開關(guān)電源在氬氣高頻手術(shù)設(shè)備中的應(yīng)用研究

陳映慧（通信作者），包瑾

北京恒實基業(yè)科技有限公司 （北京 100041）

電源是有源醫(yī)療器械的重要組成部分，也是衡量醫(yī)療器械安全性的重要指標(biāo)[1-2]。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，電源故障是醫(yī)療器械故障的主要原因之一，占所有故障的60%以上[3]，且醫(yī)療設(shè)備對電源的技術(shù)和專業(yè)要求均較高，不僅要考慮電源的安全性和穩(wěn)定性，還要考慮電源的維修難度和占用空間[4]。目前，市場上的氬氣高頻手術(shù)設(shè)備主要采用線性電源，其效率低、輸入范圍窄，變壓器設(shè)計復(fù)雜、體積龐大，設(shè)備的使用存在安全隱患?；诖耍狙芯吭O(shè)計了一款適用于氬氣高頻手術(shù)設(shè)備的開關(guān)電源，現(xiàn)報道如下。

1 氬氣高頻手術(shù)設(shè)備電源現(xiàn)狀

氬氣高頻手術(shù)設(shè)備中線性電源的工作原理是將交流電經(jīng)變壓器降低電壓值，通過整流電路得到脈沖直流電，濾波后得到醫(yī)療設(shè)備所需的直流電壓。其中，變壓器的工作原理是利用功率半導(dǎo)體器件的線性工作區(qū)，通過調(diào)節(jié)線性阻抗來控制輸出電壓。線性電源內(nèi)部電路接線復(fù)雜，長時間使用會使變壓器溫度升高，縮短內(nèi)部絕緣材料壽命，還可能造成設(shè)備擊穿等事故[5-6]。此外，線性電源中變壓器的重量大、體積大，導(dǎo)致設(shè)備移動困難，也間接給醫(yī)院造成負(fù)擔(dān)。

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，高頻工作狀態(tài)、體積較小的開關(guān)電源被研發(fā)出來。開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于通信、計算機(jī)、軍工、航天和醫(yī)療等行業(yè)，其工作原理是利用功率半導(dǎo)體器件的飽和區(qū)，通過調(diào)整開通時間或頻率達(dá)到調(diào)節(jié)輸出的目的[7-10]。開關(guān)電源不僅具有小型化、輕便化的特點，且電能轉(zhuǎn)換效率高、快速性好，在宕機(jī)或電壓波動情況下，能夠迅速調(diào)整電源，不會造成設(shè)備停機(jī)，還能節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上[11]。相對于線性電源來說，開關(guān)電源具有體積小、效率高、工作損耗低、輸入范圍寬等優(yōu)點，但其設(shè)計難度較大。鑒于氬氣高頻手術(shù)設(shè)備為三類醫(yī)療器械，對設(shè)備安全性要求更高，故本研究更傾向使用規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)模化的開關(guān)電源，替代現(xiàn)有的線性電源。

2 氬氣高頻手術(shù)設(shè)備供電原理

氬氣高頻手術(shù)設(shè)備適用于各類外科手術(shù)，主要具備純切、混切、點凝、面凝、氬氣束凝等功能，其設(shè)備供電原理見圖1。A 板是以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，所有用戶接口功能都可通過微處理器及相應(yīng)的數(shù)字和模擬裝置實現(xiàn)。C 板是氬氣流量/高壓控制電路板，主要提供2 種獨立的功能，即提供與工作相匹配的高壓和氬氣流量控制功能，高壓提供功能分為相位控制觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生、調(diào)整環(huán)節(jié)、高壓電復(fù)位脈沖的產(chǎn)生及電壓輸出監(jiān)測線路。F 板為高壓輸出電路板，主要為射頻放大器提供可調(diào)的直流電壓及電流，射頻放大器將能量轉(zhuǎn)換為高頻電流，使線路板中有高壓輸出。D 板為低壓供電電路，主要為電路提供+5 V 和±15 V 的供電電源。

