具備實物樣機，可通過熱測試來獲得產品的實際溫度分布，從而檢驗產品的熱性能是否滿足預定要求，同時也是評價產品熱設計水平的重要方法和設計整改最有效的手段[14]。

1 熱測試方法

電控系統(tǒng)熱測試方法目前主要有非接觸式測試和接觸式測試兩種。

非接觸式測試常用的設備有紅外測溫儀和紅外熱像儀。該方法不需要接觸到被測溫度場的內部或表面，因此，不會干擾被測溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也不會受到溫度場的損傷；但是，該方法易受環(huán)境因數影響（如空氣中的塵土、環(huán)境溫度等），同時，該方法只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內部和存在障礙物時的溫度，因此不易測出被測件的真實溫度[15-18]。

接觸式測試有熱敏電阻傳感器法、熱電偶傳感器法等。在工程上廣泛地使用數據采集儀進行測量，能夠精確地測量出物體和液體內部溫度。同時該方法廣泛地用于封閉空間內的各種組件、器件的溫度測量。但是該方法在工程實際使用中相對比較繁瑣，由于需要安裝傳感器、連接數據采集儀和顯示軟件等，導致工作量較大、檢測效率相對較低[19-21]。

根據工程實際經驗，本文首先利用紅外熱像儀獲得被測電控系統(tǒng)內各元器件表面溫度分布云圖，確定熱源位置后再進行傳感器的布局；其次采用高低溫濕熱試驗箱對被測電控系統(tǒng)進行溫度步進環(huán)境試驗，溫度梯度從40、50、60 和70 ℃逐步遞增，使其充分且快速暴露其熱設計缺陷，有助于提高熱測試準確性、改善整體熱環(huán)境、消除產品內部過熱點，從而提升產品的可靠性水平和使用壽命。

2 某型電源模塊熱測試

本文以某型電源模塊熱測試為例，該電源模塊作為核心部件，其功能是為電控系統(tǒng)和光源系統(tǒng)供電，然而在實際工作過程中電源模塊整體功耗偏高，因此在改型過程中對其熱設計的評估是衡量其質量和可靠性的重要依據。

2.1 測試

本文采用的測試設備由綜合應力溫濕度箱（SZ61IIA）、熱像儀（Tis65）和數據采集器（34972A）3 部分組成，測試設備和檢測儀表均滿足測試要求且在校準有效期內，其測試如圖1～3所示。

圖2 數據采集器

圖3 綜合應力溫濕度箱

2.2 熱測試流程

通過工程實際，對某醫(yī)療器械電源模塊進行溫度步進熱測試的試驗順序及各步驟間相互關系如圖4 所示。

圖4 溫度步進熱測試流程

溫度步進熱測試的試驗步驟如下：

a）在實驗室常溫條件下，采用熱像儀進行非接觸式熱測試，初步獲取各個電路板的溫度云圖，根據云圖初步分析高溫點，對于高溫點對應位置元器件耐溫范圍，初步確定電源模塊潛在高溫風險點；

b）在實驗室溫度條件下，用熱像儀進行非接觸式熱測試，初步獲得各電路板的溫度云圖，根據云圖對高溫點進行初步分析，確定電源模塊對應位置元器件溫度耐受范圍的潛在高溫風險點；

c）將電源模塊置于試驗箱內，對可能的高溫危險點進一步布放熱電偶，依次將試驗溫度升高至+40、+50、+60 和+70 ℃，持續(xù)1 h。通過數據采集器進行接觸式測溫，準確獲取各溫度監(jiān)測點的溫度。這樣就可以獲得各個監(jiān)測點在不同高溫環(huán)境下的溫度變化趨勢，并提供詳細的數據來確定電源模塊耐溫的薄弱環(huán)節(jié)。

2.3 紅外成像儀測試結果分析

在常溫條件下，電源模塊正常工作時，利用紅外成像儀對電源模塊電路板上的發(fā)熱區(qū)域進行溫度檢測，發(fā)現開關直流電源有2 個高溫元器件，其開關直流電源電路板和溫度云圖如圖5～6 所示，各元器件型號及測試溫度如表1 所示。后續(xù)將采用溫度數據采集器在不同環(huán)境溫度下對以上2 個元器件發(fā)熱區(qū)域進行精確檢測，并針對檢測結果給予相應的整改意見。

