馬繼鵬，趙楊，李德龍，孔德友

濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備處，山東 濟(jì)寧 272000

引言

電源是醫(yī)療電子設(shè)備的重要組成部分，其工作穩(wěn)定性直接決定了醫(yī)療設(shè)備的正常功能和使用安全，醫(yī)療設(shè)備對(duì)電源的穩(wěn)定性、可靠性有更高的要求，醫(yī)療設(shè)備中的電源主要分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源兩部分。線性電源由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓這四部分組成，具有穩(wěn)定性好、可靠性高、輸出電壓精度高和輸出紋波電壓小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是體積大、重量大、效率低。開關(guān)電源一般由整流、逆變、濾波、穩(wěn)壓這四部分組成，通過電源控制芯片輸出可調(diào)寬度的信號(hào)來控制功率器件的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了輸出電壓大小的控制。優(yōu)點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、對(duì)電網(wǎng)電壓要求不高，缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜、輸出紋波和噪聲成分較大[1]。

掌握電源的維修方法可以提高對(duì)醫(yī)療設(shè)備維修的及時(shí)性、降低醫(yī)院開支、更好的為臨床服務(wù)，下面對(duì)工作中遇到的電源維修案例進(jìn)行闡述。

1 維修案例

1.1 故障一

1.1.1 故障現(xiàn)象

威力電刀FX-8C使用一段時(shí)間后電切報(bào)警“161”，電凝報(bào)警“159”或“163”，不報(bào)警時(shí)使用高頻電刀參數(shù)檢測(cè)工具QA-ESIII檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)輸出功率值只有設(shè)置值的50%，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求為20%誤差，功率輸出不達(dá)標(biāo)。

1.1.2 故障分析

該型號(hào)電刀的電源可分為低壓電源和高壓電源兩部分，其中低壓電源部分實(shí)現(xiàn)交流220 V交流變壓為5 V和正負(fù)12 V直流，為主控制器和各運(yùn)算放大器供電。高壓電源部分實(shí)現(xiàn)交流電220 V轉(zhuǎn)換為直流電壓的0～180 V直流可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)電刀輸出功率的可調(diào)[2]。

高壓電源電路部分如圖1所示，交流220 V電壓經(jīng)過整流變?yōu)橹绷?00 V，分別加到Q1、Q5的集電極，通過控制4個(gè)N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管IRF840的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)逆變。其中Q1、Q4是一組，Q3、Q5是一組交替導(dǎo)通關(guān)閉。T1A_DRIVE和T1C-DRIVE驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過隔離變壓器控制場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)，交替導(dǎo)通兩組開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)直流電壓逆變?yōu)榻涣麟?，然后加載到高頻變壓器T3的初級(jí)，經(jīng)過升壓后再整流濾波，形成直流高壓電源[3]。通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖占空比、脈沖重復(fù)周期等參數(shù)實(shí)現(xiàn)高壓直流電壓的0～180 V可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的可調(diào)[4]。

圖1 威力Force-8C電刀高壓電路圖

1.1.3 故障處理

測(cè)量+HVDC（高直流電壓源）端發(fā)現(xiàn)其工作電壓偏低，整流橋CR80輸入輸出電壓300 V直流為正常值，測(cè)量高壓電路的開關(guān)管MOSFET IRF840，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管被擊穿，導(dǎo)致全橋整流電路，變?yōu)榱税霕蛘麟娐?，使得輸出電壓降低，這也解釋了故障時(shí)輸出功率只有設(shè)置功率50%的原因。后更換開關(guān)管Q2、Q3之后，用電刀參數(shù)檢測(cè)儀進(jìn)行了測(cè)試，功率輸出恢復(fù)正常，并不再報(bào)故障代碼。

1.2 故障二

1.2.1 故障現(xiàn)象

美國(guó)偉倫導(dǎo)光頭燈有時(shí)無法點(diǎn)亮，有時(shí)可點(diǎn)亮，但工作一段時(shí)間后就熄滅。

1.2.2 故障分析

頭燈結(jié)構(gòu)可分為低壓電源、高壓升壓、燈泡三部分。低壓電源部分是開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)把220 V交流轉(zhuǎn)換為16 V直流，高壓升壓部分是把16 V直流升壓為高壓，此高壓用于激活氙燈內(nèi)部的惰性氣體，然后再轉(zhuǎn)換到直流16 V低壓供電。

