基于时基集成电路的医用电气设备剩余电压试验工装电路的设计与实现

邓其源 吴少海 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510663）

基于时基集成电路的医用电气设备剩余电压试验工装电路的设计与实现

邓其源 吴少海 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510663）

医用电气设备电源部分的干扰抑制电容过大，储存的能量有可能会对操作者造成伤害，GB 9706.1-2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》中要求对于干扰抑制电器超过限值的医用电气设备需要进行剩余电压试验，文章主要通过基于时基集成电路的医用电气设备剩余电压试验工装电路进行设计与实现，并提供校准方法以使该电路满足标准要求。

时基集成电路 剩余电压

医用电气设备作为电子设备，其电源系统一般会受到共模干扰以及差模干扰，即两条电源线相对大地存在的干扰以及两条电源线之间的干扰，通过加装滤滤器，旁边高频信号和干扰[1]。如果电源系统设计不合理，在拔掉插头后，设备中储存的电能就有可能会对操作者或者患者造成伤害，因此，对于预期通过插头与电源相连的医用电气设备需要进行剩余电压试验来考核剩余电压大小[2]。在GB9706.1-2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》中条款15电压和（或）能量的限制中要求，用插头与供电网连接的设备，应设计成在拔断插头后1s时，各电源插脚之间以及每一电源插脚与外壳之间的电压不超过60V[3]。试验过程中，如果干扰抑制电容器超过一定的限值，则要求在断开电源后1s时，用一个内阻抗不影响测量值的仪表来测量插头各电源插脚间及电源插脚与外壳间电压。设备的剩余电压结果受放电时间的影响非常大，因此，需要设计一个工装来精确实现在断开试验设备电源1s后可以立即进行剩余电压测试。而时基集成电路是一种将模拟电路和数字电路结合在一起的非线性电路，它能够为电子系统提供时间基准信号，以实现时间或时序上的控制，在定时、控制、波形发生和处理电路得到广泛应用，可以通过时基集成电路完成本工装电路的设计[4]。

1.医用电气设备剩余电压试验工装电路设计

1.1 功能设计

根据GB9706.1-2007《医用电气设备 第1部分：安全通用要求》标准的要求，需要设计一个剩余电压试验工装实现以下功能：在试验开始前，试验设备通过电源线与供电电源连接并正常运行，而被测设备DUT与电源线断开不进行测试，避免被测设备DUT对试验结果造成影响。试验开始后，通过开关应能让试验设备与电源线断开，同时1s后被测设备DUT与电源线连接，进行火线、零线或者地线之中任一两线的电压测试。试验结束后，断开按钮开关，试验连接恢复回初始状态，重复下一个测试循环。

图1. 时基集成电路内部电路框图

图2. 定时器电路

图3. 波形图

1.2 定时器设计

通过以上功能分析可知，该工装的电路核心部分为定时器，在开关动作1s后将被测设备DUT与电源线连接。我们可以使用时基集成电路作为定时器的关键元器件，时基集成电路内部电路框图如图1所示。电阻R1、R2、R3组成分压网络，为A1、A2两个电压比较器提供2/3VCC和1/3VCC的基准电压。两个比较器的输出分别作为RS触发器的置“0”信号和置“1”信号。输出驱动级和放电管VT受RS触发器控制。由于分压网络的三个电阻R1、R2、R3均为5kΩ，所以该集成电路又称为555时基集成电路。

为了实现定时器功能，将时基集成电路按图2进行连接。其中C2、R1和RL为定时元件。+12V供电之前，常闭开关SB4闭合，C2放电清空电荷，继电器K处于断开状态；当电路接通瞬间，常闭开关SB4断开，+12V电源经C2加至IC2的2、6脚，使3脚输出为“0”，随着C2的充电，一定时间后，2、6脚电压降至1/3Vcc以下，IC2触发，3脚输出为“1”，K吸合接通。定时时间取决于C2、R1与RL，大小T=1.1×（R1+RL）×C2，调节C2、R1与RL可调节定时长短，我们可以通过确定C2、R1与RL为定时器设定定时时间为1s，该电路的波形图如图3所示。时基集成电路电源接通前，IC2的2脚输入Vi为“0”，C2无电荷，3脚的输出Vo也处于“0”状态，此时继电器K上无电压，继电器开关处于断开状态。供电电源接通瞬间，2脚输入Vi由于C2的分压而处于高电平，输入为“1”，随着C2充电电压的抬升，Vi分压下降，这个过程3脚Vo始终处于低电位“0”状态。在时间t时，2脚的电位低于1/3 VCC时处于“0”状态，3脚Vo翻转输出高电平“1”而使继电器K接通。通过这种方式，实现在开关断开后1s，继电器接通测试设备进行测试的功能。

