電源管理系統(tǒng)在血液凈化設(shè)備中的應(yīng)用

張向軍++宋婷婷

【摘 要】血液凈化設(shè)備是將患者血液引出體外并通過一種凈化裝置，除去其中某些致病物質(zhì)，調(diào)節(jié)電解質(zhì)平衡，再將血液輸回患者，并在治療過程中對血液進(jìn)行全程監(jiān)控報警的設(shè)備[1]。一旦斷電必然對患者造成巨大的風(fēng)險，因此在血液凈化設(shè)備中必然會對電源管理系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用有更高的要求。文章首先對血液凈化設(shè)備中電源管理系統(tǒng)的作用進(jìn)行簡單系統(tǒng)的描述，其次對電源管理系統(tǒng)的各個組成部分進(jìn)行了分析介紹，最后提出了血液凈化設(shè)備中一種電源管理系統(tǒng)的應(yīng)用解決方案。

【關(guān)鍵詞】血液凈化設(shè)備 電源管理系統(tǒng) 應(yīng)用解決方案

隨著電力事業(yè)的發(fā)展，各類大中型醫(yī)院基本都配備了應(yīng)急電源系統(tǒng)，有效降低了醫(yī)院長時間斷電的風(fēng)險。但是短時間的斷電對精密醫(yī)療設(shè)備造成的危害不容忽視[2]。特別是對血液凈化設(shè)備等生命支持系統(tǒng)，短時間的斷電不但會對設(shè)備內(nèi)部元器件造成損害，更會對正在接受治療的患者帶來生命危險。因此，在血液凈化設(shè)備中配備電源管理系統(tǒng)是十分必要的。

1 電源管理系統(tǒng)在血液凈化設(shè)備的作用

血液凈化設(shè)備基本都配備有蓄電池，但是蓄電池只能維持血泵運(yùn)轉(zhuǎn)和操作顯示，而血液凈化設(shè)備的回路監(jiān)控報警、溫度控制、液體平衡功能都無法正常工作。遇到停電的狀況只能給患者回血，結(jié)束治療，給患者造成很大的不便。因此加強(qiáng)電力供應(yīng)保障，提供一款能維持血液凈化設(shè)備在停電情況下繼續(xù)工作的電源管理系統(tǒng)是非常重要的[3]。

電源管理系統(tǒng)就是對電源實(shí)時監(jiān)測和控制的系統(tǒng)。通過對血液凈化設(shè)備接入的市電電源及蓄電池電量的實(shí)時監(jiān)控，進(jìn)而完成電源的切換和蓄電池的充放電操作，并把獲取的電源信息反饋到控制系統(tǒng)，做到實(shí)時監(jiān)控，實(shí)時顯示，對電源進(jìn)行有效的管理和控制，提高電源系統(tǒng)的可靠性。

2 電源管理系統(tǒng)的構(gòu)成

電源管理系統(tǒng)由主電源斷電檢測電路、電源切換電路、電池電量監(jiān)測電路、電池充電電路、直流升壓電路、數(shù)據(jù)處理及主控制電路、人機(jī)界面、主電源及鉛酸蓄電池構(gòu)成。系統(tǒng)方塊圖如圖1。

血液凈化設(shè)備使用AC220V作為主電源供電，在設(shè)備內(nèi)部再降壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟ｃU酸蓄電池作為備用電源使用，可以選擇DC12V電池，如果需要DC24V或者更高的直流電源可以將鉛酸蓄電池串聯(lián)使用。直流升壓電路主要為鉛酸蓄電池充電用。在主電源正常工作的情況下充電電路會根據(jù)檢測到的電池電壓對電池進(jìn)行不同狀態(tài)的充電。電源切換電路用來主動切換主電源和備用電源，需要極短的反應(yīng)時間。主電源斷電檢測電路用來時間監(jiān)測主電源電壓，采集電壓數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給主控電路。電池電量檢測電路用來測量電池的實(shí)時電量情況，采集電池電壓數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給主控電路。主控系統(tǒng)根據(jù)采集到的模擬電壓數(shù)據(jù)通過自帶AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成需要的數(shù)據(jù)，來判斷主電源及備用電池的狀態(tài)并在人機(jī)界面顯示，同時控制對備用電池的電量監(jiān)測。

