一種醫(yī)療儀器電源的維修方法

【作 者】黃瑞生，陳樂鳴，王永國

1 佛山市禪城區(qū)南莊醫(yī)院 ，佛山市，528061

2 浙江大學生物醫(yī)學工程系，杭州市，310027

0 引言

醫(yī)療儀器中的電源，首先要滿足在電網或負載變化時的恒壓或恒流的作用。另外，能提供儀器中各種元器件的供電要求，并且有盡可能小的電磁干擾和噪聲，同時具備各種過載與欠壓的保護措施。線性電源雖能滿足上述需求，但鑒于其體積笨重、效率低下，從20世紀50年代開始逐步被開關電源所替代。現(xiàn)在的有源醫(yī)療設備中，無論是恒壓還是恒流，幾乎都采用了開關電源。以下用金寶血透機AK200電源為例，介紹我們分析故障現(xiàn)象和最終排除故障的解決方法。

1 電路分析與維修方法

1.1 電路分析

金寶血透機AK200 型的電源由瑞士制造，機型為K18004.002 Gambro。機器內部有 ① 功率因數(shù)控制器；② 一組24 V主電源、一組24 V副電源和一組12 V電源；③ 各種過載保護電路及啟動電路。

在維修時首先按機器的PCB（電源板子）畫出實際的電路圖，如圖1所示。這是一個以UC3844為主芯片PWM控制的開關電源，屬他激式正激勵。由于采用了正激勵方法，為了減少開關管關斷時的高反相脈沖損壞開關管，電路采用了雙VMOS管（V10，V21）串聯(lián)的接法。用V34和V35一對互補的晶體管做功率VMOS管的驅動。V24是 V21的驅動晶體三極管，以實現(xiàn)V21與V10的同步開和關。T1是高頻變壓器，初級線圈隨VMOS導通電流增加時，次級感應的電壓使V15a導通；V21與V10關斷時L4的反電動勢讓V15b導通。這是一種經典的正激勵電路。整流濾波后供+24 V主電源輸出， N2（TL431）用于主電源的采樣基準(2.5 V)，采樣電阻是R64、R65和R41。設計的輸出電壓為：2.5 (R14+R65+R41)/R41=2.5(18+1+2.2)/2.2=24.09 (V)。

