医疗设备电源芯片级维修4例及经验总结
引言
电源是医疗电子设备的重要组成部分，其工作稳定性直接决定了医疗设备的正常功能和使用安全，医疗设备对电源的稳定性、可靠性有更高的要求，医疗设备中的电源主要分为线性稳压电源和开关电源两部分。线性电源由变压、整流、滤波、稳压这四部分组成，具有稳定性好、可靠性高、输出电压精度高和输出纹波电压小的优点，缺点是体积大、重量大、效率低。开关电源一般由整流、逆变、滤波、稳压这四部分组成，通过电源控制芯片输出可调宽度的信号来控制功率器件的导通时间，从而实现了输出电压大小的控制。优点是效率高、体积小、重量轻、对电网电压要求不高，缺点是电路较复杂、输出纹波和噪声成分较大[1]。
掌握电源的维修方法可以提高对医疗设备维修的及时性、降低医院开支、更好的为临床服务，下面对工作中遇到的电源维修案例进行阐述。
1 维修案例
1.1 故障一
1.1.1 故障现象
威力电刀FX-8C使用一段时间后电切报警“161”，电凝报警“159”或“163”，不报警时使用高频电刀参数检测工具QA-ESIII检测，发现输出功率值只有设置值的50%，国家标准要求为20%误差，功率输出不达标。
1.1.2 故障分析
该型号电刀的电源可分为低压电源和高压电源两部分，其中低压电源部分实现交流220 V交流变压为5 V和正负12 V直流，为主控制器和各运算放大器供电。高压电源部分实现交流电220 V转换为直流电压的0～180 V直流可调，从而实现电刀输出功率的可调[2]。
高压电源电路部分如图1所示，交流220 V电压经过整流变为直流300 V，分别加到Q1、Q5的集电极，通过控制4个N沟道的场效应管IRF840的开关，实现逆变。其中Q1、Q4是一组，Q3、Q5是一组交替导通关闭。T1A_DRIVE和T1C-DRIVE驱动信号通过隔离变压器控制场效应管的开关，交替导通两组开关管，实现直流电压逆变为交流电，然后加载到高频变压器T3的初级，经过升压后再整流滤波，形成直流高压电源[3]。通过调整驱动信号的脉冲占空比、脉冲重复周期等参数实现高压直流电压的0～180 V可调，从而实现输出功率的可调[4]。
图1 威力Force-8C电刀高压电路图
1.1.3 故障处理
测量+HVDC（高直流电压源）端发现其工作电压偏低，整流桥CR80输入输出电压300 V直流为正常值，测量高压电路的开关管MOSFET IRF840，发现有两个场效应管被击穿，导致全桥整流电路，变为了半桥整流电路，使得输出电压降低，这也解释了故障时输出功率只有设置功率50%的原因。后更换开关管Q2、Q3之后，用电刀参数检测仪进行了测试，功率输出恢复正常，并不再报故障代码。
1.2 故障二
1.2.1 故障现象
美国伟伦导光头灯有时无法点亮，有时可点亮，但工作一段时间后就熄灭。
1.2.2 故障分析
头灯结构可分为低压电源、高压升压、灯泡三部分。低压电源部分是开关电源，实现把220 V交流转换为16 V直流，高压升压部分是把16 V直流升压为高压，此高压用于激活氙灯内部的惰性气体，然后再转换到直流16 V低压供电。
16 V直流电压是由输入220 V交流电经过整流-滤波-逆变-整流-滤波得到的，其中逆变部分是由电源管理芯片UC3842控制监测的[5]。其内部原理图如图2所示，各引脚的描述如表1所述。
图2 UC3842芯片内部结构图
表1 UC3842芯片管脚功能简介表
?