2.电路实现

2.1 工装电路组成

工装的电路如图4如示，该工装电路主要由定时器电路、定时器供电电路、主电源、测试连接端口、被测设备及电源线组成。

定时器供电电路由常开开关SB5、变压器、稳压器IC1组成，其中常开开关SB5由开关SB控制。该电路用于在开关SB接通时为定时器电路提供稳定的+12V电源。

定时器由时基集成电路IC2、定时元件R1、RL、C2、常闭开关SB4以及继电器K等组成，其中常闭开关SB4由开关SB控制，在开关SB接通时断开，以使供电电路为C2充电定时，在开关SB断开时，常闭开关SB4闭合为C2放电，为下一次测试做好准备。该电路用于实现在开关SB断开1s定时接通继电器K，控制被测设备DUT与测试端口的连接。

主电源由开关SB及受开关SB控制的常闭开关SB1、SB2、SB3组成。用于为被测设备DUT供电并且通过开关SB控制主电路供电、定时器供电电路通断以及定时元件C2充放电。

图4. 总电路图

2.2 电路运行原理

试验开始时开关SB断开，电源部分的火线L，零线N和地线PE通过常闭开关为被测设备DUT供电；测试设备与工装上测试连接端口的火线L，零线N和地线PE任两线连接，并通过常开开关与电路连接；定时器供电电路开关SB5断开，定时器电路开关SB4闭合为C2清空电荷，继电器K开关断开。

试验开始后开关SB闭合，电源部分的常闭开关断开，火线L，零线N和地线PE停止为试验设备DUT供电；同时，定时器电路开关SB4断开，定时器供电电路开关SB5闭合，为定时器提供电源同时为C2开始充电，1s时，触发继电器K接通测量电路端口部分的常开开关闭合，测量电路可以开始测量。

试验结束后开关SB断开，电路恢复原状，且此时由于开关SB断开，控制时基集成电路定时元件C2开关闭合，短路C2放电，为下一次测试做好准备。

图5. 校准波形图

3.校准

为了满足GB9706.1-2007的要求，避免工装对试验结果造成影响，需要对该电路进行校准，以确保定时的准确性。从图4可知，定时器的准确性取决于C2、R1、RL元器件的精度，整个工装的定时准确性还受开关SB、继电器K的影响，因此，需要对整个工装进行校准，以达到精确1s控制的要求。校准可以通过双通道的示波器以及直流电源进行。校准开始前，主电源不供电，移除被测设备DUT，将直流电源的正负端与被测设备DUT端的L、N端连接，示波器的一个通道连接主电源端口的L、N，另一个通道连接测试连接端口的L、N点，启动直流电源后开始进行校准，闭合开关SB后观察示波器两通道电压波形变化的时间差。如图5校准波形图所示，启动直流电源后开关SB闭合前，由于常闭开关SB1和常闭开关SB2处于闭合状态，主电源端口的L、N测得高电平，而测试连接端口L、N由于继电器K断电测得低电平；开关SB闭合后，常闭开关SB1和常闭开关SB2断开，主电源端口的L、N测得低电平，t时间后定时器触发继电器K动作，测试连接端口L、N测得高电平，通过调节定时元件变阻器RL可以精确校准工装的动作时间t为1s。

4.小结

医用电器设备剩余电压试验工装电路基于时基集成电路，电路实现较容易，而且电路简单，校准方便，准确性好，对试验的结果影响较小。

[1] 周立夫,林明耀.EMI电源滤波器的设计和仿真分析[J].低压电器,2004,5(4):7-9.

[2] IEC 60601-1:2012 Medical electrical equipment–Part 1:General requirements for basic safety and essential performance[S] .2012.

[3] GB 9706.1-2007《医用电气设备 第1部分:安全通用要求》[S].2007.

[4] 门宏.图解集成电路识别检测与应用[M].北京:机械工业出版社,2012.

The Design and Implementation of the Device Circuit for Medical Electrical Equipment Residual Voltage Test Based on Time Base Integrated Circuit

DENG Qi-yuan WU Shao-hai Gongdong Medical Device Quality Surveillance and Test Institute (Guangdong Guangzhou 510663)

If the power supply interference suppression capacitors of medical electrical equipment stored large energy, it may be damage the operator. The standard GB 9706.1-2007 Medical electrical equipment - part 1: General requirements for safety requires the residual voltage test for the medical electrical equipment which interference suppression capacitors exceed the limit. This paper discuss the design and implementation of the device circuit for medical electrical equipment residual voltage test based on time base integrated circuit and provides a calibration method to make the circuit to meet the standard requirement.

time base integrated circuit, residual voltage

1006-6586(2017)13-0017-03

R197.39

A

2017-04-05