便攜式醫療設備自動電壓轉換單元設計

余乾子

（上海大學中歐工程技術學院，上海 200000）

1 研究背景

現階段，隨著科學技術的不斷發展和創新與電子技術的改革創新，新型智能的醫療設備不斷被研制。任何醫療設備離不開供電單元，因此更加安全、智能以及便攜的醫療配電單元引起了人們的關注[1]。智能化的配電單元負責將可靠的電源有效分配到系統的各個模塊，因此配電模塊的尺寸大小、可靠性、安全性以及穩定性等面臨著較大的考驗[2]。目前，市面上的配電單元大多定制設計，固有的輸入輸出模式無法自由應對不同國家的電壓等級。當出現不同的電壓等級時，需要重新設計變壓器和相關電路，既導致成本的浪費，也在使用中存在安全隱患。因此，具有自動識別電壓等級并能自動轉換輸入輸出電路的配電單元顯得尤為重要。

2 便攜式醫療設備自動電壓轉換單元技術介紹

便攜式醫療設備自動轉換單元與傳統配電單元相比，具有輕量化、集成化程度高以及電壓自動識別切換系統，使得用戶在使用過程中更加便捷、安全。因此，將以醫療配電單元為背景，分析其高度集成化和自動切換電壓的設計要點[1]。

2.1 電氣設計

便攜式醫療設備自動電壓轉換單元主要包含電壓輸入模塊、電能變換和隔離模塊、電壓監測識別和自動切換模塊以及輸出模塊。便攜式醫療設備自動電壓轉換單元如圖1所示。

圖1 便攜式醫療設備自動電壓轉換單元

系統的輸入模塊由輸入端子和必要的保護器件組成，可實現系統的過電流保護和過熱保護。電壓監測模塊與輸入模塊相連，能夠實時監測系統輸入電壓，并根據監測結果驅動控制電路切換電路連接方式。切換后的電壓經過高性能隔離變壓器進行電能變化輸出，并可根據用戶需求手動變換輸出電壓。

2.1.1 主電路設計

便攜式醫療設備自動電壓轉換單元的主電路功能是將電能從網電源輸入，經過檢測切換和電能變換后，輸出至醫療配電設備。主電路圖如圖2所示，具體包含以下幾個部分。

（1）輸入保護電路。輸入保護電路用于連接網電源，同時提供必要的短路保護和過熱保護，并向電壓監測識別和自動切換模塊提供電壓信號。

（2）單相整流模塊。單相整流模塊用于將網電源電壓整流為直流電，為電壓識別模塊提供依據，為切換繼電器提供線圈驅動電壓。

（3）隔離變壓器。隔離變壓器用于輸入輸出的電能變化，隔離初次電路干擾。

（4）電壓切換電路。經過整流后的電壓經過識別電路后驅動切換繼電器，從而實現變壓器初次級繞組的串并聯連接，從而得到正確的輸出電壓。

圖2 便攜式醫療設備自動電壓轉換單元主電路

2.1.2 控制電路設計

便攜式醫療設備自動電壓轉換單元的控制電路包含整流電路和切換電路。整流電路將網電源交流電整流為直流電，為電壓識別模塊提供依據，為切換繼電器提供線圈驅動電壓。切換電路根據網電源輸入電壓的不同，切換變壓器繞組的串并聯，從而得到想要的輸出電壓。

單相橋式整流電路主要作用是整流，電路如圖3所示。整流電路是將交流轉換為直流的電路。本文采用橋式整流電路，如圖3所示的整流橋，可以是4只整流二極管連接成的橋式電路，也可以是集成的整流器。根據二極管的單向導電性，在正弦波的正負周期內，整流二極管兩兩交替導通，整流橋的輸出端輸出一個單向的脈動電壓，再經濾波電容濾波，就可以得到較為平滑的直流電壓。整流濾波輸入輸出波形如圖4 所示[3]。

圖3 單相橋式整流電路

圖4 整流濾波輸入輸出波形圖

電壓切換模塊電路如圖5所示。當網電源電壓為100 V/110 V/120 V時，變壓器初級和次級并聯，圖6為變壓器繞組并聯圖。當網電源電壓為220 V/230 V/240 V時，變壓器初級和次級串聯，圖7為變壓器繞組串聯。當便攜式醫療設備自動電壓轉換單元通電時，會先通過切換電路判斷網電源電壓是100 V/110 V/120 V還是220 V/230 V/240 V。

