彩超電源的組成原理與維修技巧

周耀崇，蔣元林，徐文超

彩超電源的組成原理與維修技巧

周耀崇，蔣元林，徐文超

0 引言

彩超電源與黑白B超電源相比，在性能方面有了很大提升。彩超電源的輸出功率更大、抗干擾能力更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高、保護(hù)功能更完善。綜合以上因素，彩超電源的復(fù)雜程度也更高。因此，在缺乏足夠技術(shù)資料的前提下，如何快速有效地完成彩超電源的維修任務(wù)是醫(yī)院維修工程師需要直面的問(wèn)題。筆者基于自身的工作經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)新型彩超的學(xué)習(xí)與了解，將彩超電源單元的典型組成結(jié)構(gòu)和故障維修技巧介紹如下。

1 彩超電源的組成原理

不同品牌和檔次的彩超，其電源單元的具體實(shí)現(xiàn)電路差別較大[1]。盡管如此，各種彩超電源仍然具有相似的理論基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)模式也大同小異[2]，因?yàn)樗ＷC相應(yīng)的超聲診斷系統(tǒng)能滿足各類國(guó)際或區(qū)域的質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)。通常，彩超電源的基本組成包括如圖1所示的3個(gè)單元，分別是隔離變壓器單元、功率因數(shù)校正（power factor correction，PFC）單元、DCDC變換單元。對(duì)于高級(jí)彩超，電源單元由專門的電源管理芯片控制[3]，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，將使整機(jī)處于保護(hù)狀態(tài)，并提示故障信息。

圖1 彩超電源組成框圖

1.1 隔離變壓器單元

隔離變壓器單元通常由單獨(dú)的機(jī)箱或者空間來(lái)安置，它主要實(shí)現(xiàn)控制開(kāi)關(guān)、簡(jiǎn)單濾波、電氣隔離和電壓變換的功能，其典型組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。市電通過(guò)電源電纜線輸入，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)A、共模扼流圈B、差模濾波電容C以及抽頭切換開(kāi)關(guān)，最后向隔離變壓器D的初級(jí)線圈提供交流電壓。該電壓經(jīng)過(guò)變壓器變換后，分別由V1、V2、V3輸出端輸出不同的電壓，為彩超主電源和外圍設(shè)備提供能量。

彩超電源使用隔離變壓器的目的是為了避免儀器使用者或者患者觸電。市電供電線路中的零線是與大地相連的，又因?yàn)槿梭w與大地之間往往具有較小的電阻，也就說(shuō)人體與零線之間的電阻往往很小。當(dāng)人體直接或間接與火線（相線）接觸時(shí)，就容易發(fā)生觸電事故。為了避免上述觸電事故的發(fā)生，醫(yī)療設(shè)備電源單元的前端往往設(shè)置了隔離變壓器，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的電氣連接與市電供電線路的完全隔離。

圖2 隔離變壓器單元

隔離變壓器除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離的功能外，還具有改變交流供電電壓適應(yīng)范圍的功能。國(guó)際上各國(guó)的市電供電電壓標(biāo)準(zhǔn)并不一致，通常包括100、110～127、200、220～240 V等電壓標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備生產(chǎn)商為了使自己生產(chǎn)的設(shè)備能適用于全球，便在設(shè)備當(dāng)中增加了電壓變換功能。通常，通過(guò)改變隔離變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的變換。

1.2 功率因數(shù)校正單元

功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率與總耗電量的比值?；旧?，功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。彩超電路中所需要的直流電壓種類較多而且功率較大，因此通常使用開(kāi)關(guān)電源來(lái)提供。開(kāi)關(guān)電源若沒(méi)有采取功率因數(shù)校正措施，其功率因數(shù)往往很低。因此，功率因數(shù)校正電路是彩超電源中的必要組成部分。