16 V直流電壓是由輸入220 V交流電經(jīng)過整流-濾波-逆變-整流-濾波得到的，其中逆變部分是由電源管理芯片UC3842控制監(jiān)測(cè)的[5]。其內(nèi)部原理圖如圖2所示，各引腳的描述如表1所述。

圖2 UC3842芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 UC3842芯片管腳功能簡(jiǎn)介表

1.2.3 故障處理

首先斷開低壓與高壓電路板的連接，開機(jī)后發(fā)現(xiàn)有斷斷續(xù)續(xù)的滴答聲，接上示波器觀察，發(fā)現(xiàn)電源板輸出電壓是鋸齒波（圖3）。通過測(cè)量UC3842的5腳參考電壓，發(fā)現(xiàn)也為鋸齒波，測(cè)量芯片7腳啟動(dòng)電壓，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)電壓是正常的，測(cè)量過流保護(hù)電路的取樣電阻為正常值，沒有產(chǎn)生變值[7]。通過以上判斷為電源管理芯片損害的概率較大，更換電源管理芯片UC3842后電壓輸出穩(wěn)定，維修完成。UC3842的位置如圖4所示。

圖3 UC3842所在電路板位置

圖4 故障電路板更換電源管理芯片UC3842

1.3 故障三

1.3.1 故障現(xiàn)象

PET-CT室的輻射劑量檢測(cè)儀不能開機(jī)。

1.3.2 故障分析

儀器內(nèi)置9 V蓄電池供電，該輻射劑量檢測(cè)儀屬于手持低功耗設(shè)備，穩(wěn)壓芯片要求有較低的靜態(tài)工作流，單片機(jī)要有低功耗設(shè)計(jì)，不用時(shí)進(jìn)入低功耗模式，節(jié)省電量消耗。輻射劑量分析儀故障芯片位置如圖5所示。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)單片機(jī)無供電，晶振無法振蕩，判斷為電源故障，單片機(jī)供電為3.3 V，由電池9 V轉(zhuǎn)化而來，這是由芯片MAX882低壓差穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)的[8]，其典型應(yīng)用電路圖如圖6所示。

圖5 輻射劑量分析儀故障芯片位置

圖6 MAX882芯片參考電路圖

MAX882芯片結(jié)構(gòu)如圖7所示，電池低電量比較器輸入端，可通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置報(bào)警電壓。分壓后跟內(nèi)部1.2 V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)小于1.2 V時(shí)，控制開關(guān)管導(dǎo)通，使得低電量輸出端連接到地，通過上拉電阻連接電壓，單片機(jī)檢測(cè)該腳的電壓，從而檢測(cè)電池電量并進(jìn)行報(bào)警。待機(jī)控制引腳，低電平有效，通過邏輯控制關(guān)斷芯片輸出，此時(shí)靜態(tài)工作電流只有1 μA。芯片內(nèi)部有溫度傳感器，過熱時(shí)通過邏輯控制關(guān)斷芯片輸出。誤差放大器對(duì)輸出電壓和參考電壓進(jìn)行比較并放大，然后動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓和輸出電流，使得芯片輸出穩(wěn)定。雙模式比較器設(shè)置端接地時(shí)，可使用內(nèi)置的分壓電阻，直接得到3.3 V，不接地時(shí)，可通過外接分壓電阻，獲得想要的輸出電壓。內(nèi)置P溝道的MOSFET，可降低靜態(tài)電流和工作時(shí)的基極驅(qū)動(dòng)電流。內(nèi)置回返電流控制可以檢測(cè)基極門電壓，估算流過MOSFET的電流，并限制電流輸出，保護(hù)芯片[9]。

圖7 MAX882芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3.3 故障處理

檢查發(fā)現(xiàn)輸入9.9 V正常，外圍電路器件正常，但無輸出，判斷為該芯片MAX882損壞，更換芯片后供電正常，芯片位置為圖8圓圈標(biāo)記所示。

圖8 血濾機(jī)二級(jí)電源板

1.4 故障四

1.4.1 故障現(xiàn)象

百特Aquarius連續(xù)性血濾機(jī)在開機(jī)后自動(dòng)關(guān)機(jī)，無法進(jìn)入工作界面。

1.4.2 故障分析

二級(jí)電源板指示燈有異常，二級(jí)電源板實(shí)現(xiàn)把初級(jí)電源輸出的24 V直流，轉(zhuǎn)換為5.2、14.7、12.3、15、-15、7.76 V六種直流電壓，然后給主板使用，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)7.76 V電壓沒有輸出，該電壓是由L5973D降壓實(shí)現(xiàn)的，其在二級(jí)電源板的位置如圖8所示。