1.2.3 故障处理
首先断开低压与高压电路板的连接，开机后发现有断断续续的滴答声，接上示波器观察，发现电源板输出电压是锯齿波（图3）。通过测量UC3842的5脚参考电压，发现也为锯齿波，测量芯片7脚启动电压，发现启动电压是正常的，测量过流保护电路的取样电阻为正常值，没有产生变值[7]。通过以上判断为电源管理芯片损害的概率较大，更换电源管理芯片UC3842后电压输出稳定，维修完成。UC3842的位置如图4所示。
图3 UC3842所在电路板位置
图4 故障电路板更换电源管理芯片UC3842
1.3 故障三
1.3.1 故障现象
PET-CT室的辐射剂量检测仪不能开机。
1.3.2 故障分析
仪器内置9 V蓄电池供电，该辐射剂量检测仪属于手持低功耗设备，稳压芯片要求有较低的静态工作流，单片机要有低功耗设计，不用时进入低功耗模式，节省电量消耗。辐射剂量分析仪故障芯片位置如图5所示。经检测发现单片机无供电，晶振无法振荡，判断为电源故障，单片机供电为3.3 V，由电池9 V转化而来，这是由芯片MAX882低压差稳压芯片实现的[8]，其典型应用电路图如图6所示。
图5 辐射剂量分析仪故障芯片位置
图6 MAX882芯片参考电路图
MAX882芯片结构如图7所示，电池低电量比较器输入端，可通过分压电阻网络设置报警电压。分压后跟内部1.2 V参考电压进行比较，当小于1.2 V时，控制开关管导通，使得低电量输出端连接到地，通过上拉电阻连接电压，单片机检测该脚的电压，从而检测电池电量并进行报警。待机控制引脚，低电平有效，通过逻辑控制关断芯片输出，此时静态工作电流只有1 µA。芯片内部有温度传感器，过热时通过逻辑控制关断芯片输出。误差放大器对输出电压和参考电压进行比较并放大，然后动态调整输出电压和输出电流，使得芯片输出稳定。双模式比较器设置端接地时，可使用内置的分压电阻，直接得到3.3 V，不接地时，可通过外接分压电阻，获得想要的输出电压。内置P沟道的MOSFET，可降低静态电流和工作时的基极驱动电流。内置回返电流控制可以检测基极门电压，估算流过MOSFET的电流，并限制电流输出，保护芯片[9]。
图7 MAX882芯片内部结构图
1.3.3 故障处理
检查发现输入9.9 V正常，外围电路器件正常，但无输出，判断为该芯片MAX882损坏，更换芯片后供电正常，芯片位置为图8圆圈标记所示。
图8 血滤机二级电源板
1.4 故障四
1.4.1 故障现象
百特Aquarius连续性血滤机在开机后自动关机，无法进入工作界面。
1.4.2 故障分析
二级电源板指示灯有异常，二级电源板实现把初级电源输出的24 V直流，转换为5.2、14.7、12.3、15、-15、7.76 V六种直流电压，然后给主板使用，经过测试发现7.76 V电压没有输出，该电压是由L5973D降压实现的，其在二级电源板的位置如图8所示。
L5973D是输出开关电流为2.5 A的降压开关稳压芯片，其直流输出电流能力可达2 A以上，输入电压范围为4～36 V，输出电压范围在1.235～35 V之间可调节，固定开关频率为250 kHz，具有热保护和反馈断开保护功能[10]，其典型电路如图9所示，1脚为输出端，C1为输入电容，C2为输出电容，起到滤波作用，用于保持输入输出电压的稳定；2脚是主从同步控制端，通过时序控制上电顺序；3脚是使能端，低电平使能该芯片；4脚是补偿端，接RC电路，用于频率补偿，稳定输出；5脚是反馈输入端，通过外接电阻获得想要的输出电压；6脚是参考电压端；7脚是地；8脚是电源输入端，连接芯片内部开关管的集电极[11]。
图9 L5973D参考电路图
当开关管导通时，初级电压是24 V电压，经内部开关管的集电极、发射极、外部储能电感L1、电容C2、接地构成回路，芯片输出电流在C2上建立直流电压，电感自感应出左正右负的电动势。在当开关管闭合时，电流突然减小，因为电感有维持电流不变的特性，自感出右正左负的脉冲电压，电感右端的电压经滤波电流C2，续流二极管D1，回到电感L1的左端，构成回路，继续提供电流输出，从而使得在开关管关闭时，电流也能连续提供。D1为肖特基二极管，快速反向恢复时间短，适合低功耗、大电流、超高速的应用[12]，也是易被击穿的器件。
