医疗设备开关电源故障维修四例

黄剑女，郭爱群

1 浙江省绍兴市人民医院 （浙江绍兴 312035）；2 中国科学院大学附属肿瘤医院·浙江省肿瘤医院 （浙江杭州 310005）

医疗设备中使用了大量的开关电源，开关电源又是医疗设备的故障高发单元之一，因此学习和掌握开关电源的工作原理和维修思路十分必要。本文首先介绍了开关电源的工作原理，然后通过对4例开关电源的维修案例进行分析，探索维修思路和方法，旨在提供一些维修经验，以供工程师日常维修时参考。

1 开关电源的工作原理

开关电源又称交换式电源、开关变换器，是一种采用开关方式控制的直流稳定电源，也是一种高频化电能转换装置，可输出稳定的电压、电流。开关电源的优点包括输出过压/过流保护、输出欠压保护、过热保护等。开关电源的工作原理（图1）为：交流电源输入经整流滤波电路形成直流电Vs，Vs 经开关管电路[由开关占空比控制频脉冲宽度调制（pulse wide modulation，PWM）电路通/断状态的波形Vc 控制]导通和截止后变成高频脉冲状交流电Vo’，Vo’经开关变压器和高频整流滤波后输出直流电Vo，Vo 通过取样比较电路产生比较输出电压Ve，反馈给开关占空比控制PWM 电路产生Vc，再去控制开关管的导通时间，以达到稳定输出的目的。

图1 开关电源原理框图

另有一种特殊的开关电源（图2）：在DC-DC变换器之前增加了一个功率因素变换器（power factor converter，PFC）和PFC 控制器电路，在正常市电输入220 V 电压的情况下，大电容C0两端电压为350～400 V 左右，低于350 V 说明PFC 未正常工作。

图2 含PFC 的开关电源原理框图

2 维修案例

2.1 故障一：ABI StepOnePlus PCR 仪开关电源故障

2.1.1 故障现象

打开电源开关，屏幕显示“System is on standby，please wait”，片刻后设备自动关闭，屏幕无显示；关闭电源开关后重新启动，设备仍无法开启。

2.1.2 故障分析

开机自检程序还未启动，设备就自动关闭的原因可能为：（1）电源故障；（2）控制板故障，无法进入系统程序。

2.1.3 故障维修

根据由简单到复杂的维修原则，首先考虑电源故障；测量开关电源的电压发现，屏幕有显示时，输出电压为+24 V，屏幕无显示时，无+24 V 输出电压，基本可以判定为电源故障。

从设备中取出开关电源（型号为SP-750-24AP1-1），进行如下维修：打开电源，重点检查内部元件，查找有无发黑过热的电阻，有无鼓包的电容，结果均无；通电测量大电容（容量330 UF，电压450 V，为开关电源中体积最大的电容）两端的整流滤波电压发现，当开关电源有+24 V 输出电压时，其电压为+395 V，当无+24 V 输出电压时，其电压为+300 V，说明PFC 未工作，需进一步检查PFC 相关电路； PFC 控制器的芯片为FAN4822，测量该芯片pin12的电源电压（volt current condenser，VCC），发现当大电容两端电压为+300 V 时，FAN4822的pin12 VCC 无电压（其正常工作时电压为+13 V），说明该芯片因无供电电压导致无法震荡工作；经测量分析发现，FAN4822 pin12 VCC由电源管理芯片TOP242PN 控制，此电源管理芯片振荡后经开关变压器二极管整流及电容滤波输出+13 V 电压供给FAN4822的pin12；对开关电源单独通电1 min 后关闭，此时戴手套触摸发现TOP242PN 芯片发热，估计其温度超过100 ℃[查阅资料后发现，此芯片具有过热保护功能，当接点温度超过关断温度（140 ℃）时，其内部的金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor，MOS）管振荡输出关闭]，待TOP242PN芯片冷却5 min后，重新开机，设备可正常启动，由此判断此芯片性能不佳，需要更换；更换TOP242PN芯片后，开启电源，试机正常工作。

