某型直升機醫療救護單元電源轉換系統設計

李寧，符江，姚榮強，肖愛農，董笑語，徐素文

（1.航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽，441003；2.株洲宏達電子股份有限公司，湖南株洲，412000）

0 引言

某型直升機醫療救護單元用于中、重癥傷病員航空醫療后送、生命體征監測和緊急救治。醫療救護單元具備同時救治2 名傷病員的能力，滿足傷病員后送途中生命體征監護、心電除顫、機械通氣、加壓輸液、負壓吸引等急救功能需求。

醫療救護單元電源轉換系統為適應機上28V電壓變化，并為除顫監護儀、負壓吸引器，輸液泵、呼吸機和照明燈等設備供電，這些設備因各個用電設備的電源特性不同，機上電源需經過轉換和設計滿足電壓特性要求和供電兼容性要求。為有效保障醫療救護設備系統正常工作，需在電源系統設計時，充分考慮供電能力和質量，醫療救護單元分布式電源系統的優劣會直接影響設備系統的正常運行。

1 系統整體設計方案

設計整體基于“通用化”“組合化”“系列化”設計原則，同時考慮整體設計的可靠性、工藝裝配復雜性和內部空間利用的最大化，在總體方案設計選擇上，選擇采用標準成熟電源模塊和分立器件混合搭建的技術方案。采用標準、成熟電源模塊可以大大降低設計技術難度、復雜度和工藝組裝生產的出錯概率，有利于提高產品的可靠性。而采用分立器件的搭建，可以合理利用內部空間體積，針對性地實現產品復雜功能性設計。其中七路功率轉換電路采用標準、成熟的電源模塊，降低電路復雜度。其他元器件按照使用環境和功耗進行分析和選用，例如電容的選擇，滿足降額的條件下，相同容值的電容，盡可能選擇相同的型號和封裝大小，減小元器件種類。

2 功率變換和降額設計

3 電路設計

電源轉換系統主要輸入尖峰抑制電路及輸入防反接電路、輸入電流浪涌抑制電路、DC/DC 轉換電路和輸出濾波電路7 路功率（Vo1/150W、Vo2/110W、Vo3、Vo4/12W、Vo5/65W、Vo6/25W、Vo7/25W)模塊轉換電路以及輸出濾波電路組成，組件拓撲結構原理圖如圖1 所示。

圖1 電路組件拓撲結構原理圖

■3.1 輸入尖峰抑制電路及輸入防反接電路

輸入尖峰抑制電路及輸入防反接電路見圖2，尖峰抑制電路主要由TVS 管D1 來實現，通過TVS 管與28V 電源并聯，將輸入尖峰電壓鉗位在要求的范圍，避免對用戶的系統造成破壞，對電源組件內部的器件也起到一定的保護作用。輸入尖峰電壓通過TVS 管將鉗位在要求的范圍，此TVS 管峰值功率最大為5KW，鉗位電壓85V，試驗項設備內阻80R，電流,瞬態功率，器件選型滿足設計要求。

圖2 尖峰抑制和防反接電路

輸入防反接電路由MOS 管Q14，Q15，Q16 以及外圍驅動電路組成，使用N 溝道MOS 開關，設置在輸入低端，通過輸入電壓正端為MOS 驅動供電；僅當輸入正負正向接入時，MOS 開關才會打開，為后級提供電源；反接時，無法驅動MOS 打開，可以起到防反接作用。防反接MOS 管電特性參數為100V/80A，RDS(ON)=6.6mR；當產品輸入電壓28V 時，滿載工作電流在20A 以內，小于MOS 最大電流80A；MOS 耐壓100V 大于端鉗位電壓85V；同時為降低導通損耗，采用三顆并聯。

■3.2 輸入電流浪涌抑制電路

輸入經過尖峰抑制和輸入防反接電路后，通過電流浪涌抵制電路，見圖3，因后級DC/DC 模塊輸入端有大容量濾波電容，產品在輸入端上電初期會對電容充電，產生很大的沖擊電流，對輸入供電設備會造成影響。

圖3 輸入電流浪涌抑制圖

為有效降低沖擊電流采用由功率電阻 R284、R297、R298、Q12、Q13、Q17 及其外圍驅動和延時電路組成電流浪涌抑制電路。產品剛上電時，MOS 管Q12、Q13、Q17 因延時不導通，輸入電流先經功率電阻R284，R297，R298 給后級電容預充電；電阻選用株洲宏達RSS-3W-15R型，可將浪涌脈沖電流抑制在范圍內；預充時間由VCC 電壓通過電阻R281 對電容C202 充電控制；當后端濾波電容經功率電阻 R284、R297、R298 充滿電后，MOS 管Q12、Q13、Q17 導通旁路掉功率電阻降低在路阻抗，此時不會出現脈沖電流，從而實現浪涌抑制功能。