功率因數(shù)校正單元的典型框圖如圖3所示。該單元包括電磁干擾（electrormagnetic interference，EMI）濾波器電路、整流橋堆、PFC變換器電路和PFC控制電路4個(gè)部分（DC-DC變換單元在下一節(jié)分析）。

圖3 PFC單元與DC/DC變換單元原理框圖

EMI濾波器電路通常包括壓敏電阻、保險(xiǎn)管、共模扼流圈、差模扼流圈、X電容、Y電容等器件，對(duì)輸入電源實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)和電磁干擾濾波功能。整流橋堆通常固定在足夠大的散熱片上，以確保順利散熱。

PFC變換器電路通常包括PFC電感、場(chǎng)效應(yīng)管（如IRFP460）和高頻整流管。場(chǎng)效應(yīng)管在PFC控制器的控制下打開(kāi)或者關(guān)斷，從而控制流過(guò)PFC電感的平均電流波形與輸入電壓波形基本一致，最終實(shí)現(xiàn)接近1的功率因數(shù)。PFC控制電路常以專門芯片作為電路核心，如UC2854為典型的功率因數(shù)控制芯片。經(jīng)PFC單元處理后，輸出約為400 V的直流電壓，該電壓提供給下一級(jí)的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。

1.3 DC-DC變換單元

DC-DC變換單元實(shí)現(xiàn)了從直流電壓到另一直流電壓的轉(zhuǎn)換，本質(zhì)上是將原直流電通過(guò)調(diào)整其占空比來(lái)控制輸出的有效電壓的大小。DC-DC轉(zhuǎn)換既可升壓，也可降壓。在彩超中，主要是實(shí)現(xiàn)降壓，即把約400 V的直流穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成其他直流低電壓。通常，每個(gè)電壓值都由單獨(dú)的DC-DC變換單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。各個(gè)不同的DC-DC單元可以分別設(shè)計(jì)在獨(dú)立的印刷電路板上，也可以把多個(gè)合并在一片大印刷電路板上，具體的實(shí)現(xiàn)由DC-DC單元的輸出功率決定。

對(duì)于彩超來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的DC-DC輸出電壓有PHV、+12 V、-12 V、+5 V、-5 V、+3.3 V、+1.8 V、+5 VSB、+12 VSB等9種。PHV稱為程控高壓，約為100 V，為探頭驅(qū)動(dòng)電路提供電壓。程控高壓可以是一個(gè)值或者多個(gè)值，值的多少由發(fā)射脈沖的電平數(shù)決定。±12、±5 V為大部分的芯片、電路、顯示器和散熱風(fēng)扇供電。+3.3和+1.8 V為CPU、FPGA、DSP、CPLD等芯片供電。+5和+12 VSB則為待機(jī)電壓。直流輸出都具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，其中以+5 V的保護(hù)級(jí)別最高。

2 彩超電源的維修技巧

2.1 電源故障判斷

彩超的故障類型比較多，其中有不少故障是由電源故障引起的。然而，由于對(duì)電源的拆解維修比較麻煩，因此動(dòng)手拆解電源前有必要甄別貌似電源故障的非電源故障現(xiàn)象。外圍設(shè)備的短路（包括探頭內(nèi)部短路）常常使主機(jī)電源處于關(guān)機(jī)保護(hù)狀態(tài)，所以，診斷故障時(shí)應(yīng)首先嘗試排除外圍設(shè)備故障后再開(kāi)機(jī)檢測(cè)。同時(shí)，只有進(jìn)行科學(xué)有序的維修保養(yǎng)，才能降低儀器的故障率，延長(zhǎng)儀器的使用壽命。

