一种医疗仪器电源的维修方法

【作 者】黄瑞生，陈乐鸣，王永国

1 佛山市禅城区南庄医院 ，佛山市，528061

2 浙江大学生物医学工程系，杭州市，310027

0 引言

医疗仪器中的电源，首先要满足在电网或负载变化时的恒压或恒流的作用。另外，能提供仪器中各种元器件的供电要求，并且有尽可能小的电磁干扰和噪声，同时具备各种过载与欠压的保护措施。线性电源虽能满足上述需求，但鉴于其体积笨重、效率低下，从20世纪50年代开始逐步被开关电源所替代。现在的有源医疗设备中，无论是恒压还是恒流，几乎都采用了开关电源。以下用金宝血透机AK200电源为例，介绍我们分析故障现象和最终排除故障的解决方法。

1 电路分析与维修方法

1.1 电路分析

金宝血透机AK200 型的电源由瑞士制造，机型为K18004.002 Gambro。机器内部有 ① 功率因数控制器；② 一组24 V主电源、一组24 V副电源和一组12 V电源；③ 各种过载保护电路及启动电路。

在维修时首先按机器的PCB（电源板子）画出实际的电路图，如图1所示。这是一个以UC3844为主芯片PWM控制的开关电源，属他激式正激励。由于采用了正激励方法，为了减少开关管关断时的高反相脉冲损坏开关管，电路采用了双VMOS管（V10，V21）串联的接法。用V34和V35一对互补的晶体管做功率VMOS管的驱动。V24是 V21的驱动晶体三极管，以实现V21与V10的同步开和关。T1是高频变压器，初级线圈随VMOS导通电流增加时，次级感应的电压使V15a导通；V21与V10关断时L4的反电动势让V15b导通。这是一种经典的正激励电路。整流滤波后供+24 V主电源输出， N2（TL431）用于主电源的采样基准(2.5 V)，采样电阻是R64、R65和R41。设计的输出电压为：2.5 (R14+R65+R41)/R41=2.5(18+1+2.2)/2.2=24.09 (V)。