1.4.3 故障处理
芯片L5973D损坏，续流二极管D1击穿，更换器件后设备正常。
2 讨论与总结
本文针对工作中遇到的医疗设备维修案例，进行设备原理，电路原理及芯片结构功能的讲解，与同行分享医疗设备的维修经验，共同学习进步，在面对电源故障时一般根据优先级需要排查以下几点：① 大功率开关管故障；② 低压差稳压芯片及开关电源芯片故障；③ 电源控制芯片故障，无法输出稳定的驱动开关管的信号；④ 自启动电路故障，导致电源管理芯片无法启动成功；⑤ 外接电容电阻变值导致振荡电路、取样电路等故障；⑥ 保护电路故障，如过流保护电路或过压保护电路被触发后导致电源管理芯片停止工作，之后又重新启动[13]。
维修过程中的注意事项包括：功率器件因发热量大，对散热要求较高，如果散热不好，器件易损坏，功率器件更换后要注意散热片，导热硅脂，散热风扇的功能是否正常，必要时要更换，另外要及时清理设备内部的灰尘，清洗滤网提高散热效果。要注意防静电措施，带橡胶手套或防静电手环，禁止带电操作、带电焊接。
设备维修后的注意事项包括：维修后要有充分的试运行时间，保证设备的功能完好，并使用电刀分析仪，电气分析仪等专业质控仪器对维修后的医疗设备进行质控，使得电气参数和功能参数满足国家标准要求。保证临床医疗设备的电气安全和功能完好[14-15]。
[1] 刘建清.开关电源维修从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2012:129-132.
[2] 李莲英,梁艳芳,黄石群,等.不同手术部位及组织的高频电刀、电凝器适宜输出功率的研究[J].护理研究,2010,24(27):2495-2496.
[3] 马继鹏,郑冉冉,周朋超.Force FX-8C电刀常见故障的分析处理[J].中国医疗设备,2019,34(2):177-180.
[4] 李瑜.一种触发脉冲串驱动电路:中国,CN203522203U[P].2014-04-02.
[5] 杨海川,牛洪杰,杨思程.一种基于芯片UC3842的开关电源设计与实现[J].山东工业技术,2019,285(7):135-136.
[6] 王红立.医疗器械开关电源维修技术[J].医疗装备,2018,31(13):117-119.
[7] 张元旭,关淑萍.医疗设备中开关电源工作原理及常见故障分析与检修[J].中国医疗设备,2016,31(5):163-164.
[8] 刘春河.一种超低电压工作的DC-DC转换启动用充电泵IC——S-882Z系列[J].电子世界,2008,(11):26.
[9] 叶维民,周德维.基于MOSFET内阻的电流采样及相电流重构方法[J].电子技术与软件工程,2015,(20):137-139.
[10] 张洪让.电工原理[M].第2版.北京:中国电力出版社,2004:21-27.
[11] 刘胜泉.一种用于电子延时开关的稳压电路:中国,CN103795244A[P].2014-05-14.
[12] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2009:8-30.
[13] 王博.电源在医疗器械维修中的重要性[J].科技创业家,2013,(10):206.
[14] GB 9706.1-2007,医用电气设备(第1部分):安全通用要求[S].
[15] 马继鹏,周朋超,郑冉冉.医院在用高频电刀的质量控制与数据分析[J].中国医疗设备,2018,33(11):51-54.
Four Cases of Chip Level Maintenance Experience of Medical Equipment Power