彩超电源的组成原理与维修技巧

周耀崇，蒋元林，徐文超

彩超电源的组成原理与维修技巧

周耀崇，蒋元林，徐文超

0 引言

彩超电源与黑白B超电源相比，在性能方面有了很大提升。彩超电源的输出功率更大、抗干扰能力更强、稳定性更高、保护功能更完善。综合以上因素，彩超电源的复杂程度也更高。因此，在缺乏足够技术资料的前提下，如何快速有效地完成彩超电源的维修任务是医院维修工程师需要直面的问题。笔者基于自身的工作经验以及对新型彩超的学习与了解，将彩超电源单元的典型组成结构和故障维修技巧介绍如下。

1 彩超电源的组成原理

不同品牌和档次的彩超，其电源单元的具体实现电路差别较大[1]。尽管如此，各种彩超电源仍然具有相似的理论基础，其实现模式也大同小异[2]，因为它要保证相应的超声诊断系统能满足各类国际或区域的质量体系标准。通常，彩超电源的基本组成包括如图1所示的3个单元，分别是隔离变压器单元、功率因数校正（power factor correction，PFC）单元、DCDC变换单元。对于高级彩超，电源单元由专门的电源管理芯片控制[3]，某一环节出现故障，将使整机处于保护状态，并提示故障信息。

图1 彩超电源组成框图

1.1 隔离变压器单元

隔离变压器单元通常由单独的机箱或者空间来安置，它主要实现控制开关、简单滤波、电气隔离和电压变换的功能，其典型组成结构如图2所示。市电通过电源电缆线输入，经过开关A、共模扼流圈B、差模滤波电容C以及抽头切换开关，最后向隔离变压器D的初级线圈提供交流电压。该电压经过变压器变换后，分别由V1、V2、V3输出端输出不同的电压，为彩超主电源和外围设备提供能量。

彩超电源使用隔离变压器的目的是为了避免仪器使用者或者患者触电。市电供电线路中的零线是与大地相连的，又因为人体与大地之间往往具有较小的电阻，也就说人体与零线之间的电阻往往很小。当人体直接或间接与火线（相线）接触时，就容易发生触电事故。为了避免上述触电事故的发生，医疗设备电源单元的前端往往设置了隔离变压器，以实现设备内的电气连接与市电供电线路的完全隔离。

图2 隔离变压器单元

隔离变压器除了实现电气隔离的功能外，还具有改变交流供电电压适应范围的功能。国际上各国的市电供电电压标准并不一致，通常包括100、110～127、200、220～240 V等电压标准。设备生产商为了使自己生产的设备能适用于全球，便在设备当中增加了电压变换功能。通常，通过改变隔离变压器初、次级线圈的匝数比来实现电压的变换。

1.2 功率因数校正单元

功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率与总耗电量的比值。基本上，功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，功率因数值越大，代表其电力利用率越高。彩超电路中所需要的直流电压种类较多而且功率较大，因此通常使用开关电源来提供。开关电源若没有采取功率因数校正措施，其功率因数往往很低。因此，功率因数校正电路是彩超电源中的必要组成部分。

功率因数校正单元的典型框图如图3所示。该单元包括电磁干扰（electrormagnetic interference，EMI）滤波器电路、整流桥堆、PFC变换器电路和PFC控制电路4个部分（DC-DC变换单元在下一节分析）。

图3 PFC单元与DC/DC变换单元原理框图

EMI滤波器电路通常包括压敏电阻、保险管、共模扼流圈、差模扼流圈、X电容、Y电容等器件，对输入电源实现简单的过流、过压保护和电磁干扰滤波功能。整流桥堆通常固定在足够大的散热片上，以确保顺利散热。

PFC变换器电路通常包括PFC电感、场效应管（如IRFP460）和高频整流管。场效应管在PFC控制器的控制下打开或者关断，从而控制流过PFC电感的平均电流波形与输入电压波形基本一致，最终实现接近1的功率因数。PFC控制电路常以专门芯片作为电路核心，如UC2854为典型的功率因数控制芯片。经PFC单元处理后，输出约为400 V的直流电压，该电压提供给下一级的DC-DC转换电路。

1.3 DC-DC变换单元

DC-DC变换单元实现了从直流电压到另一直流电压的转换，本质上是将原直流电通过调整其占空比来控制输出的有效电压的大小。DC-DC转换既可升压，也可降压。在彩超中，主要是实现降压，即把约400 V的直流稳压转换成其他直流低电压。通常，每个电压值都由单独的DC-DC变换单元来实现。各个不同的DC-DC单元可以分别设计在独立的印刷电路板上，也可以把多个合并在一片大印刷电路板上，具体的实现由DC-DC单元的输出功率决定。