图1 K18004.002 Gambro 部分电路图Fig.1 Partial circuit diagram of K18004.002 Gambro

若某种原因输出电压升高时，R41对信号地电压超过2.5 V，经N2的基准2.5 V比较后，N2的阴极和阳极之间电流增加，H3光耦发光管导通，N4芯片⒁脚VFRE 的5伏电压通过光耦的光敏管加到N4的⑶脚Vfb端，此端电压上升，芯片输出占空比缩小，输出电压随之下降，反之亦然。LR电感既当滤波用，又利用电感的内阻0.01 Ω充当过流保护的采样电阻，LR采样端连接N3A（LM393比较器）的反相端(2)脚，N3A正相端(3)脚对信号地的电压为：12×R21/(R21+R35)=12×0.120/(10+0.12)=0.142(V)，如果主电源输出电流超过0.142/0.01=14.2 (A)，(由于电感LR的直流电阻测量有误差，过流保护值在15 A左右)。N3A反相端(2)脚对信号地电压会超过0.142 V，N3A(1)脚输出低电位，H3光耦同样导通，N4芯片输出占空比同样会缩小，使输出限流。N3b是输出过压保护器，同相端(5)脚对信号地的电压是稳压管5.1 V，主电源过压输出保护值为5.1×(R49+R46)/R46=5.1(4.7+1)/1=29.07 V。如果主电源电压输出超过29.07V时，会使N3b的反相端⑹脚电压超过5.1 V，N3b比较器反转，N3b⑺脚输出电压接近信号地水平，光耦H2导通，N4的⑴脚COMP端通过R30和光耦H2光敏管接地，使N4的(1)脚电位下降，N4芯片输出占空比缩小，最终使开关变压器次级电压下降，起到了过压保护的作用。N10A是功率散热器过热保护比较器。RT的常温值是100 K，是一个负温度系数的电阻，固定在铝散热器上。RT接在比较器N10A的反相端(2)脚，将N6（7815）输出的电压与R42对地进行分压，N10A同相端对地的电压是(15-0.7)R3/(R1+R3)=14.3×33/(33+33)=7.15 (V)，正常情况下另一个UC3844芯片的开关电源副边电压经N6（7815）输出15 V电压，减去PN结0.7 V电压，这14.3 V的电压经RT和R2分压后加在N10A的反相端(2)脚上，N10A比较器的输出端⑴脚通过V37-1，V37-2，与上拉电阻R66和N4的(14)脚的5 V相连。正常工作时RT的值大于47 K，N10A同相端对地电压高于反相端对地电压，N10A(1)脚内部输出集电极呈高阻状态，即N10A(1)脚对地为高电位，BG10不导通，若散热器的温度升高到使RT的值小于R2(47 K)，此时N10A反相端(2)脚对地的电压14.3V×R2/(R2+RT)将大于7.15 V，比较器反转，N10A(1)脚输出为低电位，BG10的基极电流经R7，V37-1和N10A输出⑴脚到地形成回路，BG10导通，N4的过流保护端(5)脚经BG10的c-e与N4(14)脚的+5 V相连，N4输出关断，起到过热保护作用。N9A(LM393)是一个启动比较器。N9A的同相端对信号地的电压为12×R43/(R42+R43)=12×1/(10+1)=1.09(V)，N9A的反相端经R44接信号地，在节点上又与R62、HALT按钮串联至REMO端。如果血透机主机不给REMO端控制电压，那么N9A的反相端对信号地为0 V，N9A⑴脚内部的输出集电极为开路状态，即N9A(1)脚对信号地呈高电位，副电源通过N13(7812)输出的+12 V电压经R45，使光耦H5的发光管与信号地之间产生电流，光耦H5光敏管导通，V37-1与V37-2节点处通过H5的光敏管接地，BG10导通，N4输出关断，主电源+24 V没有输出。如果主机在REMO端和信号地之间加上+5 V电压，N9A反相端对信号地的电压大于1.09 V，N9A的输出端⑴脚为信号地水平，光耦H5(CNW82)关断，BG10截至，N4正常启动并工作。

1.2 故障实例分析

实例1 故障现象：机器保险丝烧毁。经查，V10的D-S短路，V21的D-S阻值只有几十欧，R24开路，V34的C-E阻值只有几十欧。

分析：功率MOS管D-S击穿时，其栅极和漏、源极之间也会击穿，因此R24会烧毁，V34驱动晶体管也会烧毁。

维修：更换各损坏的元器件。BUZ330的VDS为500 V，ID为9.5 A，RDS为0.6Ω（ON）。市场上能买到的功率场效应管是IRFP450，该功率MOS管的VDS为500 V，ID为14 A，RDS为0.4 Ω（ON），完全能替代BUZ330。再更换贴片封装的R24，用1N4746替代V-3和V-4，用贴片封装的晶体三极管8050和8550替代V35和V34，更换14脚贴片封装的UC3844芯片N4，对损坏部分元件基本更新。换上3 A的保险丝通电试验，+388 V对地电压正常，说明功率因数控制器工作正常。X接口处的副电源+24 V正常，对信号地+12 V电源正常，说明副电源工作正常。主电源24 V输出为零，说明启动比较器工作正常。在REMO端和信号地之间接上5 V电源，主电源对信号地+24 V电源输出正常。机器修理完毕。