2.2 常見(jiàn)故障處理

筆者將日常工作中遇到的一些故障案例和總結(jié)的維修經(jīng)驗(yàn)與讀者分享。

2.2.1 圖像出現(xiàn)干擾條紋

本院一臺(tái)邁瑞DC-7彩超圖像出現(xiàn)干擾條紋。據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，此故障是由于附近有其他用電器如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、電梯等的干擾而引起的。比較有效的做法是增加或者改進(jìn)彩超的接地線路。經(jīng)過(guò)上述處理后，干擾條紋沒(méi)有減少的趨勢(shì)。之后，拆解檢測(cè)機(jī)器的內(nèi)部接地情況和電源的濾波電路，發(fā)現(xiàn)濾波電路中的一個(gè)電阻老化生銹，導(dǎo)致接觸不良。更換老化電阻后，故障排除。

2.2.2 能待機(jī)，但無(wú)法開(kāi)機(jī)

能待機(jī)，表明電源輸入部分正常；無(wú)法開(kāi)機(jī)，大多數(shù)是由于CPU板塊故障。

2.2.3 通電瞬間有反應(yīng)，但無(wú)法開(kāi)機(jī)

通電瞬間有反應(yīng)，表明電源輸入部分正常；無(wú)法開(kāi)機(jī)，表明負(fù)載出現(xiàn)短路或者CPU板塊故障。

2.2.4 正常開(kāi)機(jī)一段時(shí)間后突然關(guān)機(jī)

能正常開(kāi)機(jī)，表明機(jī)器沒(méi)有重大故障。本院一臺(tái)西門子sequoia512開(kāi)機(jī)一段時(shí)間后關(guān)機(jī)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是由于系統(tǒng)保護(hù)或電源保護(hù)引起，可能是由于系統(tǒng)內(nèi)局部過(guò)熱導(dǎo)致。拆機(jī)檢查機(jī)器內(nèi)部電源的通風(fēng)散熱狀況，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇處灰塵厚重，電源板也粘有大量灰塵。進(jìn)行清潔保養(yǎng)后，機(jī)器恢復(fù)正常。此外，需確保機(jī)器在合適的溫度環(huán)境中工作。

2.2.5 開(kāi)機(jī)無(wú)任何反應(yīng)

開(kāi)機(jī)后無(wú)任何反應(yīng)，絕大多數(shù)是由于電源單元故障。主要檢查電纜供電是否正常、漏電開(kāi)關(guān)是否跳閘、熔斷器是否熔斷。熔斷器故障大多是由于PFC前的電路出現(xiàn)短路而引起的。重點(diǎn)檢查壓敏電阻、濾波電容、整流橋堆、PFC開(kāi)關(guān)管等器件是否存在短路。

2.2.6 無(wú)回聲信號(hào)顯示

引起無(wú)回聲信號(hào)顯示的原因可能是脈沖發(fā)射電路故障，也可能是回波處理電路故障，這可以通過(guò)調(diào)節(jié)聲輸出功率來(lái)甄別。程控高壓不正常，常常造成脈沖發(fā)射電路工作不正常，導(dǎo)致無(wú)回波信號(hào)顯示。

3 小結(jié)

彩超電源單元的可靠性直接決定了整臺(tái)彩超系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。掌握彩超電源的構(gòu)成原理，不但有利于維護(hù)和保養(yǎng)彩超系統(tǒng)，而且有助于準(zhǔn)確、高效地處理機(jī)器故障。面對(duì)醫(yī)療儀器技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備維修的工作人員，必須不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)，才能將維修工作圓滿完成。同時(shí)也要注意預(yù)防性維修，定期對(duì)儀器進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，才能確保儀器日常的正常工作。

[1] 金浩宇，李哲旭.醫(yī)用超聲診斷儀器應(yīng)用與維護(hù)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2011：232-235.

[2] 陳秋生.飛利浦IE33彩超常見(jiàn)故障維修與體會(huì)[J].醫(yī)療裝備，2013，28（3）：59-60.

[3] Brown M.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)指南[M].徐德鴻，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：184-193.

（收稿：2013-04-23 修回：2013-11-10）

R318．6；TH774

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1003-8868（2014）09-0149-02

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．09．149

310013杭州，解放軍117醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（周耀崇，蔣元林，徐文超）