電源管理系統在血液凈化設備中的應用

張向軍++宋婷婷

【摘 要】血液凈化設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，調節電解質平衡，再將血液輸回患者，并在治療過程中對血液進行全程監控報警的設備[1]。一旦斷電必然對患者造成巨大的風險，因此在血液凈化設備中必然會對電源管理系統的設計應用有更高的要求。文章首先對血液凈化設備中電源管理系統的作用進行簡單系統的描述，其次對電源管理系統的各個組成部分進行了分析介紹，最后提出了血液凈化設備中一種電源管理系統的應用解決方案。

【關鍵詞】血液凈化設備 電源管理系統 應用解決方案

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

1 電源管理系統在血液凈化設備的作用

血液凈化設備基本都配備有蓄電池，但是蓄電池只能維持血泵運轉和操作顯示，而血液凈化設備的回路監控報警、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，結束治療，給患者造成很大的不便。因此加強電力供應保障，提供一款能維持血液凈化設備在停電情況下繼續工作的電源管理系統是非常重要的[3]。

電源管理系統就是對電源實時監測和控制的系統。通過對血液凈化設備接入的市電電源及蓄電池電量的實時監控，進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，做到實時監控，實時顯示，對電源進行有效的管理和控制，提高電源系統的可靠性。

2 電源管理系統的構成

電源管理系統由主電源斷電檢測電路、電源切換電路、電池電量監測電路、電池充電電路、直流升壓電路、數據處理及主控制電路、人機界面、主電源及鉛酸蓄電池構成。系統方塊圖如圖1。

血液凈化設備使用AC220V作為主電源供電，在設備內部再降壓轉變為直流電。鉛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檢測到的電池電壓對電池進行不同狀態的充電。電源切換電路用來主動切換主電源和備用電源，需要極短的反應時間。主電源斷電檢測電路用來時間監測主電源電壓，采集電壓數據并將數據傳輸給主控電路。電池電量檢測電路用來測量電池的實時電量情況，采集電池電壓數據并將數據傳輸給主控電路。主控系統根據采集到的模擬電壓數據通過自帶AD轉換器轉換成需要的數據，來判斷主電源及備用電池的狀態并在人機界面顯示，同時控制對備用電池的電量監測。

3 電源管理系統的應用解決方案

3.1 電池充電電路

充電模塊選用的一款開關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，可根據電池端電壓及充電電流采用電流調節或電壓調節控制充電。芯片內部帶有欠壓鎖定環路來取保輸出轉換開關切換前為負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、充電狀態解碼單元及集電極輸出驅動器等單元電路。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償的浮充電壓U（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作為精密電壓基準源可以按照12V電源的通斷狀態控制三極管Q5的通斷。當12V供電正常時，Q5截止，Q6導通，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12V供電中斷時，Q5導通，Q6截止，Q4導通，Q3柵極低電壓，源極漏極之間導通，由BAT+供電。電路原理圖如圖4。

R22，R21用來調整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計。在電池的負極和線路板的地之間串接一個檢測電阻，芯片通過監測檢測電阻的電壓降來判斷電池的充放電狀態，當VSR>VSS表示充電，當VSR

電路原理圖如圖5。

4 結語

血液凈化設備功耗會比較大，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，以滿足設備功耗。另外，現有血液凈化設備有可能使用了交流加熱的方式，選用該電源管理系統后無法維持加熱系統工作。因為血液凈化設備需要選用直流加熱板等直流加熱系統。

參考文獻：

[1]王質剛.血液凈化設備工程與臨床.北京：人民軍醫出版社，2006：2.

[2]陳伯武.醫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.血液透析機配備備用電源的方法.北京生物醫學工程，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》，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測中的應用.《單片機與嵌入式系統應用》，2011，11（3）：47-50.