3 電源管理系統(tǒng)的應(yīng)用解決方案

3.1 電池充電電路

充電模塊選用的一款開關(guān)模式的鉛酸蓄電池充電控制芯片，它采用一個高效均流模式控制回路精確控制鉛酸蓄電池的充電。該芯片兼有充電邏輯控制和均流PWM控制，可根據(jù)電池端電壓及充電電流采用電流調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié)控制充電。芯片內(nèi)部帶有欠壓鎖定環(huán)路來取保輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)切換前為負(fù)載提供有效的工作電壓。外芯片包含：一個采樣電流差動放大器、一個1.5%精度參考電平、一個3.9mV%℃的線性熱敏電阻、電壓和電流誤差放大器、PWM鎖存器、充電狀態(tài)解碼單元及集電極輸出驅(qū)動器等單元電路。電路原理圖如圖2。

該電路可以按照鉛酸蓄電池的三段充電特性曲線充電。以12V鉛酸蓄電池為例，第一階段：充電電路提供一個恒流的充電電流I（0.12CA～0.15CA）給蓄電池充電，蓄電池容量快速增加直到蓄電池電壓上升到過充電壓14.8V，進(jìn)入第二階段過壓充電。第二階段：充電電壓保持恒壓14.8±0.1V并略高于電池額定電壓充電，以使蓄電池能量達(dá)到最終飽和，充電電流逐漸下降到過過沖終止電流（0.03CA），蓄電池充滿進(jìn)入第三階段涓流浮充階段。第三階段：充電電路為蓄電池提供一個恒壓并帶有溫度補(bǔ)償?shù)母〕潆妷篣（13.8±0.1V）為蓄電池充電以維持蓄電池容量不變，同時提供一個很小的浮充電流彌補(bǔ)蓄電池自身放電帶來的容量損失，此后蓄電池在使用過程中電壓下降到過壓電壓的90%后，充電電路會自動進(jìn)入第一階段充電[4]。12V鉛酸蓄電池充電特性曲線如圖3。

3.2 電源切換電路

該電路的工作原理是：以DC12V供電電壓為例，TL431作為精密電壓基準(zhǔn)源可以按照12V電源的通斷狀態(tài)控制三極管Q5的通斷。當(dāng)12V供電正常時，Q5截止，Q6導(dǎo)通，Q4截止，Q3柵極高電壓，源極漏極之間截止，僅由主電源供電。當(dāng)12V供電中斷時，Q5導(dǎo)通，Q6截止，Q4導(dǎo)通，Q3柵極低電壓，源極漏極之間導(dǎo)通，由BAT+供電。電路原理圖如圖4。

R22，R21用來調(diào)整TL431的輸出電壓，可選14K，2K。Q2，Q3可選IRF5305。Q4，Q6可選BCR503。Q5可選A1015。

3.3 電量檢測電路

電量檢測電路采用TI公司的BQ2013H芯片。該芯片是專門為可充電電池設(shè)計。在電池的負(fù)極和線路板的地之間串接一個檢測電阻，芯片通過監(jiān)測檢測電阻的電壓降來判斷電池的充放電狀態(tài)，當(dāng)VSR>VSS表示充電，當(dāng)VSR

電路原理圖如圖5。

4 結(jié)語

血液凈化設(shè)備功耗會比較大，電池供電開啟瞬間電流會比較大，因此要選用容量較大的動力電池，以滿足設(shè)備功耗。另外，現(xiàn)有血液凈化設(shè)備有可能使用了交流加熱的方式，選用該電源管理系統(tǒng)后無法維持加熱系統(tǒng)工作。因為血液凈化設(shè)備需要選用直流加熱板等直流加熱系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王質(zhì)剛.血液凈化設(shè)備工程與臨床.北京：人民軍醫(yī)出版社，2006：2.

[2]陳伯武.醫(yī)院緊急備用電源配置方案.中國科技信息，2007（1）：155-156.

[3]楊棟，王曉堂.血液透析機(jī)配備備用電源的方法.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2015，34（1）：84-84.

[4]王新生，游青山，冉霞閥控式鉛酸蓄電池與UC3909智能充電《通信電源技術(shù)》，2008，25（3）：59-61.

[5]張存吉，龔仁喜，張仲良，溫俊柱，周劍歡.BQ2013H在鉛酸蓄電池電量監(jiān)測中的應(yīng)用.《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》，2011，11（3）：47-50.