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、穩(wěn)定性更高、保護功能更完善。綜合以上因素，彩超電源的復雜程度也更高。因此，在缺乏足夠技術資料的前提下，如何快速有效地完成彩超電源的維修任務是醫(yī)院維修工程師需要直面的問題。筆者基于自身的工作經驗以及對新型彩超的學習與了解，將彩超電源單元的典型組成結構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，其實現(xiàn)模式也大同小異[2]，因為它要保證相應的超聲診斷系統(tǒng)能滿足各類國際或區(qū)域的質量體系標準。通常，彩超電源的基本組成包括如圖1所示的3個單元，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。對于高級彩超，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，將使整機處于保護狀態(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的機箱或者空間來安置，它主要實現(xiàn)控制開關、簡單濾波、電氣隔離和電壓變換的功能，其典型組成結構如圖2所示。市電通過電源電纜線輸入，經過開關A、共模扼流圈B、差模濾波電容C以及抽頭切換開關，最后向隔離變壓器D的初級線圈提供交流電壓。該電壓經過變壓器變換后，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，又因為人體與大地之間往往具有較小的電阻，也就說人體與零線之間的電阻往往很小。當人體直接或間接與火線（相線）接觸時，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)療設備電源單元的前端往往設置了隔離變壓器，以實現(xiàn)設備內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

隔離變壓器除了實現(xiàn)電氣隔離的功能外，還具有改變交流供電電壓適應范圍的功能。國際上各國的市電供電電壓標準并不一致，通常包括100、110～127、200、220～240 V等電壓標準。設備生產商為了使自己生產的設備能適用于全球，便在設備當中增加了電壓變換功能。通常，通過改變隔離變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比來實現(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，因此通常使用開關電源來提供。開關電源若沒有采取功率因數(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、保險管、共模扼流圈、差模扼流圈、X電容、Y電容等器件，對輸入電源實現(xiàn)簡單的過流、過壓保護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、場效應管（如IRFP460）和高頻整流管。場效應管在PFC控制器的控制下打開或者關斷，從而控制流過PFC電感的平均電流波形與輸入電壓波形基本一致，最終實現(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的DC-DC轉換電路。

1.3 DC-DC變換單元

DC-DC變換單元實現(xiàn)了從直流電壓到另一直流電壓的轉換，本質上是將原直流電通過調整其占空比來控制輸出的有效電壓的大小。DC-DC轉換既可升壓，也可降壓。在彩超中，主要是實現(xiàn)降壓，即把約400 V的直流穩(wěn)壓轉換成其他直流低電壓。通常，每個電壓值都由單獨的DC-DC變換單元來實現(xiàn)。各個不同的DC-DC單元可以分別設計在獨立的印刷電路板上，也可以把多個合并在一片大印刷電路板上，具體的實現(xiàn)由DC-DC單元的輸出功率決定。

對于彩超來說，常見的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，為探頭驅動電路提供電壓。程控高壓可以是一個值或者多個值，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則為待機電壓。直流輸出都具有過流、過壓保護，其中以+5 V的保護級別最高。

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，由于對電源的拆解維修比較麻煩，因此動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。外圍設備的短路（包括探頭內部短路）常常使主機電源處于關機保護狀態(tài)，所以，診斷故障時應首先嘗試排除外圍設備故障后再開機檢測。同時，只有進行科學有序的維修保養(yǎng)，才能降低儀器的故障率，延長儀器的使用壽命。

2.2 常見故障處理

筆者將日常工作中遇到的一些故障案例和總結的維修經驗與讀者分享。

2.2.1 圖像出現(xiàn)干擾條紋

本院一臺邁瑞DC-7彩超圖像出現(xiàn)干擾條紋。據(jù)經驗判斷，此故障是由于附近有其他用電器如計算機、打印機、電梯等的干擾而引起的。比較有效的做法是增加或者改進彩超的接地線路。經過上述處理后，干擾條紋沒有減少的趨勢。之后，拆解檢測機器的內部接地情況和電源的濾波電路，發(fā)現(xiàn)濾波電路中的一個電阻老化生銹，導致接觸不良。更換老化電阻后，故障排除。

2.2.2 能待機，但無法開機

能待機，表明電源輸入部分正常；無法開機，大多數(shù)是由于CPU板塊故障。

2.2.3 通電瞬間有反應，但無法開機

通電瞬間有反應，表明電源輸入部分正常；無法開機，表明負載出現(xiàn)短路或者CPU板塊故障。

2.2.4 正常開機一段時間后突然關機

能正常開機，表明機器沒有重大故障。本院一臺西門子sequoia512開機一段時間后關機，據(jù)經驗判斷是由于系統(tǒng)保護或電源保護引起，可能是由于系統(tǒng)內局部過熱導致。拆機檢查機器內部電源的通風散熱狀況，發(fā)現(xiàn)風扇處灰塵厚重，電源板也粘有大量灰塵。進行清潔保養(yǎng)后，機器恢復正常。此外，需確保機器在合適的溫度環(huán)境中工作。

2.2.5 開機無任何反應

開機后無任何反應，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、漏電開關是否跳閘、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。重點檢查壓敏電阻、濾波電容、整流橋堆、PFC開關管等器件是否存在短路。

2.2.6 無回聲信號顯示

引起無回聲信號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，這可以通過調節(jié)聲輸出功率來甄別。程控高壓不正常，常常造成脈沖發(fā)射電路工作不正常，導致無回波信號顯示。

3 小結

彩超電源單元的可靠性直接決定了整臺彩超系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。掌握彩超電源的構成原理，不但有利于維護和保養(yǎng)彩超系統(tǒng)，而且有助于準確、高效地處理機器故障。面對醫(yī)療儀器技術的迅猛發(fā)展，作為醫(yī)院醫(yī)療設備維修的工作人員，必須不斷學習新技術，才能將維修工作圓滿完成。同時也要注意預防性維修，定期對儀器進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，才能確保儀器日常的正常工作。

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

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

[3] Brown M.開關電源設計指南[M].徐德鴻，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2004：184-193.

（收稿：2013-04-23 修回：2013-11-10）

R318．6；TH774

B

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)學工程科（周耀崇，蔣元林，徐文超）