圖1 K18004.002 Gambro 部分電路圖Fig.1 Partial circuit diagram of K18004.002 Gambro

若某種原因輸出電壓升高時，R41對信號地電壓超過2.5 V，經N2的基準2.5 V比較后，N2的陰極和陽極之間電流增加，H3光耦發(fā)光管導通，N4芯片⒁腳VFRE 的5伏電壓通過光耦的光敏管加到N4的⑶腳Vfb端，此端電壓上升，芯片輸出占空比縮小，輸出電壓隨之下降，反之亦然。LR電感既當濾波用，又利用電感的內阻0.01 Ω充當過流保護的采樣電阻，LR采樣端連接N3A（LM393比較器）的反相端(2)腳，N3A正相端(3)腳對信號地的電壓為：12×R21/(R21+R35)=12×0.120/(10+0.12)=0.142(V)，如果主電源輸出電流超過0.142/0.01=14.2 (A)，(由于電感LR的直流電阻測量有誤差，過流保護值在15 A左右)。N3A反相端(2)腳對信號地電壓會超過0.142 V，N3A(1)腳輸出低電位，H3光耦同樣導通，N4芯片輸出占空比同樣會縮小，使輸出限流。N3b是輸出過壓保護器，同相端(5)腳對信號地的電壓是穩(wěn)壓管5.1 V，主電源過壓輸出保護值為5.1×(R49+R46)/R46=5.1(4.7+1)/1=29.07 V。如果主電源電壓輸出超過29.07V時，會使N3b的反相端⑹腳電壓超過5.1 V，N3b比較器反轉，N3b⑺腳輸出電壓接近信號地水平，光耦H2導通，N4的⑴腳COMP端通過R30和光耦H2光敏管接地，使N4的(1)腳電位下降，N4芯片輸出占空比縮小，最終使開關變壓器次級電壓下降，起到了過壓保護的作用。N10A是功率散熱器過熱保護比較器。RT的常溫值是100 K，是一個負溫度系數(shù)的電阻，固定在鋁散熱器上。RT接在比較器N10A的反相端(2)腳，將N6（7815）輸出的電壓與R42對地進行分壓，N10A同相端對地的電壓是(15-0.7)R3/(R1+R3)=14.3×33/(33+33)=7.15 (V)，正常情況下另一個UC3844芯片的開關電源副邊電壓經N6（7815）輸出15 V電壓，減去PN結0.7 V電壓，這14.3 V的電壓經RT和R2分壓后加在N10A的反相端(2)腳上，N10A比較器的輸出端⑴腳通過V37-1，V37-2，與上拉電阻R66和N4的(14)腳的5 V相連。正常工作時RT的值大于47 K，N10A同相端對地電壓高于反相端對地電壓，N10A(1)腳內部輸出集電極呈高阻狀態(tài)，即N10A(1)腳對地為高電位，BG10不導通，若散熱器的溫度升高到使RT的值小于R2(47 K)，此時N10A反相端(2)腳對地的電壓14.3V×R2/(R2+RT)將大于7.15 V，比較器反轉，N10A(1)腳輸出為低電位，BG10的基極電流經R7，V37-1和N10A輸出⑴腳到地形成回路，BG10導通，N4的過流保護端(5)腳經BG10的c-e與N4(14)腳的+5 V相連，N4輸出關斷，起到過熱保護作用。N9A(LM393)是一個啟動比較器。N9A的同相端對信號地的電壓為12×R43/(R42+R43)=12×1/(10+1)=1.09(V)，N9A的反相端經R44接信號地，在節(jié)點上又與R62、HALT按鈕串聯(lián)至REMO端。如果血透機主機不給REMO端控制電壓，那么N9A的反相端對信號地為0 V，N9A⑴腳內部的輸出集電極為開路狀態(tài)，即N9A(1)腳對信號地呈高電位，副電源通過N13(7812)輸出的+12 V電壓經R45，使光耦H5的發(fā)光管與信號地之間產生電流，光耦H5光敏管導通，V37-1與V37-2節(jié)點處通過H5的光敏管接地，BG10導通，N4輸出關斷，主電源+24 V沒有輸出。如果主機在REMO端和信號地之間加上+5 V電壓，N9A反相端對信號地的電壓大于1.09 V，N9A的輸出端⑴腳為信號地水平，光耦H5(CNW82)關斷，BG10截至，N4正常啟動并工作。

1.2 故障實例分析

實例1 故障現(xiàn)象：機器保險絲燒毀。經查，V10的D-S短路，V21的D-S阻值只有幾十歐，R24開路，V34的C-E阻值只有幾十歐。

分析：功率MOS管D-S擊穿時，其柵極和漏、源極之間也會擊穿，因此R24會燒毀，V34驅動晶體管也會燒毀。

維修：更換各損壞的元器件。BUZ330的VDS為500 V，ID為9.5 A，RDS為0.6Ω（ON）。市場上能買到的功率場效應管是IRFP450，該功率MOS管的VDS為500 V，ID為14 A，RDS為0.4 Ω（ON），完全能替代BUZ330。再更換貼片封裝的R24，用1N4746替代V-3和V-4，用貼片封裝的晶體三極管8050和8550替代V35和V34，更換14腳貼片封裝的UC3844芯片N4，對損壞部分元件基本更新。換上3 A的保險絲通電試驗，+388 V對地電壓正常，說明功率因數(shù)控制器工作正常。X接口處的副電源+24 V正常，對信號地+12 V電源正常，說明副電源工作正常。主電源24 V輸出為零，說明啟動比較器工作正常。在REMO端和信號地之間接上5 V電源，主電源對信號地+24 V電源輸出正常。機器修理完畢。