■3.3 輸入EMI 電路

為滿足機載設備環境條件和電磁兼容性，輸入端設計EMI 濾波電路，原理圖見圖4。

圖4 輸入EMI 濾波電路圖

此EMI濾波電路主要由X電容，Y電容，共模電感等組成，能夠衰減DC/DC 變換模塊電路產生的差模和共模干擾信號。電源模塊開關頻率設計為300kHz，高次諧波主要集中在500kHz～30MHz，EMI 濾波電路由兩級共級電感，Y 電容，X 電容組成，能夠有效衰減電源產生的差模和共模干擾信號，及阻止產品干擾信號對外部的干擾，同時也有效防止外部干擾源對產品自身的影響。濾波X 電容（C29、C28、C 3 0、C 3 1、C 3 2、C 3 3、C34、C35、C36)采用低ESR 大容量瓷介電容并聯，濾波Y 電容（C41、C39、C1、C7、C6、C2)選用高壓瓷介電容，滿足安全性要求。

■3.4 DC/DC 轉換電路和輸出濾波電路

DC/DC 轉換電路和輸出濾波電路以第一路為例，第一路由DC/DC 變換模塊和輸出濾波電路組成，電路圖見圖5。模塊輸出功率200W 實現28V/12V 電壓轉換，電感L10 最大損耗為：

圖5 第一組DC/DC 變換器電路圖

其他路輸出損耗依次為：

P7=I^2*R=1^2*0.010=0.01W，不需做輔助散熱，滿足要求。

輸出濾波電路由共模電感L10 和Y 電容C31、C32 組成，主要是為了減小由于DC/DC 隔離轉換產生的紋波電壓，同時也能有效吸收DC/DC 隔離轉換產生的共模噪聲。

■3.5 電磁屏蔽設計

該電源轉換系統的EMC 設計，主要是減少干擾源產生的干擾和抑制干擾信號的傳輸路徑，干擾源集中在開關電路與輸出整流電路中的高和回路處。采用了加吸收電路、濾波、布線、屏蔽、接地、密封等技術減少和抑制干擾。在器件布置方面，對高頻、大電流回路采用粗和短的布線，減少高頻回路的面積；輸入與輸出無交叉布線；信號地與功率地分開設計，采用單點接地方式；公共地線盡可能加粗，去耦電容盡量靠近芯片的電源引腳和地線引腳；采用低ESR（等效串聯電阻)的電容濾波；增加Y電容等。封裝采用金屬外殼，并且外殼接地屏蔽，具有很好的屏蔽作用。

■3.6 熱設計

電源轉換系統，最重要的就是熱設計，需要在技術上采取措施限制元器件的溫升。溫度是影響DC/DC 變換器可靠性最重要的因素。DC/DC 變換器內部的溫度超過極限值時將導致元器件失效。在設計時：一是減少發熱量，選用低功耗的器件，減少發熱器件的數目，加粗導體線的寬度，提高電源的效率；二是加強散熱，電源轉換系統進行了合理的工藝設計和結構設計，發熱元件均勻分布，防止熱點集中，以利于散熱，多層PCB 內層地大面積鋪銅，提高散熱效果和熱容量，通過外加風扇、灌導熱膠以及金屬外殼導熱等方式加快功率器件的熱傳導；主要發熱器件均勻分布，防止熱源集中。為了優化產品的散熱性能，產品外加散熱槽的方式加速散熱，金屬外殼導熱向外界散熱，和周圍環境進行熱交換，從而達到熱平衡。

■3.7 接地和搭接設計

某型直升機醫療救護單元電源轉換系統使用的電源是飛機28V 電源，產品次級電源采用DC/DC 隔離變換器輸入到產品內部，與主電源正負隔離，不返回飛機；產品的殼體設計在固定螺釘安裝位置進行導電陽極化處理，保證通過螺釘接地到機架上；產品的殼體和安裝機架采用相同金屬材料，保證搭接最佳。如圖6 所示。

圖6 結構示意圖

■3.8 結構和機械強度設計

考慮到產品需在抗機械振動、抗沖擊和熱環境條件下能正常工作，對系統進行了相應的結構設計。電路基板采用多層PCB 基板，采用Tg（玻璃態轉化溫度)高達170℃的基板材質，耐高溫，不易變形，具有很好的抗機械沖擊性能，貼片元器件采用全自動表面貼裝，雙面回流焊工藝；變壓器、MOS 管、BULK 電容等功率型器件采用點膠固定的方式固定在PCB 板或者外殼上，電源內部輸入、輸出線材選用耐高溫、耐大電流的鍍銀線，并用熱縮套管或者扎帶扎緊，管殼與基板之間采用螺釘鎖固，電路管殼與蓋板之間導電膠條進行電磁密封，外殼采用全鋁結構，全密封灌膠，同時在連接法蘭位置需布置緩震墊片進行隔振，具有非常好的機械強度性能管。

4 結論

醫療救護單元電源轉換系統采用分立器件加模塊化組合的方案匹配機上28V 電壓變化，有效保障醫療救護設備系統正常工作，其優劣會直接影響設備系統的正常運行，需在電源系統設計時，對醫療救護單元電源系統的參數指標及各項要求對電路進行詳細分析和設計，充分考慮供電能力和質量。必須將多種理論和實際設計相結合，在深入分析理論的基礎上，引入新材料、新技術、新工藝，進行降額設計、裕度設計、功能容限設計以及屏蔽設計等，從而實現電源的科學性和先進性設計。