2.2 故障二：GE Optima-XR220amx 移动DR 机开关电源故障

2.2.1 故障现象

按开关ON/OFF 键，开机指示灯不亮，无法开机。

2.2.2 故障分析

根据故障现象怀疑有电源模块损坏。

2.2.3 故障维修

该设备的电源模块LVLE2是一个开关电源，输入电压为直流电 +85～180 V，测量LVLE2的各路输出电压均无；拆开LVLE2，在start 触发控制电路部分，发现1个贴片电阻（型号820，阻值82 Ω，功耗1 W）有焦痕，经测量发现此处电阻开路，用1个同阻值的电阻焊接并联在此电阻上（即用观察法立即更换损坏的元件）后，检查LVLE2的J2的pin5和pin9（均为+24 V）与地之间的阻抗，发现直接短路，怀疑电源内部仍有故障元件；此模块内有2块电路板，一块为DC-DC 变换器电路板，另一块为各路电压输出的直流控制板，经测量发现DC-DC 变换器电路板的Q5（MOS 管型号为FDP3632，主要参数ID=80 A，VDSS=100 V）的引脚两两短路；购买同型号的管子更换后，进行通电测量（具体方法在下文介绍），设备可正常开机，故障排除。

通电测量前需先制作简易的直流电压，作为开关电源的输入电压，然后引入触发信号（start1），依次测量DC-DC 变换器电路板、电源模块LVLE2，最后进行上机测试，具体步骤如下。（1）制作简易的直流电压：LVLE2的输入电压为直流电+85～180 V，其实现过程见图3。（2）start1引入接法：除了直流输入外，LVLE2需要start1和start2的信号才会触发启动，由于start1信号由一个12 V 继电器控制，该继电器开关的一个触点接高压，另一个触点接start1，因此在简易电路上加一个开关可实现start1的触发。（3）DC-DC 变换器电路板测量：在LVLE2中加上+110 V 输入电压和start1触发电压，通电测量DC-DC 变换器电路板的各路直流电压，结果显示，+12、+24、+48 V 均有输出。（4）电源模块LVLE2测量：连接LVLE2的两块电路板，测量J2的pin5和pin9（均为+24 V）对地电压为+24 V，但持续时间仅为3 s 左右，3 s 后该+24 V 电压立即下降为+5 V；采用触发start1的方法触发start2，测量结果相同，+24 V 电压仍立即下降为+5 V，此时LVLE2并未加任何负载，考虑导致+24 V 电压下降的原因为该设备设计有各种保护电路，需要上机测试LVLE2是否正常。（5）上机测试：将电源模块LVLE2装回设备，按开关ON/OFF 键，开机正常，尝试曝光测试正常，说明此电源模块已修复。