實例2 故障現(xiàn)象：機器能正常開機，但經機器面板的觸摸屏卻無法關機，只能通過插拔后面的220 V交流電源線才能關機。

經查：開機時，+388 V對地電壓正常，X接口處的副電源+24 V正常，對信號地+12 V輸出正常，但+24 V主電源輸出處亦有+24 V輸出。

分析與維修：功率因數(shù)控制器正常，兩組UC3844芯片控制的開關電源也基本正常，故障應該在啟動電路上。將H5光敏管C-E極短路，主電源+24 V對信號地輸出為零，說明BG10完好，故障可能在N9上，但更換N9（LM393）后故障照舊。離線測量光耦H5（CNW82）完好。此時，通電時在線測量N9比較器⑻腳對信號地居然沒有電壓。+12 V電壓正常，怎么會沒有N9比較器(8)腳的電壓呢？離線測量N9比較器(8)腳和+12 V之間不通，最終發(fā)現(xiàn)在主電源+24 V輸出的22芯接插件座子下面的給N9比較器供電的+12 V連線被進入機器的透析液腐蝕斷開了。重新焊接斷開的連線，故障排除，機器修復。

實例3 故障現(xiàn)象：機器無法啟動。

經查：開機時，+388 V對地電壓正常，X接口處的副電源+24 V正常，對信號地+12 V輸出正常，在電源PCB板子的輸出接插件座子(18)腳REMO端和(17)腳信號地之間加入+5 V電源卻能輸出主電源+24 V。而在裝上電源的機箱盒以后，再從引出線的接插件(18)腳和(17)腳之間通以+5 V電源卻沒有主電源+24 V輸出。

分析與維修：以上故障只能發(fā)生在22芯的接插件和引線上。檢查接插件端口接觸良好，各引線沒有被腐蝕和斷開的現(xiàn)象，但PCB板的REMO端口和引線接插件之間串聯(lián)了一個HALT這個緊急關斷開關，平時應該是常閉的，經查已經因氧化開路了。對這個HALT開關進行清洗處理后，故障排除，機器修復。

實例4：故障現(xiàn)象：機器工作2-3小時后，主電源會莫名關斷。

經查：副電源+24 V正常，對信號地+12 V正常，主電源能被+5 V信號啟動。

分析與維修：懷疑熱穩(wěn)定性不好，或者高頻變壓器內部有匝間短路。在REMO端和信號地之間加入+5 V的電源啟動+24 V的主電源。試驗4個小時，機器一切正常，各散熱器溫升不高，兩高頻變壓器溫升不高?？紤]機器負載過重，同時也需考慮風扇的散熱效果，因為機箱拆開時風扇的接插件隨之卸掉，無法直接試驗風扇的好壞。用外接24 V電壓離線檢查風扇，風扇正常。用導線焊接在風扇接插件的底座并和風扇相連，風扇不轉。通電在線檢查風扇接口處無+24 V電壓。離線檢查V83晶體管完好。通電在線檢查V83基極對信號地電壓0.7 V，集電極0 V，那必定是風扇插座和+24 V連線開路。又是一處PCB板敷銅線被透析液腐蝕開路的例子。原因可能是由于風扇停轉，帶負載情況下各功率MOS管溫度上升，導致散熱器溫度升高使RT值小于47 K，N10A比較器反轉輸出關斷，為過熱保護所致。重新焊接開路的敷銅線，故障排除。

2 討論

從以上4例的故障排除來看，只要有電路圖，機器的故障分析比較清晰，有章可循，機器的維修變得快而省事，而且能實現(xiàn)高的維修成功率。但遺憾的是，一般供應商不提供電源的電路圖，這給維修工程師帶來了不少問題。如果沒有機器的圖紙，要修好上述4例電源或許是比較困難的。本文我們僅以金寶血透機AK200電源為例子作了分析。另外，我們還對貝克曼公司cytomics TM FC 500全自動流式細胞分析儀的激光電源、美國BD公司FACSCanto II流式細胞分析儀的激光電源、日本希斯-美康公司UF-1000i尿沉渣分析儀的激光電源和德爾格EVITA-IV呼吸機的電源等，也采用了類似從電源的PCB板子畫出電路圖的方法來進行維修，同樣減少了維修的盲從度，提高了維修的速度，減少了電源的報廢率，為醫(yī)院節(jié)省了資金。

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