L5973D是輸出開關(guān)電流為2.5 A的降壓開關(guān)穩(wěn)壓芯片，其直流輸出電流能力可達(dá)2 A以上，輸入電壓范圍為4～36 V，輸出電壓范圍在1.235～35 V之間可調(diào)節(jié)，固定開關(guān)頻率為250 kHz，具有熱保護(hù)和反饋斷開保護(hù)功能[10]，其典型電路如圖9所示，1腳為輸出端，C1為輸入電容，C2為輸出電容，起到濾波作用，用于保持輸入輸出電壓的穩(wěn)定；2腳是主從同步控制端，通過時(shí)序控制上電順序；3腳是使能端，低電平使能該芯片；4腳是補(bǔ)償端，接RC電路，用于頻率補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出；5腳是反饋輸入端，通過外接電阻獲得想要的輸出電壓；6腳是參考電壓端；7腳是地；8腳是電源輸入端，連接芯片內(nèi)部開關(guān)管的集電極[11]。

圖9 L5973D參考電路圖

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)電壓是24 V電壓，經(jīng)內(nèi)部開關(guān)管的集電極、發(fā)射極、外部?jī)?chǔ)能電感L1、電容C2、接地構(gòu)成回路，芯片輸出電流在C2上建立直流電壓，電感自感應(yīng)出左正右負(fù)的電動(dòng)勢(shì)。在當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)，電流突然減小，因?yàn)殡姼杏芯S持電流不變的特性，自感出右正左負(fù)的脈沖電壓，電感右端的電壓經(jīng)濾波電流C2，續(xù)流二極管D1，回到電感L1的左端，構(gòu)成回路，繼續(xù)提供電流輸出，從而使得在開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電流也能連續(xù)提供。D1為肖特基二極管，快速反向恢復(fù)時(shí)間短，適合低功耗、大電流、超高速的應(yīng)用[12]，也是易被擊穿的器件。

1.4.3 故障處理

芯片L5973D損壞，續(xù)流二極管D1擊穿，更換器件后設(shè)備正常。

2 討論與總結(jié)

本文針對(duì)工作中遇到的醫(yī)療設(shè)備維修案例，進(jìn)行設(shè)備原理，電路原理及芯片結(jié)構(gòu)功能的講解，與同行分享醫(yī)療設(shè)備的維修經(jīng)驗(yàn)，共同學(xué)習(xí)進(jìn)步，在面對(duì)電源故障時(shí)一般根據(jù)優(yōu)先級(jí)需要排查以下幾點(diǎn)：① 大功率開關(guān)管故障；② 低壓差穩(wěn)壓芯片及開關(guān)電源芯片故障；③ 電源控制芯片故障，無法輸出穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的信號(hào)；④ 自啟動(dòng)電路故障，導(dǎo)致電源管理芯片無法啟動(dòng)成功；⑤ 外接電容電阻變值導(dǎo)致振蕩電路、取樣電路等故障；⑥ 保護(hù)電路故障，如過流保護(hù)電路或過壓保護(hù)電路被觸發(fā)后導(dǎo)致電源管理芯片停止工作，之后又重新啟動(dòng)[13]。

維修過程中的注意事項(xiàng)包括：功率器件因發(fā)熱量大，對(duì)散熱要求較高，如果散熱不好，器件易損壞，功率器件更換后要注意散熱片，導(dǎo)熱硅脂，散熱風(fēng)扇的功能是否正常，必要時(shí)要更換，另外要及時(shí)清理設(shè)備內(nèi)部的灰塵，清洗濾網(wǎng)提高散熱效果。要注意防靜電措施，帶橡膠手套或防靜電手環(huán)，禁止帶電操作、帶電焊接。

設(shè)備維修后的注意事項(xiàng)包括：維修后要有充分的試運(yùn)行時(shí)間，保證設(shè)備的功能完好，并使用電刀分析儀，電氣分析儀等專業(yè)質(zhì)控儀器對(duì)維修后的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行質(zhì)控，使得電氣參數(shù)和功能參數(shù)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。保證臨床醫(yī)療設(shè)備的電氣安全和功能完好[14-15]。