基于医院中心供氧监控系统的安全电源设计
周德强，颜乐先，苌飞霸，魏安海，李姝颖，尹军
第三军医大学大坪医院野战外科研究所 医学工程科，重庆 400042
[摘 要]目的设计一套用于医院中心供氧监控系统供电的安全电源。方法通过安全电路的设计方式，设计过流保护、过压保护、光耦隔离反馈控制、远程监测接口等电路，使其具有精确得限流保护、过压过载、远程监测等保护功能。结果该安全电源能够正常稳定的长时间不间断工作，且输出纹波小于1%，过流保护与过载保护等电路都能正常工作，能保证该电源的安全性。结论该安全电源能正常的为医院中心供氧监控系统提供电 力支持，且能在漏氧的环境下安全正常的工作，即使发生故障也不会有引发火灾的危险。能显著提高医院中心供氧监控系统下位机段的安全系数和实用价值，有利于提高医院中心供氧的智能化管理水平。
[关键词]供氧监控系统；安全电源；中心供氧
引言
中心供氧监控系统具有使用快捷方便，适应医院大规模发展需求的特性，已成为一个现代化医院不可或缺的重要设施[1-3]。任何系统的正常运行都离不开动力系统的支持，且氧气是一种特殊气体，氧气本身不具有可燃性，但其具有极强的助燃性，那么在对医院中心供氧监控系统使用电源供电时候需要考虑其此方面的安全性[4]。本文医院中心供氧监控系统选用具有过压、限流、防冲击和远程监测接口等功能的安全电源作为其动力支持。
目前开关电源大致可分为一般用开关电源和矿用隔爆本安电源[5]，一般用开关电源没有较好的工频变压隔离，尖峰和谐振等干扰容易污染院内电网干扰其他仪器设备，尤其是院内精密电子仪器，并且一般用开关电源为追求转换效率大多采用占空比≥50%的控制芯片，不能抑制可能出现的变压器饱和现象；矿用隔爆本安电源性能良好[6]，但其体积庞大较为笨重且成本昂贵；无论是一般用开关电源还是矿用隔爆本安电源，都没有预留与医院中心供氧监控系统匹配的远程监测接口，且输出功率与电流都是默认常用值，不能精准匹配医院中心供氧监控系统的实际使用值。对此本文对医院中心供氧监控系统的安全供电展开了研究，本文研究的医院中心供氧监控系统的安全电源，具有限流流保护，过压保护，光耦隔离反馈控制，与医院中心供氧远程监测系统匹配的远程监测接口等保护电路，使其具有精确得限流保护、过压过载、远程监测等保护功能[7-8]，即使在漏氧和电源故障的情况下也不会有引发火灾的危险，从而保证整个供氧系统的运行安全。
1 系统规划与实现电路
1.1 系统方案设计
系统方案设计图，见图1。安全电源设计工作原理为：AC 220 V市电输入（不稳定电压85～265 V也可），首先经过市电输入保护电路部分，该部分主要功能是防浪涌冲击和防止用电反向污染；再经过整流滤波部分电路对输入电流进行整流滤波处理；经整流滤波处理后分为两路，一路经启动供电部分电路处理后到达脉冲调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制器芯片，该部分主要功能是对整流滤波处理后电流进行降压处理，以达到PWM控制芯片的启动电压要求，对PWM控制芯片进行启动供电，该部分仅在PWM控制芯片启动时使用，芯片启动后断开；另一路经电压变换部分电路处理后分为两组，一组经芯片供电系统部分电路处理后为芯片正常运行供电，另一组经输出整流滤波部分电路处理后作为安全电源输出组，且在电源输出组端嵌有LED输出指示及远程监测接口、电流采集、短路保护以及稳压稳流反馈系统，以保证电源安全正常的使用。
图1 系统方案设计图
1.2 电路设计
1.2.1 输入保护及滤波电路
输入保护及滤波电路图，见图2。输入保护及滤波电路的前端为熔断保险（Fuse，FU）及压敏电阻可以有效的防止市电输入的浪涌冲击，保证用电设备实施安全；其后为电感，可以消除市电出入的电磁干扰，也可以防止用电设备设施对电网的反向污染；之后是热敏电阻（Negative Temperature Coeff cient，NTC）与继电器组合，其作用也是防浪涌与前端的压敏电阻形成冗余防浪涌保险，其工作原理是NTC将浪涌抑制到一个合适的水平，之后电源正常工作，此时继电器从输出回路中得电后动作，将NTC从工作电路中切去，这样NTC只在启动时工作，这样即延长了NTC使用寿命又能保证其有充分的冷却时间。输入保护电路之后接桥式整流电路和阻容（Resistance-Capacitance，RC）滤波电路，对输入电流进行整流滤波的输入处理后变为直流电供给其后的芯片启动电路和单短反激式变换电路[9]。
1.2.2 PWM控制芯片及其他辅助电路
PWM控制芯片及其他辅助电路图，见图3。因为反激式变换具有电路拓扑简单、输入电压范围宽、输入输出电气隔离、体积重量小、成本低、性能良好、工作稳定可靠等优点[10]，故本文中的变换结构方式采用单端反激式。UC3844具有自动前馈补偿、锁存脉宽调制、带欠压锁定、大电流图腾柱输出、地带压启动和工作电流等优点，另外UC3844相对于同系的其他UC384X芯片的区别是，UC3844的占空比不超过50%，可以有效的防止开机瞬间或负载短路时变压器可能出现饱和现象[11]，故本文设计的安全电源以UC3844作为PWM（脉宽调制）控制芯片。
输入的市电经过输入保护及滤波电路处理之后变为直流电供给其后的芯片启动电路和单短反激式变换电路，其中芯片启动电路部分的前端为电磁开关（RELAY2），其作用是在芯片启动前保持导通状态保持启动电路的通畅，使安全电源在刚通电时能顺利启动控制芯片[12]，启动后保持断开状态，在芯片启动正常工作后断开通路，以防止后续的R150、R11、R155大功率分压电阻因长时间工作而大量发热以及保护后面启动电路的其他元器件。芯片启动电路中R150、R11、R155大功率电阻的作用是分压使得控制芯片UC3844（U5）的7管脚处电压满足芯片的启动要求。芯片启动电路部分的末端为限流电阻R88与电容C72构成的软启动电路，由于电源的输入电路采用了加电容滤波电路，在输入开始的一瞬间由于电容器上的初始电压为0，会产生很大的瞬瞬时冲击电流，故设置软启动电路防止冲击电流。
控制芯片U5的4管脚端接入由R48和C75组成的振荡电路，其功能是产生控制MOSFET（MOS1）通断所需频率，其频率f=1.8/RC，由控制芯片U5的6管脚经限流电阻R156后输出对MOS1进行通断控制，并且并联一个稳压二极管D36保护功率MOSFET。
控制芯片U5的3管脚是电流比较器同相输入端，接入电流采样输入VS端，引入电流反馈信号与1管脚的电压误差信号进行比较，产生一个PWM波，由于电流比较器输入端设置了电流阈值，可以控制PWM波的关断与保持，所以可以精确的控制最大输出电流，以达到限制电源电流在所需安全范围内。