圖1 氬氣高頻手術(shù)設(shè)備供電原理圖

3 氬氣高頻手術(shù)設(shè)備開關(guān)電源設(shè)計

為達(dá)到設(shè)備所需的供電電壓，氬氣高頻手術(shù)設(shè)備的電源必須提供1 個高壓變壓器和1 個低壓變壓器，高壓部分必須包含功率器件及電容濾波器以保證高壓輸出；低壓部分必須保證+5、±15 V 的電壓給設(shè)備的主控制板。開關(guān)電源設(shè)計中，應(yīng)確保開關(guān)頻率高、輸出電壓連續(xù)可調(diào)、工作效率高，且為氬氣高頻手術(shù)設(shè)備的切、凝和氬氣束凝工作模式提供+5、±15 V 的低壓供電電源。此外，該開關(guān)電源還需滿足3 個技術(shù)指標(biāo)：（1）高轉(zhuǎn)換效率，開關(guān)電源的主要損耗在于變壓器線圈的直流電阻損耗，頻率越高損耗越??；（2）低輸出電壓的紋波，開關(guān)電源穩(wěn)壓是一個不斷取樣反饋調(diào)節(jié)的過程，輸出紋波電壓越小，輸出特性越好，否則易造成死機(jī)現(xiàn)象；（3）輸入電壓范圍滿足條件，開關(guān)電源的輸入電壓變化范圍已經(jīng)達(dá)到90～270 V，可滿足220 V 的要求[12-14]。在開關(guān)電源控制方式和驅(qū)動方式上，主要有自激式脈寬調(diào)制、自激式脈頻調(diào)制、自激式混合調(diào)制、它激式脈寬調(diào)制、它激式脈頻調(diào)制、它激式混合調(diào)制6 種方式。自激式的安全性較低，穩(wěn)定性差，長時間工作不易控制；脈頻調(diào)制的工作穩(wěn)定性差，安全性有缺陷；混合調(diào)制的電路設(shè)計較復(fù)雜，電磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）的強(qiáng)制性比較高?？紤]到開關(guān)電源經(jīng)過整流、濾波，還需增加EMC 濾波及使用安全標(biāo)準(zhǔn)的器件，故本設(shè)備開關(guān)電源采用它激式脈寬調(diào)制驅(qū)動方式[15-16]。根據(jù)開關(guān)電源的技術(shù)要求設(shè)計電路，主要包括主電路、控制電路，另外還要為控制電路提供1 個輔助電源。開關(guān)電源的設(shè)計框圖如圖2 所示。

圖2 開關(guān)電源設(shè)計框圖

3.1 主電路設(shè)計

主電路設(shè)計包括輸入整流與濾波電路、功率變換電路、高頻變壓器、輸出整流與濾波電路。輸入整流與濾波電路主要是將交流電網(wǎng)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為紋波較小的直流電信號，交流輸入電壓的范圍為180～240 V AC，采用電容濾波，將輸出的電壓轉(zhuǎn)換為較平滑的直流電壓；氬氣高頻手術(shù)設(shè)備電源輸出最大電流為1.5 A，選用1 500～2 000 pF 之間的電解電容即可滿足濾波；功率變換電路主要是將直流電信號轉(zhuǎn)化成高頻交流電信號；高頻變壓器主要是完成隔離諧振和變壓器變換電壓電流的功能；輸出整流和濾波電路主要是輸出設(shè)備所需的穩(wěn)定電壓和電流，變壓器技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 開關(guān)電源主電路中變壓器的技術(shù)參數(shù)

3.2 控制電路設(shè)計

控制電路設(shè)計主要包括驅(qū)動電路、反饋電路、保護(hù)電路。驅(qū)動電路采用功能齊全的集成脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）芯片，即電流控制性PWM 控制器（SG3525 芯片），可按照反饋電流調(diào)節(jié)脈寬，該控制器在結(jié)構(gòu)上具有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性較好；為控制開關(guān)電源主電路輸出電壓的變化，同時設(shè)計1 個反饋電路，通過檢測到的輸出電壓來控制主電路的電壓變化，形成穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)開關(guān)電源的自穩(wěn)定；另外，為降低開關(guān)電源瞬時啟動時產(chǎn)生的浪涌電流造成的損害，選用熱敏電阻降低浪涌電流，或通過增加1 個較大的電容，在啟動瞬間給電容充電來降低浪涌電流的瞬時擊穿；同時，設(shè)計1 個過熱保護(hù)電路，通過控制系統(tǒng)的溫度來保護(hù)電路安全。

