李寧，符江，姚榮強(qiáng)，肖愛農(nóng)，董笑語(yǔ)，徐素文

（1.航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽(yáng)，441003；2.株洲宏達(dá)電子股份有限公司，湖南株洲，412000）

0 引言

某型直升機(jī)醫(yī)療救護(hù)單元用于中、重癥傷病員航空醫(yī)療后送、生命體征監(jiān)測(cè)和緊急救治。醫(yī)療救護(hù)單元具備同時(shí)救治2 名傷病員的能力，滿足傷病員后送途中生命體征監(jiān)護(hù)、心電除顫、機(jī)械通氣、加壓輸液、負(fù)壓吸引等急救功能需求。

醫(yī)療救護(hù)單元電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為適應(yīng)機(jī)上28V電壓變化，并為除顫監(jiān)護(hù)儀、負(fù)壓吸引器，輸液泵、呼吸機(jī)和照明燈等設(shè)備供電，這些設(shè)備因各個(gè)用電設(shè)備的電源特性不同，機(jī)上電源需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和設(shè)計(jì)滿足電壓特性要求和供電兼容性要求。為有效保障醫(yī)療救護(hù)設(shè)備系統(tǒng)正常工作，需在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮供電能力和質(zhì)量，醫(yī)療救護(hù)單元分布式電源系統(tǒng)的優(yōu)劣會(huì)直接影響設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)整體基于“通用化”“組合化”“系列化”設(shè)計(jì)原則，同時(shí)考慮整體設(shè)計(jì)的可靠性、工藝裝配復(fù)雜性和內(nèi)部空間利用的最大化，在總體方案設(shè)計(jì)選擇上，選擇采用標(biāo)準(zhǔn)成熟電源模塊和分立器件混合搭建的技術(shù)方案。采用標(biāo)準(zhǔn)、成熟電源模塊可以大大降低設(shè)計(jì)技術(shù)難度、復(fù)雜度和工藝組裝生產(chǎn)的出錯(cuò)概率，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。而采用分立器件的搭建，可以合理利用內(nèi)部空間體積，針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品復(fù)雜功能性設(shè)計(jì)。其中七路功率轉(zhuǎn)換電路采用標(biāo)準(zhǔn)、成熟的電源模塊，降低電路復(fù)雜度。其他元器件按照使用環(huán)境和功耗進(jìn)行分析和選用，例如電容的選擇，滿足降額的條件下，相同容值的電容，盡可能選擇相同的型號(hào)和封裝大小，減小元器件種類。

2 功率變換和降額設(shè)計(jì)

3 電路設(shè)計(jì)

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要輸入尖峰抑制電路及輸入防反接電路、輸入電流浪涌抑制電路、DC/DC 轉(zhuǎn)換電路和輸出濾波電路7 路功率（Vo1/150W、Vo2/110W、Vo3、Vo4/12W、Vo5/65W、Vo6/25W、Vo7/25W)模塊轉(zhuǎn)換電路以及輸出濾波電路組成，組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。

圖1 電路組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

■3.1 輸入尖峰抑制電路及輸入防反接電路

輸入尖峰抑制電路及輸入防反接電路見圖2，尖峰抑制電路主要由TVS 管D1 來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)TVS 管與28V 電源并聯(lián)，將輸入尖峰電壓鉗位在要求的范圍，避免對(duì)用戶的系統(tǒng)造成破壞，對(duì)電源組件內(nèi)部的器件也起到一定的保護(hù)作用。輸入尖峰電壓通過(guò)TVS 管將鉗位在要求的范圍，此TVS 管峰值功率最大為5KW，鉗位電壓85V，試驗(yàn)項(xiàng)設(shè)備內(nèi)阻80R，電流,瞬態(tài)功率，器件選型滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 尖峰抑制和防反接電路

