周德強(qiáng)，顏樂(lè)先，萇飛霸，魏安海，李姝穎，尹軍

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042

基于醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)的安全電源設(shè)計(jì)

周德強(qiáng)，顏樂(lè)先，萇飛霸，魏安海，李姝穎，尹軍

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042

目的設(shè)計(jì)一套用于醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)供電的安全電源。方法通過(guò)安全電路的設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、光耦隔離反饋控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)接口等電路，使其具有精確得限流保護(hù)、過(guò)壓過(guò)載、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等保護(hù)功能。結(jié)果該安全電源能夠正常穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作，且輸出紋波小于1%，過(guò)流保護(hù)與過(guò)載保護(hù)等電路都能正常工作，能保證該電源的安全性。結(jié)論該安全電源能正常的為醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)提供電 力支持，且能在漏氧的環(huán)境下安全正常的工作，即使發(fā)生故障也不會(huì)有引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)。能顯著提高醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)段的安全系數(shù)和實(shí)用價(jià)值，有利于提高醫(yī)院中心供氧的智能化管理水平。

供氧監(jiān)控系統(tǒng)；安全電源；中心供氧

引言

中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)具有使用快捷方便，適應(yīng)醫(yī)院大規(guī)模發(fā)展需求的特性，已成為一個(gè)現(xiàn)代化醫(yī)院不可或缺的重要設(shè)施[1-3]。任何系統(tǒng)的正常運(yùn)行都離不開(kāi)動(dòng)力系統(tǒng)的支持，且氧氣是一種特殊氣體，氧氣本身不具有可燃性，但其具有極強(qiáng)的助燃性，那么在對(duì)醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)使用電源供電時(shí)候需要考慮其此方面的安全性[4]。本文醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)選用具有過(guò)壓、限流、防沖擊和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)接口等功能的安全電源作為其動(dòng)力支持。

目前開(kāi)關(guān)電源大致可分為一般用開(kāi)關(guān)電源和礦用隔爆本安電源[5]，一般用開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有較好的工頻變壓隔離，尖峰和諧振等干擾容易污染院內(nèi)電網(wǎng)干擾其他儀器設(shè)備，尤其是院內(nèi)精密電子儀器，并且一般用開(kāi)關(guān)電源為追求轉(zhuǎn)換效率大多采用占空比≥50%的控制芯片，不能抑制可能出現(xiàn)的變壓器飽和現(xiàn)象；礦用隔爆本安電源性能良好[6]，但其體積龐大較為笨重且成本昂貴；無(wú)論是一般用開(kāi)關(guān)電源還是礦用隔爆本安電源，都沒(méi)有預(yù)留與醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)匹配的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)接口，且輸出功率與電流都是默認(rèn)常用值，不能精準(zhǔn)匹配醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際使用值。對(duì)此本文對(duì)醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)的安全供電展開(kāi)了研究，本文研究的醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)的安全電源，具有限流流保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，光耦隔離反饋控制，與醫(yī)院中心供氧遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)匹配的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)接口等保護(hù)電路，使其具有精確得限流保護(hù)、過(guò)壓過(guò)載、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等保護(hù)功能[7-8]，即使在漏氧和電源故障的情況下也不會(huì)有引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)，從而保證整個(gè)供氧系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

1 系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)電路

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖1。安全電源設(shè)計(jì)工作原理為：AC 220 V市電輸入（不穩(wěn)定電壓85～265 V也可），首先經(jīng)過(guò)市電輸入保護(hù)電路部分，該部分主要功能是防浪涌沖擊和防止用電反向污染；再經(jīng)過(guò)整流濾波部分電路對(duì)輸入電流進(jìn)行整流濾波處理；經(jīng)整流濾波處理后分為兩路，一路經(jīng)啟動(dòng)供電部分電路處理后到達(dá)脈沖調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制器芯片，該部分主要功能是對(duì)整流濾波處理后電流進(jìn)行降壓處理，以達(dá)到PWM控制芯片的啟動(dòng)電壓要求，對(duì)PWM控制芯片進(jìn)行啟動(dòng)供電，該部分僅在PWM控制芯片啟動(dòng)時(shí)使用，芯片啟動(dòng)后斷開(kāi)；另一路經(jīng)電壓變換部分電路處理后分為兩組，一組經(jīng)芯片供電系統(tǒng)部分電路處理后為芯片正常運(yùn)行供電，另一組經(jīng)輸出整流濾波部分電路處理后作為安全電源輸出組，且在電源輸出組端嵌有LED輸出指示及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)接口、電流采集、短路保護(hù)以及穩(wěn)壓穩(wěn)流反饋系統(tǒng)，以保證電源安全正常的使用。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

