电源管理系统在血液净化设备中的应用

张向军++宋婷婷

【摘 要】血液净化设备是将患者血液引出体外并通过一种净化装置，除去其中某些致病物质，调节电解质平衡，再将血液输回患者，并在治疗过程中对血液进行全程监控报警的设备[1]。一旦断电必然对患者造成巨大的风险，因此在血液净化设备中必然会对电源管理系统的设计应用有更高的要求。文章首先对血液净化设备中电源管理系统的作用进行简单系统的描述，其次对电源管理系统的各个组成部分进行了分析介绍，最后提出了血液净化设备中一种电源管理系统的应用解决方案。

【关键词】血液净化设备 电源管理系统 应用解决方案

随着电力事业的发展，各类大中型医院基本都配备了应急电源系统，有效降低了医院长时间断电的风险。但是短时间的断电对精密医疗设备造成的危害不容忽视[2]。特别是对血液净化设备等生命支持系统，短时间的断电不但会对设备内部元器件造成损害，更会对正在接受治疗的患者带来生命危险。因此，在血液净化设备中配备电源管理系统是十分必要的。

1 电源管理系统在血液净化设备的作用

血液净化设备基本都配备有蓄电池，但是蓄电池只能维持血泵运转和操作顯示，而血液净化设备的回路监控报警、温度控制、液体平衡功能都无法正常工作。遇到停电的状况只能给患者回血，结束治疗，给患者造成很大的不便。因此加强电力供应保障，提供一款能维持血液净化设备在停电情况下继续工作的电源管理系统是非常重要的[3]。

电源管理系统就是对电源实时监测和控制的系统。通过对血液净化设备接入的市电电源及蓄电池电量的实时监控，进而完成电源的切换和蓄电池的充放电操作，并把获取的电源信息反馈到控制系统，做到实时监控，实时显示，对电源进行有效的管理和控制，提高电源系统的可靠性。

2 电源管理系统的构成

电源管理系统由主电源断电检测电路、电源切换电路、电池电量监测电路、电池充电电路、直流升压电路、数据处理及主控制电路、人机界面、主电源及铅酸蓄电池构成。系统方块图如图1。

血液净化设备使用AC220V作为主电源供电，在设备内部再降压转变为直流电。铅酸蓄电池作为备用电源使用，可以选择DC12V电池，如果需要DC24V或者更高的直流电源可以将铅酸蓄电池串联使用。直流升压电路主要为铅酸蓄电池充电用。在主电源正常工作的情况下充电电路会根据检测到的电池电压对电池进行不同状态的充电。电源切换电路用来主动切换主电源和备用电源，需要极短的反应时间。主电源断电检测电路用来时间监测主电源电压，采集电压数据并将数据传输给主控电路。电池电量检测电路用来测量电池的实时电量情况，采集电池电压数据并将数据传输给主控电路。主控系统根据采集到的模拟电压数据通过自带AD转换器转换成需要的数据，来判断主电源及备用电池的状态并在人机界面显示，同时控制对备用电池的电量监测。

3 电源管理系统的应用解决方案

3.1 电池充电电路

充电模块选用的一款开关模式的铅酸蓄电池充电控制芯片，它采用一个高效均流模式控制回路精确控制铅酸蓄电池的充电。该芯片兼有充电逻辑控制和均流PWM控制，可根据电池端电压及充电电流采用电流调节或电压调节控制充电。芯片内部带有欠压锁定环路来取保输出转换开关切换前为负载提供有效的工作电压。外芯片包含：一个采样电流差动放大器、一个1.5%精度参考电平、一个3.9mV%℃的线性热敏电阻、电压和电流误差放大器、PWM锁存器、充电状态解码单元及集电极输出驱动器等单元电路。电路原理图如图2。

该电路可以按照铅酸蓄电池的三段充电特性曲线充电。以12V铅酸蓄电池为例，第一阶段：充电电路提供一个恒流的充电电流I（0.12CA～0.15CA）给蓄电池充电，蓄电池容量快速增加直到蓄电池电压上升到过充电压14.8V，进入第二阶段过压充电。第二阶段：充电电压保持恒压14.8±0.1V并略高于电池额定电压充电，以使蓄电池能量达到最终饱和，充电电流逐渐下降到过过冲终止电流（0.03CA），蓄电池充满进入第三阶段涓流浮充阶段。第三阶段：充电电路为蓄电池提供一个恒压并带有温度补偿的浮充电压U（13.8±0.1V）为蓄电池充电以维持蓄电池容量不变，同时提供一个很小的浮充电流弥补蓄电池自身放电带来的容量损失，此后蓄电池在使用过程中电压下降到过压电压的90%后，充电电路会自动进入第一阶段充电[4]。12V铅酸蓄电池充电特性曲线如图3。

3.2 电源切换电路

该电路的工作原理是：以DC12V供电电压为例，TL431作为精密电压基准源可以按照12V电源的通断状态控制三极管Q5的通断。当12V供电正常时，Q5截止，Q6导通，Q4截止，Q3栅极高电压，源极漏极之间截止，仅由主电源供电。当12V供电中断时，Q5导通，Q6截止，Q4导通，Q3栅极低电压，源极漏极之间导通，由BAT+供电。电路原理图如图4。

R22，R21用来调整TL431的输出电压，可选14K，2K。Q2，Q3可选IRF5305。Q4，Q6可选BCR503。Q5可选A1015。

3.3 电量检测电路

电量检测电路采用TI公司的BQ2013H芯片。该芯片是专门为可充电电池设计。在电池的负极和线路板的地之间串接一个检测电阻，芯片通过监测检测电阻的电压降来判断电池的充放电状态，当VSR>VSS表示充电，当VSR

电路原理图如图5。

4 结语

血液净化设备功耗会比较大，电池供电开启瞬间电流会比较大，因此要选用容量较大的动力电池，以满足设备功耗。另外，现有血液净化设备有可能使用了交流加热的方式，选用该电源管理系统后无法维持加热系统工作。因为血液净化设备需要选用直流加热板等直流加热系统。

参考文献：

[1]王质刚.血液净化设备工程与临床.北京：人民军医出版社，2006：2.

[2]陈伯武.医院紧急备用电源配置方案.中国科技信息，2007（1）：155-156.

[3]杨栋，王晓堂.血液透析机配备备用电源的方法.北京生物医学工程，2015，34（1）：84-84.

[4]王新生，游青山，冉霞阀控式铅酸蓄电池与UC3909智能充电《通信电源技术》，2008，25（3）：59-61.

[5]张存吉，龚仁喜，张仲良，温俊柱，周剑欢.BQ2013H在铅酸蓄电池电量监测中的应用.《单片机与嵌入式系统应用》，2011，11（3）：47-50.