对于彩超来说，常见的DC-DC输出电压有PHV、+12 V、-12 V、+5 V、-5 V、+3.3 V、+1.8 V、+5 VSB、+12 VSB等9种。PHV称为程控高压，约为100 V，为探头驱动电路提供电压。程控高压可以是一个值或者多个值，值的多少由发射脉冲的电平数决定。±12、±5 V为大部分的芯片、电路、显示器和散热风扇供电。+3.3和+1.8 V为CPU、FPGA、DSP、CPLD等芯片供电。+5和+12 VSB则为待机电压。直流输出都具有过流、过压保护，其中以+5 V的保护级别最高。

2 彩超电源的维修技巧

2.1 电源故障判断

彩超的故障类型比较多，其中有不少故障是由电源故障引起的。然而，由于对电源的拆解维修比较麻烦，因此动手拆解电源前有必要甄别貌似电源故障的非电源故障现象。外围设备的短路（包括探头内部短路）常常使主机电源处于关机保护状态，所以，诊断故障时应首先尝试排除外围设备故障后再开机检测。同时，只有进行科学有序的维修保养，才能降低仪器的故障率，延长仪器的使用寿命。

2.2 常见故障处理

笔者将日常工作中遇到的一些故障案例和总结的维修经验与读者分享。

2.2.1 图像出现干扰条纹

本院一台迈瑞DC-7彩超图像出现干扰条纹。据经验判断，此故障是由于附近有其他用电器如计算机、打印机、电梯等的干扰而引起的。比较有效的做法是增加或者改进彩超的接地线路。经过上述处理后，干扰条纹没有减少的趋势。之后，拆解检测机器的内部接地情况和电源的滤波电路，发现滤波电路中的一个电阻老化生锈，导致接触不良。更换老化电阻后，故障排除。

2.2.2 能待机，但无法开机

能待机，表明电源输入部分正常；无法开机，大多数是由于CPU板块故障。

2.2.3 通电瞬间有反应，但无法开机

通电瞬间有反应，表明电源输入部分正常；无法开机，表明负载出现短路或者CPU板块故障。

2.2.4 正常开机一段时间后突然关机

能正常开机，表明机器没有重大故障。本院一台西门子sequoia512开机一段时间后关机，据经验判断是由于系统保护或电源保护引起，可能是由于系统内局部过热导致。拆机检查机器内部电源的通风散热状况，发现风扇处灰尘厚重，电源板也粘有大量灰尘。进行清洁保养后，机器恢复正常。此外，需确保机器在合适的温度环境中工作。

2.2.5 开机无任何反应

开机后无任何反应，绝大多数是由于电源单元故障。主要检查电缆供电是否正常、漏电开关是否跳闸、熔断器是否熔断。熔断器故障大多是由于PFC前的电路出现短路而引起的。重点检查压敏电阻、滤波电容、整流桥堆、PFC开关管等器件是否存在短路。

2.2.6 无回声信号显示

引起无回声信号显示的原因可能是脉冲发射电路故障，也可能是回波处理电路故障，这可以通过调节声输出功率来甄别。程控高压不正常，常常造成脉冲发射电路工作不正常，导致无回波信号显示。

3 小结

彩超电源单元的可靠性直接决定了整台彩超系统的性能和稳定。掌握彩超电源的构成原理，不但有利于维护和保养彩超系统，而且有助于准确、高效地处理机器故障。面对医疗仪器技术的迅猛发展，作为医院医疗设备维修的工作人员，必须不断学习新技术，才能将维修工作圆满完成。同时也要注意预防性维修，定期对仪器进行检测，及时发现问题、解决问题，才能确保仪器日常的正常工作。

[1] 金浩宇，李哲旭.医用超声诊断仪器应用与维护[M].北京：人民卫生出版社，2011：232-235.

[2] 陈秋生.飞利浦IE33彩超常见故障维修与体会[J].医疗装备，2013，28（3）：59-60.

[3] Brown M.开关电源设计指南[M].徐德鸿，译.北京：机械工业出版社，2004：184-193.

（收稿：2013-04-23 修回：2013-11-10）

R318．6；TH774

B

1003-8868（2014）09-0149-02

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．09．149

310013杭州，解放军117医院医学工程科（周耀崇，蒋元林，徐文超）