便携式医疗设备自动电压转换单元设计

余乾子

（上海大学中欧工程技术学院，上海 200000）

1 研究背景

现阶段，随着科学技术的不断发展和创新与电子技术的改革创新，新型智能的医疗设备不断被研制。任何医疗设备离不开供电单元，因此更加安全、智能以及便携的医疗配电单元引起了人们的关注[1]。智能化的配电单元负责将可靠的电源有效分配到系统的各个模块，因此配电模块的尺寸大小、可靠性、安全性以及稳定性等面临着较大的考验[2]。目前，市面上的配电单元大多定制设计，固有的输入输出模式无法自由应对不同国家的电压等级。当出现不同的电压等级时，需要重新设计变压器和相关电路，既导致成本的浪费，也在使用中存在安全隐患。因此，具有自动识别电压等级并能自动转换输入输出电路的配电单元显得尤为重要。

2 便携式医疗设备自动电压转换单元技术介绍

便携式医疗设备自动转换单元与传统配电单元相比，具有轻量化、集成化程度高以及电压自动识别切换系统，使得用户在使用过程中更加便捷、安全。因此，将以医疗配电单元为背景，分析其高度集成化和自动切换电压的设计要点[1]。

2.1 电气设计

便携式医疗设备自动电压转换单元主要包含电压输入模块、电能变换和隔离模块、电压监测识别和自动切换模块以及输出模块。便携式医疗设备自动电压转换单元如图1所示。

图1 便携式医疗设备自动电压转换单元

系统的输入模块由输入端子和必要的保护器件组成，可实现系统的过电流保护和过热保护。电压监测模块与输入模块相连，能够实时监测系统输入电压，并根据监测结果驱动控制电路切换电路连接方式。切换后的电压经过高性能隔离变压器进行电能变化输出，并可根据用户需求手动变换输出电压。

2.1.1 主电路设计

便携式医疗设备自动电压转换单元的主电路功能是将电能从网电源输入，经过检测切换和电能变换后，输出至医疗配电设备。主电路图如图2所示，具体包含以下几个部分。

（1）输入保护电路。输入保护电路用于连接网电源，同时提供必要的短路保护和过热保护，并向电压监测识别和自动切换模块提供电压信号。

（2）单相整流模块。单相整流模块用于将网电源电压整流为直流电，为电压识别模块提供依据，为切换继电器提供线圈驱动电压。

（3）隔离变压器。隔离变压器用于输入输出的电能变化，隔离初次电路干扰。

（4）电压切换电路。经过整流后的电压经过识别电路后驱动切换继电器，从而实现变压器初次级绕组的串并联连接，从而得到正确的输出电压。

图2 便携式医疗设备自动电压转换单元主电路

2.1.2 控制电路设计

便携式医疗设备自动电压转换单元的控制电路包含整流电路和切换电路。整流电路将网电源交流电整流为直流电，为电压识别模块提供依据，为切换继电器提供线圈驱动电压。切换电路根据网电源输入电压的不同，切换变压器绕组的串并联，从而得到想要的输出电压。

单相桥式整流电路主要作用是整流，电路如图3所示。整流电路是将交流转换为直流的电路。本文采用桥式整流电路，如图3所示的整流桥，可以是4只整流二极管连接成的桥式电路，也可以是集成的整流器。根据二极管的单向导电性，在正弦波的正负周期内，整流二极管两两交替导通，整流桥的输出端输出一个单向的脉动电压，再经滤波电容滤波，就可以得到较为平滑的直流电压。整流滤波输入输出波形如图4 所示[3]。

图3 单相桥式整流电路

图4 整流滤波输入输出波形图

电压切换模块电路如图5所示。当网电源电压为100 V/110 V/120 V时，变压器初级和次级并联，图6为变压器绕组并联图。当网电源电压为220 V/230 V/240 V时，变压器初级和次级串联，图7为变压器绕组串联。当便携式医疗设备自动电压转换单元通电时，会先通过切换电路判断网电源电压是100 V/110 V/120 V还是220 V/230 V/240 V。