4 開關(guān)電源測試

基于上述資料，完成氬氣高頻手術(shù)設(shè)備開關(guān)電源設(shè)計，并對開關(guān)電源安全性及功能進(jìn)行測試，驗證設(shè)備功能使用情況、安全性能及重量體積變化情況。

4.1 氬氣高頻手術(shù)設(shè)備的功能測試

在氬氣高頻手術(shù)設(shè)備試驗臺上，用開關(guān)電源替換小電源變壓器和D 板，向各電路板供電（+5、+15、-15 V）。將D 板上原有的兩路+15 V 接到一起，DG 和AG 接到一起。其中，A 板是氬氣高頻手術(shù)設(shè)備前面板，以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，包括鍵盤、顯示屏等用戶界面和控制部分，需要D 板提供低壓供電；D 板是氬氣高頻手術(shù)設(shè)備低壓供電電路板，用于提供設(shè)備前面板需要的+5、±15 V 電壓；C 板（氬氣高頻手術(shù)設(shè)備流量/高壓控制線路板）上的LINE FREQUENCY 信號是由小電源變壓器經(jīng)過D 板（氬氣高頻手術(shù)設(shè)備低壓供電電路板）提供的，必須提供1 個額外的變壓器產(chǎn)生LINE FREQUENCY信號為C 板供電，改進(jìn)后接線見圖3。測試結(jié)果顯示：（1）A 板能夠正確顯示；（2）各項功能激發(fā)能夠響應(yīng)；（3）F 板有高壓；（4）各項功率有輸出；（5）開關(guān)電源發(fā)熱溫度較低。因此可見，采用開關(guān)電源替換小電源變壓器和D 板供電，各項電壓值并無問題，機(jī)器能夠正常工作，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 開關(guān)電源改進(jìn)后測試數(shù)據(jù)

圖3 開關(guān)電源改進(jìn)后接線圖

4.2 開關(guān)電源的安全性測試

使用耐壓測試儀，將直流電壓從0 逐漸增加至500 V，通過持續(xù)高壓輸出，測試開關(guān)電源耐高壓情況；使用漏電流測試儀，將電源設(shè)置為220 V，測試接地漏電流和外殼漏電流是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)GB9706.1-2020《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1 部分：基本安全和基本性能的通用要求》和GB 9706.202-2021《醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-2 部分：高頻手術(shù)設(shè)備及高頻附件的基本安全和基本性能專用要求》。測試結(jié)果顯示，開關(guān)電源在耐高壓測試中未被擊穿，在漏電流測試中滿足高頻手術(shù)設(shè)備安全性的要求。

4.3 開關(guān)電源重量及體積測試

通過對原有線性電源及新設(shè)計開關(guān)電源重量及體積進(jìn)行測試對比，開關(guān)電源的體積小、重量輕，約為原線性電源的1/3，有利于氬氣高頻手術(shù)設(shè)備小型化。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計一款滿足氬氣高頻手術(shù)設(shè)備需求的開關(guān)電源，經(jīng)測試，該開關(guān)電源滿足氬氣高頻手術(shù)設(shè)備的技術(shù)要求，保證了設(shè)備使用的安全性，降低了設(shè)備的故障率，且體積小、重量輕，符合醫(yī)療器械行業(yè)對設(shè)備小型化、集成化的需求，在一定程度上提高了氬氣高頻手術(shù)設(shè)備的市場競爭力?？紤]到開關(guān)電源設(shè)計復(fù)雜，投入的研發(fā)成本比較高，設(shè)計時還要滿足較大的開關(guān)頻率，連續(xù)可調(diào)的輸出電壓。因此，在現(xiàn)有滿足設(shè)備性能及安全性的情況下，后續(xù)將對開關(guān)電源電磁兼容、維修操作便利性以及設(shè)備小型化布局等方面進(jìn)行更深入的研究。