实例2 故障现象：机器能正常开机，但经机器面板的触摸屏却无法关机，只能通过插拔后面的220 V交流电源线才能关机。

经查：开机时，+388 V对地电压正常，X接口处的副电源+24 V正常，对信号地+12 V输出正常，但+24 V主电源输出处亦有+24 V输出。

分析与维修：功率因数控制器正常，两组UC3844芯片控制的开关电源也基本正常，故障应该在启动电路上。将H5光敏管C-E极短路，主电源+24 V对信号地输出为零，说明BG10完好，故障可能在N9上，但更换N9（LM393）后故障照旧。离线测量光耦H5（CNW82）完好。此时，通电时在线测量N9比较器⑻脚对信号地居然没有电压。+12 V电压正常，怎么会没有N9比较器(8)脚的电压呢？离线测量N9比较器(8)脚和+12 V之间不通，最终发现在主电源+24 V输出的22芯接插件座子下面的给N9比较器供电的+12 V连线被进入机器的透析液腐蚀断开了。重新焊接断开的连线，故障排除，机器修复。

实例3 故障现象：机器无法启动。

经查：开机时，+388 V对地电压正常，X接口处的副电源+24 V正常，对信号地+12 V输出正常，在电源PCB板子的输出接插件座子(18)脚REMO端和(17)脚信号地之间加入+5 V电源却能输出主电源+24 V。而在装上电源的机箱盒以后，再从引出线的接插件(18)脚和(17)脚之间通以+5 V电源却没有主电源+24 V输出。

分析与维修：以上故障只能发生在22芯的接插件和引线上。检查接插件端口接触良好，各引线没有被腐蚀和断开的现象，但PCB板的REMO端口和引线接插件之间串联了一个HALT这个紧急关断开关，平时应该是常闭的，经查已经因氧化开路了。对这个HALT开关进行清洗处理后，故障排除，机器修复。

实例4：故障现象：机器工作2-3小时后，主电源会莫名关断。

经查：副电源+24 V正常，对信号地+12 V正常，主电源能被+5 V信号启动。

分析与维修：怀疑热稳定性不好，或者高频变压器内部有匝间短路。在REMO端和信号地之间加入+5 V的电源启动+24 V的主电源。试验4个小时，机器一切正常，各散热器温升不高，两高频变压器温升不高。考虑机器负载过重，同时也需考虑风扇的散热效果，因为机箱拆开时风扇的接插件随之卸掉，无法直接试验风扇的好坏。用外接24 V电压离线检查风扇，风扇正常。用导线焊接在风扇接插件的底座并和风扇相连，风扇不转。通电在线检查风扇接口处无+24 V电压。离线检查V83晶体管完好。通电在线检查V83基极对信号地电压0.7 V，集电极0 V，那必定是风扇插座和+24 V连线开路。又是一处PCB板敷铜线被透析液腐蚀开路的例子。原因可能是由于风扇停转，带负载情况下各功率MOS管温度上升，导致散热器温度升高使RT值小于47 K，N10A比较器反转输出关断，为过热保护所致。重新焊接开路的敷铜线，故障排除。

2 讨论

从以上4例的故障排除来看，只要有电路图，机器的故障分析比较清晰，有章可循，机器的维修变得快而省事，而且能实现高的维修成功率。但遗憾的是，一般供应商不提供电源的电路图，这给维修工程师带来了不少问题。如果没有机器的图纸，要修好上述4例电源或许是比较困难的。本文我们仅以金宝血透机AK200电源为例子作了分析。另外，我们还对贝克曼公司cytomics TM FC 500全自动流式细胞分析仪的激光电源、美国BD公司FACSCanto II流式细胞分析仪的激光电源、日本希斯-美康公司UF-1000i尿沉渣分析仪的激光电源和德尔格EVITA-IV呼吸机的电源等，也采用了类似从电源的PCB板子画出电路图的方法来进行维修，同样减少了维修的盲从度，提高了维修的速度，减少了电源的报废率，为医院节省了资金。

[1]周志敏,周继海.开关电源实用技术设计与应用[M].北京: 人民邮电出版社,2003

[2]Keith Billings著,张占松,汪仁煌,谢丽萍.译.开关电源手册[M].北京: 人民邮电出版社,2006

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