若是100 V/110 V/120 V，經過ZD1和ZD3穩壓管的管壓降后（每個穩壓管的管壓降約為60 V），到達J1繼電器的線圈電壓約為0 V，無法驅動繼電器線圈動作，從而KM1與KM2保持常開，即J3常開，KA1和KA2兩個繼電器線圈無法得電。變壓器初期兩個繞組和次級兩個繞組形成串聯，輸出電壓為220V。

圖5 切換電路

圖6 變壓器繞組并聯

圖7 變壓器繞組串聯

若是220 V/230 V/240 V，經過ZD1和ZD3穩壓管的管壓降后（每個穩壓管的管壓降約為60 V），到達J1繼電器的線圈電壓約為110 V，從而驅動繼電器線圈動作，進而KM1與KM2閉合，即J3閉合，KA1和KA2兩個繼電器線圈得電。變壓器初期兩個繞組和次級兩個繞組形成并聯，輸出電壓仍為220 V。

2.1.3 變壓器設計

變壓器的外形尺寸如圖8所示，電氣原理如圖9所示。

圖8 變壓器外形尺寸圖

圖9 變壓器原理圖

變壓器初級輸入電壓為0～110 V的單相AC，頻率為50/60±3 Hz。

（1）當初級并聯輸入時，1、3和2、4端輸入110 V，輸出端5、7和6、8端并聯輸出110 V/750 VA。

（2）當初級并聯輸入時，1、3和2、4端輸入100 V，輸出端5、7和6、8端并聯輸出100 V/750 VA。

（3）當初級并聯輸入時，1、3和2、4端輸入120 V，輸出端5、7和6、8端并聯輸出120 V/750 VA。

（4）當初級串聯輸入時，2和3短接，1和4端輸入220 V，輸出端6和7短接，5和8輸出220 V/750 VA。

（5）當初級串聯輸入時，2和3短接，1和4端輸入230 V，輸出端6和7短接，5和8輸出230 V/750 VA。

（6）當初級串聯輸入時，2和3短接，1和4端輸入240 V，輸出端6和7短接，5和8輸出240 V/750 VA。

2.2 結構設計

結構布局滿足高集成化緊湊型設計理念，在滿足功能、安全以及相關醫療設備強制性標準的前提下盡可能集成化和輕量化。外殼采用SGCC鈑材，外表面塑粉噴涂，設計美觀及輕量耐腐蝕。網電源輸入輸出接口采用美標IEC插頭，并伴有輸入輸出指示燈。外殼側面設有防誤入散熱孔供給發熱元件散發熱量，整機尺寸300 mm×175 mm×115 mm（W×D×H），外觀模型如圖10所示。

圖10 便攜式醫療設備自動電壓轉換單元模型

2.2.1 熱學分析

為滿足IEC 60601-1醫用電氣設備關于ME設備正常使用時容許的最高溫度的要求，ME設備可能被觸及部件容許的最高溫度為48 ℃，如表1所示。與皮膚接觸的ME設備的應用部分容許的最高溫度為43 ℃，如表2所示。

表1 ME設備可能被觸及部件容許的最高溫度

表2 與皮膚接觸的ME設備的應用部分容許的最高溫度

（1）熱學仿真分析。已知條件為環境溫度20 ℃，散熱孔開孔率設置為0.6，采用自然冷卻的散熱方式。各部件導熱率及損耗設置如表3所示。去掉不影響散熱的零件以及倒角、圓角、緊固件等，簡化后的模型如圖11所示。

表3 仿真參數設置

（2）仿真實驗散熱方案設計。根據項目實際情況，兩側面及機箱的右端面都開上下兩排散熱孔形成對流，開孔率設置為0.6。輸入各部件損耗，設置仿真參數后進行計算，得到的仿真截面溫度云圖和機殼溫度云圖分別如圖12和圖13所示。從溫度云圖中可以看出，最高溫度在變壓器鐵芯處，為93 ℃，溫升為73 ℃。從機殼溫度云圖可知，最高溫度出現在機殼底部，溫度為35 ℃，滿足通用標準要求。

圖11 模型簡化

圖12 溫度云圖

圖13 機殼溫度云圖

3 結 論

醫療科技不斷發展，推動著配套設備不斷更新。便攜式醫療設備自動電壓轉換單元的面世，在醫療領域將發揮至關重要的作用，對其保護功能、智能原理以及自動控制等方面也將不斷提出新的需求和設計理念。特殊的應用環境使得便攜式醫療設備具有更大的潛在需求，提出的自動電壓轉換單元可以根據網電源電壓的大小自動切換變壓器繞組的連接方式，從而達到輸出電壓保持220 V的目的。經過反復實驗，產品滿足通用標準要求，損耗小、噪聲低以及效率高，與傳統的醫療配電單元相比具有明顯優勢。