表1 電源模塊各電路板熱像儀檢測結果如下 單位：℃

圖5 開關直流電源圖

圖6 開關直流電源熱像圖

2.4 溫度步進法-熱電偶接觸式檢測

根據紅外成像儀測試結果，對開關直流電源電路板上的電阻、芯片、變壓器粘貼溫度傳感器，在溫度梯度分別為+27.9、+40、+50、+60 和+70 ℃進行測試。檢查是否滿足器件自身工作環(huán)境溫度要求。開關直流電源測試點布置如圖7 所示，其溫度試驗應力圖如圖8 所示。電源模塊開關直流電源電路板熱電偶接觸式檢測結果如表2 所示。

表2 電源模塊開關直流電源電路板熱電偶接觸式檢測結果 單位：℃

圖7 開關直流電源測試點布置

圖8 溫度試驗應力圖

2.5 測試結果分析

根據以上檢測結果，得出以下3 條結論：

a）在常溫條件下測試時，電阻穩(wěn)定后溫度為96.121 ℃，接近工作溫度范圍的上限值。當環(huán)境溫度為+40、+50、+60 和+70 ℃時，電阻穩(wěn)定后溫度均超過工作溫度范圍的上限值，建議更換工作溫度范圍更高的電阻或改進熱設計；

b）在各種環(huán)境溫度條件下，芯片穩(wěn)定后的溫度均已超過它們最高工作溫度。當環(huán)境溫度為70 ℃時，芯片穩(wěn)定后的溫度已超出45.389 ℃。長時間超溫工作，會影響其工作壽命，建議更換工作溫度范圍更高的芯片；

c）當環(huán)境溫度為常溫時，變壓器溫升相對較高，由此可以推斷當環(huán)境溫度升高時，該器件的溫度會更高，有可能超出該器件的工作溫度范圍，當環(huán)境溫度為70 ℃時，變壓器穩(wěn)定后的溫度為95.665 ℃，超過工作溫度范圍上限，需要對其改進熱設計。

3 某醫(yī)療器械電源模塊改進后熱測試效果對比分析

3.1 開關直流電源改進措施

本文對開關直流電源采取降額改進設計，更換額定功率更大的元器件，各參數如表3 所示；電路板重新布局如圖9 所示。

表3 開關直流電源

圖9 開關直流電源電路板重新布局圖

3.2 改進后測試結果

通過對開關直流電源采取降額改進設計后，其前后熱測試溫度云圖對比如圖10～11 所示，其溫度試驗應力圖如圖12 所示。

圖10 開關直流電源改進前測試結果

圖11 開關直流電源改進后回歸驗證測試結果

圖12 溫度試驗應力圖

3.3 改進后測試效果分析

開關直流電源改進后回歸驗證結果如表4 所示，由表4 可知改進后開關直流電源沒有出現過熱點，改進后最高溫度（48.8 ℃）相對改進前最高溫度（98.1 ℃）顯著下降，改進后高溫點個數相對改進前高溫點個數顯著減少。

表4 開關直流電源改進后回歸驗證結果 單位：℃

4 結束語

由于常規(guī)熱測試方法很難發(fā)現設備的潛在熱設計缺陷，本文采用溫度步進熱測試方法對某醫(yī)療器械電源模塊進行熱測試，使其電源模塊存在的潛在缺陷得以充分暴露出來；通過對樣機電源模塊存在的潛在缺陷改進前和改進后熱測試結果對比分析，開關直流電源改進效果顯著，電阻及芯片不會在常溫、+40 和+50 ℃條件下超出工作溫度，相對改進前3 個元器件監(jiān)測溫度顯著下降（變壓器下降10℃以上，芯片和電阻均下降20 ℃以上），將有益于延長電源使用壽命，提高使用過程穩(wěn)定性和可靠性，保障上市后的質量與可靠性，減輕售后維修保障負擔，提高客戶滿意度。