輸入防反接電路由MOS 管Q14，Q15，Q16 以及外圍驅(qū)動(dòng)電路組成，使用N 溝道MOS 開關(guān)，設(shè)置在輸入低端，通過(guò)輸入電壓正端為MOS 驅(qū)動(dòng)供電；僅當(dāng)輸入正負(fù)正向接入時(shí)，MOS 開關(guān)才會(huì)打開，為后級(jí)提供電源；反接時(shí)，無(wú)法驅(qū)動(dòng)MOS 打開，可以起到防反接作用。防反接MOS 管電特性參數(shù)為100V/80A，RDS(ON)=6.6mR；當(dāng)產(chǎn)品輸入電壓28V 時(shí)，滿載工作電流在20A 以內(nèi)，小于MOS 最大電流80A；MOS 耐壓100V 大于端鉗位電壓85V；同時(shí)為降低導(dǎo)通損耗，采用三顆并聯(lián)。

■3.2 輸入電流浪涌抑制電路

輸入經(jīng)過(guò)尖峰抑制和輸入防反接電路后，通過(guò)電流浪涌抵制電路，見圖3，因后級(jí)DC/DC 模塊輸入端有大容量濾波電容，產(chǎn)品在輸入端上電初期會(huì)對(duì)電容充電，產(chǎn)生很大的沖擊電流，對(duì)輸入供電設(shè)備會(huì)造成影響。

圖3 輸入電流浪涌抑制圖

為有效降低沖擊電流采用由功率電阻 R284、R297、R298、Q12、Q13、Q17 及其外圍驅(qū)動(dòng)和延時(shí)電路組成電流浪涌抑制電路。產(chǎn)品剛上電時(shí)，MOS 管Q12、Q13、Q17 因延時(shí)不導(dǎo)通，輸入電流先經(jīng)功率電阻R284，R297，R298 給后級(jí)電容預(yù)充電；電阻選用株洲宏達(dá)RSS-3W-15R型，可將浪涌脈沖電流抑制在范圍內(nèi)；預(yù)充時(shí)間由VCC 電壓通過(guò)電阻R281 對(duì)電容C202 充電控制；當(dāng)后端濾波電容經(jīng)功率電阻 R284、R297、R298 充滿電后，MOS 管Q12、Q13、Q17 導(dǎo)通旁路掉功率電阻降低在路阻抗，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)脈沖電流，從而實(shí)現(xiàn)浪涌抑制功能。

■3.3 輸入EMI 電路

為滿足機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和電磁兼容性，輸入端設(shè)計(jì)EMI 濾波電路，原理圖見圖4。

圖4 輸入EMI 濾波電路圖

此EMI濾波電路主要由X電容，Y電容，共模電感等組成，能夠衰減DC/DC 變換模塊電路產(chǎn)生的差模和共模干擾信號(hào)。電源模塊開關(guān)頻率設(shè)計(jì)為300kHz，高次諧波主要集中在500kHz～30MHz，EMI 濾波電路由兩級(jí)共級(jí)電感，Y 電容，X 電容組成，能夠有效衰減電源產(chǎn)生的差模和共模干擾信號(hào)，及阻止產(chǎn)品干擾信號(hào)對(duì)外部的干擾，同時(shí)也有效防止外部干擾源對(duì)產(chǎn)品自身的影響。濾波X 電容（C29、C28、C 3 0、C 3 1、C 3 2、C 3 3、C34、C35、C36)采用低ESR 大容量瓷介電容并聯(lián)，濾波Y 電容（C41、C39、C1、C7、C6、C2)選用高壓瓷介電容，滿足安全性要求。

■3.4 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路和輸出濾波電路

DC/DC 轉(zhuǎn)換電路和輸出濾波電路以第一路為例，第一路由DC/DC 變換模塊和輸出濾波電路組成，電路圖見圖5。模塊輸出功率200W 實(shí)現(xiàn)28V/12V 電壓轉(zhuǎn)換，電感L10 最大損耗為：

圖5 第一組DC/DC 變換器電路圖

其他路輸出損耗依次為：

P7=I^2*R=1^2*0.010=0.01W，不需做輔助散熱，滿足要求。

輸出濾波電路由共模電感L10 和Y 電容C31、C32 組成，主要是為了減小由于DC/DC 隔離轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的紋波電壓，同時(shí)也能有效吸收DC/DC 隔離轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的共模噪聲。

