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醫療設備控制系統電源設計探討
醫療設備控制系統存在著許多的干擾，許多干擾會通過電源系統進入控制系統內部，給控制系統造成嚴重的危害。供電系統的好壞將直接影響到控制系統，在設計供電系統時應考慮抗干擾性以及控制系統在不允許斷電時電源系統的冗余設計等。
1 電源系統的供電方式
1.1分相供電方式
由于很多干擾是由電源線引入的，因此在供電電源系統配置上應把產生干擾較大的設備與控制系統分開，由不同的線路供電，最好直接從配電室用屏蔽電纜分開引出供電，如圖1 所示
1.2 測控裝置與動力設備分別供電方式
計算機控制系統中的被控設備，如交流電機、變流裝置、電磁閥、加熱器等所用的交流電源容量較大，各種負載變化較大，對系統產生的影響大，干擾嚴重，而且在不對稱負載時，中性點會發生偏移。測控裝置使用的交流低壓電源容量小，但要求電壓盡量穩定，干擾盡量小。因此，兩種電源不易合一供電，可以采用以下兩種方式供電。
(1)配電箱分開供電方式。當測控裝置較少且集中時，可直接從醫院或分樓主配電箱敷設專用電纜向電子控制電源配電箱配電，該配電箱專用來向測控系統供電，不可帶任何動力負載。而動力負載，應從動力配電箱供電，即應避免從動力配電箱向控制系統及其它電子設備裝置供電，如圖2 所示。
(2)電源變壓器分開供電。當電子控制裝置較多時，可配備專用的電子控制裝置變壓器，最好用高壓的母線供電。因為大量的低壓動力負載頻繁操作所產生的干擾，經過電網的隔離傳遞后將有很大的衰減，所以較高電壓的母線與低壓動力電網比較，其噪聲相對少些。如圖3 所示。
無論交流還是直流供電，都必須注意空氣開關的分層設置和容量的大小，防止出現越級跳閘引起更大面積斷電的情況。
1.3 電源功率容量
為了使測控裝置能適應負載較大范圍變化，防止通過電源造成內部干擾，整機電源必須留有較大的儲備量，并有較好的動態特性。當然，電源容量增加太多，勢必會造成體積過大，成本增加，一般應選取0.5～1倍裕量。
2 電源系統的隔離技術
2.1 交流供電系統的隔離
由于交流電網中存在著大量的諧波、雷擊浪涌、高頻干擾等噪聲，因此，由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設備都應采取抑制措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因為，即使一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側的噪聲電壓、電流直接傳輸到二次側，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵心之間、繞組之間、層匝之間和引線之間）的存在，交流電網中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設備的抗干擾性。圖4(a-b)所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。在圖4a中，隔離變壓器不加屏蔽層，C12是一次側和二次側之間的分布電容，在共模電壓u1C的作用下，二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為u2C，C2E 是二次側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u2C 為：
u2C ＝u1CC12 ／(C12 ＋C2E)
在圖4b中，隔離變壓器加屏蔽層，其中C10、C20 分別代表一次側和二次側對屏蔽層的分布電容，ZE是屏蔽層的對地阻抗，C2E是二次側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u2C 為：
u2C=〔u1CZE/（ZE ＋ 1/jω C10）〕〔C2E/（C20 ＋C2E)〕
由于C2是屏蔽層的對地阻抗，在低頻范圍內，ZE<<（1/j ω C10），所以u2C → 0。由此可見，采取屏蔽措施后通過隔離變壓器的共模噪聲電壓被大大地削弱了。
電源變壓器是電源部分的主要元件，為了抑制電網中的干擾，一般選用隔離變壓器，且變壓器容量應比實際需要大1.2～1.5倍左右。在使用中應要求變壓器的屏蔽層良好接地，次級線圈連接線要使用雙絞線，以減少電源線間干擾。對于控制系統的控制器電源，如果條件許可，還可在隔離變壓器前加入濾波器，此時變壓器的初級和次級連接線均要使用雙絞線，如圖5所示。這樣干擾信號經濾波隔離后可大大減弱，增強了系統的可靠性。
大型醫療設備控制系統供電系統可采用如下方式，控制器和I/O系統分別由各自的隔離變壓器供電，并與主電路電源分開。當某一部分電源出了故障時不會影響其它部分，如輸入、輸出供電中斷時，控制器仍能繼續供電，提高了系統的可靠性，如圖6所示。對于供電質量缺乏保證時（非長時間停電），控制器可利用UPS不間斷電源供電，即將控制器前面的屏蔽變壓器改為UPS不間斷穩壓電源。對于一些重要的設備（醫療設備等），為了提高系統的可靠性，交流供電電路可采用雙路供電系統.