1.2 電路設(shè)計(jì)

1.2.1 輸入保護(hù)及濾波電路

輸入保護(hù)及濾波電路圖，見(jiàn)圖2。輸入保護(hù)及濾波電路的前端為熔斷保險(xiǎn)（Fuse，F(xiàn)U）及壓敏電阻可以有效的防止市電輸入的浪涌沖擊，保證用電設(shè)備實(shí)施安全；其后為電感，可以消除市電出入的電磁干擾，也可以防止用電設(shè)備設(shè)施對(duì)電網(wǎng)的反向污染；之后是熱敏電阻（Negative Temperature Coeff cient，NTC）與繼電器組合，其作用也是防浪涌與前端的壓敏電阻形成冗余防浪涌保險(xiǎn)，其工作原理是NTC將浪涌抑制到一個(gè)合適的水平，之后電源正常工作，此時(shí)繼電器從輸出回路中得電后動(dòng)作，將NTC從工作電路中切去，這樣NTC只在啟動(dòng)時(shí)工作，這樣即延長(zhǎng)了NTC使用壽命又能保證其有充分的冷卻時(shí)間。輸入保護(hù)電路之后接橋式整流電路和阻容（Resistance-Capacitance，RC）濾波電路，對(duì)輸入電流進(jìn)行整流濾波的輸入處理后變?yōu)橹绷麟姽┙o其后的芯片啟動(dòng)電路和單短反激式變換電路[9]。

1.2.2 PWM控制芯片及其他輔助電路

PWM控制芯片及其他輔助電路圖，見(jiàn)圖3。因?yàn)榉醇な阶儞Q具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單、輸入電壓范圍寬、輸入輸出電氣隔離、體積重量小、成本低、性能良好、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[10]，故本文中的變換結(jié)構(gòu)方式采用單端反激式。UC3844具有自動(dòng)前饋補(bǔ)償、鎖存脈寬調(diào)制、帶欠壓鎖定、大電流圖騰柱輸出、地帶壓?jiǎn)?dòng)和工作電流等優(yōu)點(diǎn)，另外UC3844相對(duì)于同系的其他UC384X芯片的區(qū)別是，UC3844的占空比不超過(guò)50%，可以有效的防止開(kāi)機(jī)瞬間或負(fù)載短路時(shí)變壓器可能出現(xiàn)飽和現(xiàn)象[11]，故本文設(shè)計(jì)的安全電源以UC3844作為PWM（脈寬調(diào)制）控制芯片。

輸入的市電經(jīng)過(guò)輸入保護(hù)及濾波電路處理之后變?yōu)橹绷麟姽┙o其后的芯片啟動(dòng)電路和單短反激式變換電路，其中芯片啟動(dòng)電路部分的前端為電磁開(kāi)關(guān)（RELAY2），其作用是在芯片啟動(dòng)前保持導(dǎo)通狀態(tài)保持啟動(dòng)電路的通暢，使安全電源在剛通電時(shí)能順利啟動(dòng)控制芯片[12]，啟動(dòng)后保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，在芯片啟動(dòng)正常工作后斷開(kāi)通路，以防止后續(xù)的R150、R11、R155大功率分壓電阻因長(zhǎng)時(shí)間工作而大量發(fā)熱以及保護(hù)后面啟動(dòng)電路的其他元器件。芯片啟動(dòng)電路中R150、R11、R155大功率電阻的作用是分壓使得控制芯片UC3844（U5）的7管腳處電壓滿足芯片的啟動(dòng)要求。芯片啟動(dòng)電路部分的末端為限流電阻R88與電容C72構(gòu)成的軟啟動(dòng)電路，由于電源的輸入電路采用了加電容濾波電路，在輸入開(kāi)始的一瞬間由于電容器上的初始電壓為0，會(huì)產(chǎn)生很大的瞬瞬時(shí)沖擊電流，故設(shè)置軟啟動(dòng)電路防止沖擊電流。

控制芯片U5的4管腳端接入由R48和C75組成的振蕩電路，其功能是產(chǎn)生控制MOSFET（MOS1）通斷所需頻率，其頻率f=1.8/RC，由控制芯片U5的6管腳經(jīng)限流電阻R156后輸出對(duì)MOS1進(jìn)行通斷控制，并且并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管D36保護(hù)功率MOSFET。

控制芯片U5的3管腳是電流比較器同相輸入端，接入電流采樣輸入VS端，引入電流反饋信號(hào)與1管腳的電壓誤差信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)PWM波，由于電流比較器輸入端設(shè)置了電流閾值，可以控制PWM波的關(guān)斷與保持，所以可以精確的控制最大輸出電流，以達(dá)到限制電源電流在所需安全范圍內(nèi)。

