某醫(yī)療器械電源模塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果研究

劉洋，劉培，李澤楷，李雙雙

（1.成都水木醫(yī)療科技有限公司，四川 成都 611731；2.北京中關(guān)村水木醫(yī)療科技有限公司，北京 102600）

0 引言

電控系統(tǒng)發(fā)熱對其穩(wěn)定性、可靠性和壽命具有顯著的影響[1-2]。過高的溫度會使設(shè)備中的電子元器件壽命縮短，甚至瞬間或永久失效[3-5]。同時隨著設(shè)備不斷向小型化、多功能化和高性能化方向發(fā)展，設(shè)備內(nèi)器件的熱流密度與功耗不斷增加，設(shè)備過熱問題越來越突出，如果不能有效進(jìn)行熱設(shè)計，將直接影響系統(tǒng)的可靠性與工作壽命[6-7]。

工程設(shè)計人員在產(chǎn)品研發(fā)過程中借助目前主流的熱分析軟件如TMG、Icepak 和Flotherm 等對產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真分析，有助于在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)熱設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)[8-12]。然而，仿真建模的準(zhǔn)確性和模型采用參數(shù)的準(zhǔn)確性對仿真結(jié)果具有巨大的影響，由于人員經(jīng)驗有限和我國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)薄弱，仿真結(jié)果與實際情況通常具有一定的差異[13]。如已經(jīng)具備實物樣機(jī)，可通過熱測試來獲得產(chǎn)品的實際溫度分布，從而檢驗產(chǎn)品的熱性能是否滿足預(yù)定要求，同時也是評價產(chǎn)品熱設(shè)計水平的重要方法和設(shè)計整改最有效的手段[14]。

1 熱測試方法

電控系統(tǒng)熱測試方法目前主要有非接觸式測試和接觸式測試兩種。

非接觸式測試常用的設(shè)備有紅外測溫儀和紅外熱像儀。該方法不需要接觸到被測溫度場的內(nèi)部或表面，因此，不會干擾被測溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也不會受到溫度場的損傷；但是，該方法易受環(huán)境因數(shù)影響（如空氣中的塵土、環(huán)境溫度等），同時，該方法只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度，因此不易測出被測件的真實溫度[15-18]。

接觸式測試有熱敏電阻傳感器法、熱電偶傳感器法等。在工程上廣泛地使用數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測量，能夠精確地測量出物體和液體內(nèi)部溫度。同時該方法廣泛地用于封閉空間內(nèi)的各種組件、器件的溫度測量。但是該方法在工程實際使用中相對比較繁瑣，由于需要安裝傳感器、連接數(shù)據(jù)采集儀和顯示軟件等，導(dǎo)致工作量較大、檢測效率相對較低[19-21]。

根據(jù)工程實際經(jīng)驗，本文首先利用紅外熱像儀獲得被測電控系統(tǒng)內(nèi)各元器件表面溫度分布云圖，確定熱源位置后再進(jìn)行傳感器的布局；其次采用高低溫濕熱試驗箱對被測電控系統(tǒng)進(jìn)行溫度步進(jìn)環(huán)境試驗，溫度梯度從40、50、60 和70 ℃逐步遞增，使其充分且快速暴露其熱設(shè)計缺陷，有助于提高熱測試準(zhǔn)確性、改善整體熱環(huán)境、消除產(chǎn)品內(nèi)部過熱點(diǎn)，從而提升產(chǎn)品的可靠性水平和使用壽命。

2 某型電源模塊熱測試

本文以某型電源模塊熱測試為例，該電源模塊作為核心部件，其功能是為電控系統(tǒng)和光源系統(tǒng)供電，然而在實際工作過程中電源模塊整體功耗偏高，因此在改型過程中對其熱設(shè)計的評估是衡量其質(zhì)量和可靠性的重要依據(jù)。

2.1 測試

本文采用的測試設(shè)備由綜合應(yīng)力溫濕度箱（SZ61IIA）、熱像儀（Tis65）和數(shù)據(jù)采集器（34972A）3 部分組成，測試設(shè)備和檢測儀表均滿足測試要求且在校準(zhǔn)有效期內(nèi)，其測試如圖1～3所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集器

圖3 綜合應(yīng)力溫濕度箱

2.2 熱測試流程

通過工程實際，對某醫(yī)療器械電源模塊進(jìn)行溫度步進(jìn)熱測試的試驗順序及各步驟間相互關(guān)系如圖4 所示。

圖4 溫度步進(jìn)熱測試流程

溫度步進(jìn)熱測試的試驗步驟如下：

a）在實驗室常溫條件下，采用熱像儀進(jìn)行非接觸式熱測試，初步獲取各個電路板的溫度云圖，根據(jù)云圖初步分析高溫點(diǎn)，對于高溫點(diǎn)對應(yīng)位置元器件耐溫范圍，初步確定電源模塊潛在高溫風(fēng)險點(diǎn)；

b）在實驗室溫度條件下，用熱像儀進(jìn)行非接觸式熱測試，初步獲得各電路板的溫度云圖，根據(jù)云圖對高溫點(diǎn)進(jìn)行初步分析，確定電源模塊對應(yīng)位置元器件溫度耐受范圍的潛在高溫風(fēng)險點(diǎn)；

c）將電源模塊置于試驗箱內(nèi)，對可能的高溫危險點(diǎn)進(jìn)一步布放熱電偶，依次將試驗溫度升高至+40、+50、+60 和+70 ℃，持續(xù)1 h。通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行接觸式測溫，準(zhǔn)確獲取各溫度監(jiān)測點(diǎn)的溫度。這樣就可以獲得各個監(jiān)測點(diǎn)在不同高溫環(huán)境下的溫度變化趨勢，并提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)來確定電源模塊耐溫的薄弱環(huán)節(jié)。