图2 输入保护及滤波电路图
图3 PWM控制芯片及其他辅助电路图
1.2.3 光耦反馈调节电路
光耦反馈调节电路图，见图4。控制芯片U5的8管脚输出为其内部5 V基准电压，为光耦副边的三极管提供偏压。控制芯片U5的1管脚与2管脚为其内部电压比较器的反向输出与输入端[13]，其功能是对电源输出进行PI（比例积分调节）调节[14]。电压反馈采用具有隔离效果的光耦反馈调节模式，选择三端可控基准源TL431C（U10）反馈误差电压，并放大误差电压，驱动线性光耦PC14的原边发光二级管，使光耦副边的三极管得到反馈电压，输入控制芯片U5的误差放大器对MOSFET的通断时间进行调节以及接入U6（UPA609）对电源进行过载保护。
1.3 实验测试
安全电源输出测试实验结果，见图5。图5所示“1”部分为安全电源轻载时输出波形图，由示波器测得电源输出电压为24 V，纹波有效值为180 mV，根据纹波系数=纹波电压/输出电压得出，安全电源轻载[15]时纹波系数=0.18/24=0.75%；“2”部分为安全电源搭载中心供氧监控系统下位机正常工作时输出波形图，由示波器测得电源输出电压为24 V，纹波有效值为220 mV，根据纹波系数=纹波电压/输出电压得出[16]，安全电源轻载时纹波系数=0.22/24=0.92%；“3”部分为安全电源轻载时占空比波形图，由示波器测得此时占空比为8.3%；“4”部分为安全电源搭载中心供氧监控系统下位机正常工作时占空比波形图，由示波器测得此时占空比为35.4%。实验测试结果知，安全电源正常工作时输出纹波系数小于1%，性能良好；占空比小于50%，可以有效的防止开机瞬间或负载短路时变压器可能出现饱和现象，安全性良好。
图4 光耦反馈调节电路图
图5 安全电源输出测试实验结果图
2 结语
该安全电源能正常稳定的长时间不间断工作，且输出文波系数小于1%、散热量小，同时拥有精确的限流保护、过压保护以、防止开机瞬间或负载短路时变压器饱和以及远程监测等安全防护功能，能在漏氧的环境下安全正常的工作，即使发生故障也不会有引发火灾的危险，具有良好的稳定性、安全性和实用性。能显著提高医院中心供氧监控系统下位机段的安全系数和实用价值，有利于提高医院中心供氧的智能化管理水平。
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Design of Safety Power Supply Based on Hospital Central Oxygen Supply Monitoring System
Abstract：ObjectiveTo design a set of safety power supply for hospital central oxygen supply monitoring system.MethodsThrough the safety circuit design, circuits such as over-current protection, overvoltage protection, optical coupling isolation feedback control circuit, remote monitoring interface were designed, which guarantee protection functions of accurate current limiting protection, over voltage, overload and remote monitoring.ResultsThe safe power supply can work stably for a long continuous time, and the output ripple is less than 1%. The over-current protection and overload protection circuits can work properly to guarantee the safety of the power supply.ConclusionThe safe power supply can offer power to the hospital central oxygen supply monitoring system properly, and can work stably in the condition of oxygen leakage. Even if malfunction happens, it will not cause f re. This design can signif cantly improve the machine safety coeff cient and the practical value of the hospital center oxygen supply monitoring system, helping to improve intelligent management level of hospital central oxygen supply monitoring system.
Key words：oxygen supply monitoring system; safety power supply; central oxygen supply
ZHOU De-qiang, YAN Le-xian, CHANG Fei-ba, WEI An-hai, LI Shu-ying, YIN Jun
Department of Medical Engineering, Research Institute of Surgery, Daping Hospital Third Military Medical University, Chongqing 400042, China
[中图分类号]TH778
[文献标识码]B
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.033
[文章编号]1674-1633(2016)12-0120-04
收稿日期：2016-05-18
修回日期：2016-06-24
通讯作者：尹军，高级工程师。研究方向：医疗设备与耗材的管理及医疗仪器研发。