图3 制作输入直流电压的简易框图

2.3 故障三：贝克曼X12R 离心机开关电源故障

2.3.1 故障现象

设备在离心时突然触发空气开关动作。

2.3.2 故障分析

该故障现象说明前级交流电输入部分电源电路存在严重短路。打开设备，拆下马达驱动板，设备自检能进入正常状态，说明短路引起触发空气开关动作仅与马达驱动板有关。

2.3.3 故障维修

首先，仔细测量马达驱动板上的各元件发现，热敏电阻RV1（型号SG26，阻值5 Ω）已开路，2个大功率MOS 管（型号APT5017）的引脚两两短路，均予以更换；更换后，接220 V 交流电测量板子上的高压测试点（high voltage，HV）电压为+300 V（正常应为+390 V），说明PFC 未工作；仔细检查发现，该设备由电源管理芯片TOP242G 来实现DC-DC 变换（如图4所示，该电路输出+15 V电压给PFC 芯片L4981A pin19 VCC，输出+5 V 电压给板子中其他集成模块的VCC），测量该电路发现稳压二极管ZR19和ZR21均正常，而测试点TP1（+15 V）、TP2（+V1）、TP3（+5 V）电压均异常，考虑TOP242G 存在故障；更换TOP242G芯片后，再次测量以上测试点的电压仍异常；断开TP1的负载，测量TP1电压为+25.5 V，而TP2、TP3电压为+2.8～2.9 V，考虑反馈控制可能存在问题，更换U16的光耦SFH6156（负责电路的反馈控制）后，测量以上测试点电压，均恢复正常；恢复TP1的负载，测量以上测试点电压再次异常，说明该负载过大，怀疑PFC 芯片L4891A 存在故障，导致无法通电；如图5所示，测量pin19 VCC 的对地电阻，测得阻值为1.5 Ω，说明L4891A 的内部VCC 已经对地短路，导致芯片故障，给予更换；更换后，通电测量以上测试点电压和HV 电压均恢复正常，将马达驱动板安装回离心机，开机测试，设备运行正常。

图4 TOP242G 实现的DC-DC 变换电路

图5 L4981A 的PFC 工作电路

2.4 故障四：赛默飞311二氧化碳培养箱开关电源故障

2.4.1 故障现象

开机，液晶显示屏无显示。

2.4.2 故障分析液晶显示屏无显示的原因可能为电源故障或液晶显示器损坏。拆开设备，测量开关电源有220 V交流输入，但无+24 V/+12 V 电压输出，基本判断故障原因为开关电源故障。

2.4.3 故障维修

该设备的开关电源采用UC3844N 脉冲宽度调制振荡芯片。取出电源，首先测量UC3844N 芯片pin7 VCC 为 +15 V，说明供电正常；测量pin8 Vref 参考电压仅为+3.8 V（正常应为+5 V），判断可能为UC3844N 芯片故障；更换UC3844N 芯片后，再次测量pin7 和pin8 电压，结果同上；检查pin8 的外围元件，未发现故障元件，断开pin8 的外围元件，测试结果仍然同上；再次通电检测，发现此电源在通电1 min 之后发出很轻的“吱吱”高频啸叫声，此时测量输出电压仅为+5 V 左右（正常应为+24 V），怀疑某个电容漏电；仔细检查后发现，UC3844N pin7 VCC 的滤波电容（容量47 UF，电压50 V）的电容值仅为10 UF 左右（正常应为43～50 UF），说明该电容漏电严重，予以更换；更换后，再次测量UC3844N pin8 Vref 参考电压+5 V，已恢复正常；此时，测量开关电源的两组输出电压+24 V/+12 V也恢复正常，故障排除。

3 小结

故障一：工程师通过测量芯片的VCC 作为关键点电压来查找故障点方法，缩小故障范围；针对冷态工作正常、热稳定性不佳的元件，可以通过电吹风加热的方法来模拟故障，使元件过热触发热保护。

故障二：维修开关电源需要特殊电压的直流输入电源时，需按电源需求进行临时搭建；触发信号一般为一个脉冲信号，用非自锁按通开关电源对地模拟脉冲，需要加限流电阻；特殊情况时，触发信号为持续高电平信号，需要用自锁开关接高电平电源（故障二如此）；需要注意的是，部分开关电源未接负载时不会正常工作，需要加负载。

故障三：对于电路板出现严重短路故障，需先用万用表测量查找明显短路的元件，一般为大电流大功率的高压部分元件，如MOS 管、桥堆、热敏电阻、稳压管等；然后再通电测量测试点或关键点电压，并通过断点法逐级分析，直至找到全部故障元件，并给予更换。

故障四：集成块VCC 或Vref 等关键点电压异常大多是由于滤波电容性能下降所致，建议用专用电容表测量故障电容的电容值（注意：在线测量的电容值往往不准，需要焊下来进行离线测量），尽量不要用数字万用表的电容挡来测量电容值，避免电容值测量不准确误导故障原因的分析判断。（本人在日常维修中多次遇到用数字万用表测量电容值正常，但改用专用电容表测量立即发现电容值异常，说明电容存在严重漏电现象，更换漏电电容后，电压恢复正常）。