圖2 輸入保護(hù)及濾波電路圖

圖3 PWM控制芯片及其他輔助電路圖

1.2.3 光耦反饋調(diào)節(jié)電路

光耦反饋調(diào)節(jié)電路圖，見(jiàn)圖4?？刂菩酒琔5的8管腳輸出為其內(nèi)部5 V基準(zhǔn)電壓，為光耦副邊的三極管提供偏壓?？刂菩酒琔5的1管腳與2管腳為其內(nèi)部電壓比較器的反向輸出與輸入端[13]，其功能是對(duì)電源輸出進(jìn)行PI（比例積分調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)[14]。電壓反饋采用具有隔離效果的光耦反饋調(diào)節(jié)模式，選擇三端可控基準(zhǔn)源TL431C（U10）反饋誤差電壓，并放大誤差電壓，驅(qū)動(dòng)線性光耦PC14的原邊發(fā)光二級(jí)管，使光耦副邊的三極管得到反饋電壓，輸入控制芯片U5的誤差放大器對(duì)MOSFET的通斷時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)以及接入U(xiǎn)6（UPA609）對(duì)電源進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

安全電源輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖5。圖5所示“1”部分為安全電源輕載時(shí)輸出波形圖，由示波器測(cè)得電源輸出電壓為24 V，紋波有效值為180 mV，根據(jù)紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓得出，安全電源輕載[15]時(shí)紋波系數(shù)=0.18/24=0.75%；“2”部分為安全電源搭載中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)正常工作時(shí)輸出波形圖，由示波器測(cè)得電源輸出電壓為24 V，紋波有效值為220 mV，根據(jù)紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓得出[16]，安全電源輕載時(shí)紋波系數(shù)=0.22/24=0.92%；“3”部分為安全電源輕載時(shí)占空比波形圖，由示波器測(cè)得此時(shí)占空比為8.3%；“4”部分為安全電源搭載中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)正常工作時(shí)占空比波形圖，由示波器測(cè)得此時(shí)占空比為35.4%。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果知，安全電源正常工作時(shí)輸出紋波系數(shù)小于1%，性能良好；占空比小于50%，可以有效的防止開(kāi)機(jī)瞬間或負(fù)載短路時(shí)變壓器可能出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，安全性良好。

圖4 光耦反饋調(diào)節(jié)電路圖

圖5 安全電源輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

2 結(jié)語(yǔ)

該安全電源能正常穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作，且輸出文波系數(shù)小于1%、散熱量小，同時(shí)擁有精確的限流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)以、防止開(kāi)機(jī)瞬間或負(fù)載短路時(shí)變壓器飽和以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等安全防護(hù)功能，能在漏氧的環(huán)境下安全正常的工作，即使發(fā)生故障也不會(huì)有引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)，具有良好的穩(wěn)定性、安全性和實(shí)用性。能顯著提高醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)段的安全系數(shù)和實(shí)用價(jià)值，有利于提高醫(yī)院中心供氧的智能化管理水平。

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Design of Safety Power Supply Based on Hospital Central Oxygen Supply Monitoring System

ObjectiveTo design a set of safety power supply for hospital central oxygen supply monitoring system.MethodsThrough the safety circuit design, circuits such as over-current protection, overvoltage protection, optical coupling isolation feedback control circuit, remote monitoring interface were designed, which guarantee protection functions of accurate current limiting protection, over voltage, overload and remote monitoring.ResultsThe safe power supply can work stably for a long continuous time, and the output ripple is less than 1%. The over-current protection and overload protection circuits can work properly to guarantee the safety of the power supply.ConclusionThe safe power supply can offer power to the hospital central oxygen supply monitoring system properly, and can work stably in the condition of oxygen leakage. Even if malfunction happens, it will not cause f re. This design can signif cantly improve the machine safety coeff cient and the practical value of the hospital center oxygen supply monitoring system, helping to improve intelligent management level of hospital central oxygen supply monitoring system.

oxygen supply monitoring system; safety power supply; central oxygen supply

ZHOU De-qiang, YAN Le-xian, CHANG Fei-ba, WEI An-hai, LI Shu-ying, YIN Jun
Department of Medical Engineering, Research Institute of Surgery, Daping Hospital Third Military Medical University, Chongqing 400042, China

TH778

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.033

1674-1633(2016)12-0120-04

2016-05-18

2016-06-24

尹軍，高級(jí)工程師。研究方向：醫(yī)療設(shè)備與耗材的管理及醫(yī)療儀器研發(fā)。

通訊作者郵 箱：gaiety@126.com