2.3 紅外成像儀測試結(jié)果分析

在常溫條件下，電源模塊正常工作時，利用紅外成像儀對電源模塊電路板上的發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行溫度檢測，發(fā)現(xiàn)開關(guān)直流電源有2 個高溫元器件，其開關(guān)直流電源電路板和溫度云圖如圖5～6 所示，各元器件型號及測試溫度如表1 所示。后續(xù)將采用溫度數(shù)據(jù)采集器在不同環(huán)境溫度下對以上2 個元器件發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行精確檢測，并針對檢測結(jié)果給予相應(yīng)的整改意見。

表1 電源模塊各電路板熱像儀檢測結(jié)果如下 單位：℃

圖5 開關(guān)直流電源圖

圖6 開關(guān)直流電源熱像圖

2.4 溫度步進(jìn)法-熱電偶接觸式檢測

根據(jù)紅外成像儀測試結(jié)果，對開關(guān)直流電源電路板上的電阻、芯片、變壓器粘貼溫度傳感器，在溫度梯度分別為+27.9、+40、+50、+60 和+70 ℃進(jìn)行測試。檢查是否滿足器件自身工作環(huán)境溫度要求。開關(guān)直流電源測試點(diǎn)布置如圖7 所示，其溫度試驗應(yīng)力圖如圖8 所示。電源模塊開關(guān)直流電源電路板熱電偶接觸式檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 電源模塊開關(guān)直流電源電路板熱電偶接觸式檢測結(jié)果 單位：℃

圖7 開關(guān)直流電源測試點(diǎn)布置

圖8 溫度試驗應(yīng)力圖

2.5 測試結(jié)果分析

根據(jù)以上檢測結(jié)果，得出以下3 條結(jié)論：

a）在常溫條件下測試時，電阻穩(wěn)定后溫度為96.121 ℃，接近工作溫度范圍的上限值。當(dāng)環(huán)境溫度為+40、+50、+60 和+70 ℃時，電阻穩(wěn)定后溫度均超過工作溫度范圍的上限值，建議更換工作溫度范圍更高的電阻或改進(jìn)熱設(shè)計；

b）在各種環(huán)境溫度條件下，芯片穩(wěn)定后的溫度均已超過它們最高工作溫度。當(dāng)環(huán)境溫度為70 ℃時，芯片穩(wěn)定后的溫度已超出45.389 ℃。長時間超溫工作，會影響其工作壽命，建議更換工作溫度范圍更高的芯片；

c）當(dāng)環(huán)境溫度為常溫時，變壓器溫升相對較高，由此可以推斷當(dāng)環(huán)境溫度升高時，該器件的溫度會更高，有可能超出該器件的工作溫度范圍，當(dāng)環(huán)境溫度為70 ℃時，變壓器穩(wěn)定后的溫度為95.665 ℃，超過工作溫度范圍上限，需要對其改進(jìn)熱設(shè)計。

3 某醫(yī)療器械電源模塊改進(jìn)后熱測試效果對比分析

3.1 開關(guān)直流電源改進(jìn)措施

本文對開關(guān)直流電源采取降額改進(jìn)設(shè)計，更換額定功率更大的元器件，各參數(shù)如表3 所示；電路板重新布局如圖9 所示。

表3 開關(guān)直流電源

圖9 開關(guān)直流電源電路板重新布局圖

3.2 改進(jìn)后測試結(jié)果

通過對開關(guān)直流電源采取降額改進(jìn)設(shè)計后，其前后熱測試溫度云圖對比如圖10～11 所示，其溫度試驗應(yīng)力圖如圖12 所示。

圖10 開關(guān)直流電源改進(jìn)前測試結(jié)果

圖11 開關(guān)直流電源改進(jìn)后回歸驗證測試結(jié)果

圖12 溫度試驗應(yīng)力圖

3.3 改進(jìn)后測試效果分析

開關(guān)直流電源改進(jìn)后回歸驗證結(jié)果如表4 所示，由表4 可知改進(jìn)后開關(guān)直流電源沒有出現(xiàn)過熱點(diǎn)，改進(jìn)后最高溫度（48.8 ℃）相對改進(jìn)前最高溫度（98.1 ℃）顯著下降，改進(jìn)后高溫點(diǎn)個數(shù)相對改進(jìn)前高溫點(diǎn)個數(shù)顯著減少。

表4 開關(guān)直流電源改進(jìn)后回歸驗證結(jié)果 單位：℃

4 結(jié)束語

由于常規(guī)熱測試方法很難發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在熱設(shè)計缺陷，本文采用溫度步進(jìn)熱測試方法對某醫(yī)療器械電源模塊進(jìn)行熱測試，使其電源模塊存在的潛在缺陷得以充分暴露出來；通過對樣機(jī)電源模塊存在的潛在缺陷改進(jìn)前和改進(jìn)后熱測試結(jié)果對比分析，開關(guān)直流電源改進(jìn)效果顯著，電阻及芯片不會在常溫、+40 和+50 ℃條件下超出工作溫度，相對改進(jìn)前3 個元器件監(jiān)測溫度顯著下降（變壓器下降10℃以上，芯片和電阻均下降20 ℃以上），將有益于延長電源使用壽命，提高使用過程穩(wěn)定性和可靠性，保障上市后的質(zhì)量與可靠性，減輕售后維修保障負(fù)擔(dān)，提高客戶滿意度。