■3.5 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

該電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的EMC 設(shè)計(jì)，主要是減少干擾源產(chǎn)生的干擾和抑制干擾信號(hào)的傳輸路徑，干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路中的高和回路處。采用了加吸收電路、濾波、布線、屏蔽、接地、密封等技術(shù)減少和抑制干擾。在器件布置方面，對(duì)高頻、大電流回路采用粗和短的布線，減少高頻回路的面積；輸入與輸出無(wú)交叉布線；信號(hào)地與功率地分開設(shè)計(jì)，采用單點(diǎn)接地方式；公共地線盡可能加粗，去耦電容盡量靠近芯片的電源引腳和地線引腳；采用低ESR（等效串聯(lián)電阻)的電容濾波；增加Y電容等。封裝采用金屬外殼，并且外殼接地屏蔽，具有很好的屏蔽作用。

■3.6 熱設(shè)計(jì)

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，最重要的就是熱設(shè)計(jì)，需要在技術(shù)上采取措施限制元器件的溫升。溫度是影響DC/DC 變換器可靠性最重要的因素。DC/DC 變換器內(nèi)部的溫度超過(guò)極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。在設(shè)計(jì)時(shí)：一是減少發(fā)熱量，選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加粗導(dǎo)體線的寬度，提高電源的效率；二是加強(qiáng)散熱，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了合理的工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)熱元件均勻分布，防止熱點(diǎn)集中，以利于散熱，多層PCB 內(nèi)層地大面積鋪銅，提高散熱效果和熱容量，通過(guò)外加風(fēng)扇、灌導(dǎo)熱膠以及金屬外殼導(dǎo)熱等方式加快功率器件的熱傳導(dǎo)；主要發(fā)熱器件均勻分布，防止熱源集中。為了優(yōu)化產(chǎn)品的散熱性能，產(chǎn)品外加散熱槽的方式加速散熱，金屬外殼導(dǎo)熱向外界散熱，和周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到熱平衡。

■3.7 接地和搭接設(shè)計(jì)

某型直升機(jī)醫(yī)療救護(hù)單元電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使用的電源是飛機(jī)28V 電源，產(chǎn)品次級(jí)電源采用DC/DC 隔離變換器輸入到產(chǎn)品內(nèi)部，與主電源正負(fù)隔離，不返回飛機(jī)；產(chǎn)品的殼體設(shè)計(jì)在固定螺釘安裝位置進(jìn)行導(dǎo)電陽(yáng)極化處理，保證通過(guò)螺釘接地到機(jī)架上；產(chǎn)品的殼體和安裝機(jī)架采用相同金屬材料，保證搭接最佳。如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)示意圖

■3.8 結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)

考慮到產(chǎn)品需在抗機(jī)械振動(dòng)、抗沖擊和熱環(huán)境條件下能正常工作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電路基板采用多層PCB 基板，采用Tg（玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度)高達(dá)170℃的基板材質(zhì)，耐高溫，不易變形，具有很好的抗機(jī)械沖擊性能，貼片元器件采用全自動(dòng)表面貼裝，雙面回流焊工藝；變壓器、MOS 管、BULK 電容等功率型器件采用點(diǎn)膠固定的方式固定在PCB 板或者外殼上，電源內(nèi)部輸入、輸出線材選用耐高溫、耐大電流的鍍銀線，并用熱縮套管或者扎帶扎緊，管殼與基板之間采用螺釘鎖固，電路管殼與蓋板之間導(dǎo)電膠條進(jìn)行電磁密封，外殼采用全鋁結(jié)構(gòu)，全密封灌膠，同時(shí)在連接法蘭位置需布置緩震墊片進(jìn)行隔振，具有非常好的機(jī)械強(qiáng)度性能管。

4 結(jié)論

醫(yī)療救護(hù)單元電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用分立器件加模塊化組合的方案匹配機(jī)上28V 電壓變化，有效保障醫(yī)療救護(hù)設(shè)備系統(tǒng)正常工作，其優(yōu)劣會(huì)直接影響設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)醫(yī)療救護(hù)單元電源系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)及各項(xiàng)要求對(duì)電路進(jìn)行詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，充分考慮供電能力和質(zhì)量。必須將多種理論和實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合，在深入分析理論的基礎(chǔ)上，引入新材料、新技術(shù)、新工藝，進(jìn)行降額設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)、功能容限設(shè)計(jì)以及屏蔽設(shè)計(jì)等，從而實(shí)現(xiàn)電源的科學(xué)性和先進(jìn)性設(shè)計(jì)。