若是100 V/110 V/120 V，经过ZD1和ZD3稳压管的管压降后（每个稳压管的管压降约为60 V），到达J1继电器的线圈电压约为0 V，无法驱动继电器线圈动作，从而KM1与KM2保持常开，即J3常开，KA1和KA2两个继电器线圈无法得电。变压器初期两个绕组和次级两个绕组形成串联，输出电压为220V。

图5 切换电路

图6 变压器绕组并联

图7 变压器绕组串联

若是220 V/230 V/240 V，经过ZD1和ZD3稳压管的管压降后（每个稳压管的管压降约为60 V），到达J1继电器的线圈电压约为110 V，从而驱动继电器线圈动作，进而KM1与KM2闭合，即J3闭合，KA1和KA2两个继电器线圈得电。变压器初期两个绕组和次级两个绕组形成并联，输出电压仍为220 V。

2.1.3 变压器设计

变压器的外形尺寸如图8所示，电气原理如图9所示。

图8 变压器外形尺寸图

图9 变压器原理图

变压器初级输入电压为0～110 V的单相AC，频率为50/60±3 Hz。

（1）当初级并联输入时，1、3和2、4端输入110 V，输出端5、7和6、8端并联输出110 V/750 VA。

（2）当初级并联输入时，1、3和2、4端输入100 V，输出端5、7和6、8端并联输出100 V/750 VA。

（3）当初级并联输入时，1、3和2、4端输入120 V，输出端5、7和6、8端并联输出120 V/750 VA。

（4）当初级串联输入时，2和3短接，1和4端输入220 V，输出端6和7短接，5和8输出220 V/750 VA。

（5）当初级串联输入时，2和3短接，1和4端输入230 V，输出端6和7短接，5和8输出230 V/750 VA。

（6）当初级串联输入时，2和3短接，1和4端输入240 V，输出端6和7短接，5和8输出240 V/750 VA。

2.2 结构设计

结构布局满足高集成化紧凑型设计理念，在满足功能、安全以及相关医疗设备强制性标准的前提下尽可能集成化和轻量化。外壳采用SGCC钣材，外表面塑粉喷涂，设计美观及轻量耐腐蚀。网电源输入输出接口采用美标IEC插头，并伴有输入输出指示灯。外壳侧面设有防误入散热孔供给发热元件散发热量，整机尺寸300 mm×175 mm×115 mm（W×D×H），外观模型如图10所示。

图10 便携式医疗设备自动电压转换单元模型

2.2.1 热学分析

为满足IEC 60601-1医用电气设备关于ME设备正常使用时容许的最高温度的要求，ME设备可能被触及部件容许的最高温度为48 ℃，如表1所示。与皮肤接触的ME设备的应用部分容许的最高温度为43 ℃，如表2所示。

表1 ME设备可能被触及部件容许的最高温度

表2 与皮肤接触的ME设备的应用部分容许的最高温度

（1）热学仿真分析。已知条件为环境温度20 ℃，散热孔开孔率设置为0.6，采用自然冷却的散热方式。各部件导热率及损耗设置如表3所示。去掉不影响散热的零件以及倒角、圆角、紧固件等，简化后的模型如图11所示。

表3 仿真参数设置

（2）仿真实验散热方案设计。根据项目实际情况，两侧面及机箱的右端面都开上下两排散热孔形成对流，开孔率设置为0.6。输入各部件损耗，设置仿真参数后进行计算，得到的仿真截面温度云图和机壳温度云图分别如图12和图13所示。从温度云图中可以看出，最高温度在变压器铁芯处，为93 ℃，温升为73 ℃。从机壳温度云图可知，最高温度出现在机壳底部，温度为35 ℃，满足通用标准要求。

图11 模型简化

图12 温度云图

图13 机壳温度云图

3 结 论

医疗科技不断发展，推动着配套设备不断更新。便携式医疗设备自动电压转换单元的面世，在医疗领域将发挥至关重要的作用，对其保护功能、智能原理以及自动控制等方面也将不断提出新的需求和设计理念。特殊的应用环境使得便携式医疗设备具有更大的潜在需求，提出的自动电压转换单元可以根据网电源电压的大小自动切换变压器绕组的连接方式，从而达到输出电压保持220 V的目的。经过反复实验，产品满足通用标准要求，损耗小、噪声低以及效率高，与传统的医疗配电单元相比具有明显优势。