圖7 為交流電源抗干擾的綜合方案。為了將測控系統和供電電網電源隔離開，消除因公共電阻引起的耦合，減少負載波動的影響，同時也為了安全，常常在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個1:1隔離變壓器。
目前，國外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器（簡稱NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結構，鐵心材料、形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應到二次側，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。
2.2 直流供電系統的隔離
隔離直流電源的方法是使用DC-DC 變換器，圖8（a）給出了利用DC-DC變換器對被光電隔離器隔離的單元進行供電電路，光電隔離器的輸入回路和輸出回路的供電系統電源已被隔離，這樣可以較好地提高系統對電磁干擾的抑制能力。
當控制裝置和電氣設備的內部子系統之間需要相互隔離時，它們各自的直流供電電源間也應該相互隔離，其隔離方式如圖8(b)所示。
3 電源的冗余設計技術
3.1 雙交流電源冗余設計
為了提高供電系統工作的可靠性，交流供電系統最好采用雙路冗余供電技術，兩路電源分別引自不同的變電站，當一路供電線路出現故障時，要能自動切換到另一條供電線路。如圖9所示是雙路冗余供電系統的典型結構，保護電路主要有欠壓保護、切換互鎖等方法。
3.2 使用UPS的冗余設計
不間斷電源UPS 是計算機的有效保護裝置。UPS雖然可靠性很高，但由于供電條件的變化，UPS本身電器裝置的老化，個別元件過早失效等都會引起UPS故障。由于控制系統屬于整個設備系統的心臟，為了保證其穩定及高可靠地工作，可采用雙機熱備份，即冗余技術，把備用機UPS的輸出端接至主機UPS 的“旁路電源”輸入端，而兩臺UPS的交流電源輸入端可接至同一市電電源。
正常工作時，由主機UPS提供負載電源，當主機內部出現故障時，主機UPS的輸出端靜態開關會自動切換到旁路，備用機UPS的輸出端提供負載所需電源。當異常狀況消除后，靜態開關會自動從旁路備用UPS轉入主機UPS的逆變器輸出端，由主機UPS繼續為負載提供電源。靜態開關的切換有嚴格的電路控制，保證不會在切換時有任何斷電情況發生。上述原理說明，停電時，一部UPS 故障，另一部仍可供電；維護時，仍保持UPS功能；兩部UPS壽命皆延長，熱備份機的結構可確保負載設備不會在市電停電時因主機故障而斷電，以確保負載設備不會產生數據丟失、設備損害、系統崩潰等問題。
3.3 雙直流電源冗余
采用兩個直流電源經過二極管并接的方法，可以提高直流供電系統的可靠性，如圖10所示。當一個直流電源出現故障時系統仍能繼續工作。這時，要注意選用兩個獨立的、導通電壓很接近的二極管；否則，當出現一個二極管故障時無法進行處理，而且還會造成兩個電源負荷不均勻的情況。
4 結束語
醫療設備控制系統的供電設計技術在系統可靠性設計中占有重要地位，好的供電技術，可以有效地抑制外界對系統造成的干擾。在實際設計中只有根據應用系統的具體特點和應用環境的具體條件，綜合地考慮系統的要求，從整體上靈活地選擇可靠的供電技術來提高控制系統的可靠性。
1 電源系統的供電方式
1.1分相供電方式
由于很多干擾是由電源線引入的，因此在供電電源系統配置上應把產生干擾較大的設備與控制系統分開，由不同的線路供電，最好直接從配電室用屏蔽電纜分開引出供電，如圖1 所示
1.2 測控裝置與動力設備分別供電方式
計算機控制系統中的被控設備，如交流電機、變流裝置、電磁閥、加熱器等所用的交流電源容量較大，各種負載變化較大，對系統產生的影響大，干擾嚴重，而且在不對稱負載時，中性點會發生偏移。測控裝置使用的交流低壓電源容量小，但要求電壓盡量穩定，干擾盡量小。因此，兩種電源不易合一供電，可以采用以下兩種方式供電。
(1)配電箱分開供電方式。當測控裝置較少且集中時，可直接從醫院或分樓主配電箱敷設專用電纜向電子控制電源配電箱配電，該配電箱專用來向測控系統供電，不可帶任何動力負載。而動力負載，應從動力配電箱供電，即應避免從動力配電箱向控制系統及其它電子設備裝置供電，如圖2 所示。
無論交流還是直流供電，都必須注意空氣開關的分層設置和容量的大小，防止出現越級跳閘引起更大面積斷電的情況。
1.3 電源功率容量
為了使測控裝置能適應負載較大范圍變化，防止通過電源造成內部干擾，整機電源必須留有較大的儲備量，并有較好的動態特性。當然，電源容量增加太多，勢必會造成體積過大，成本增加，一般應選取0.5～1倍裕量。
2 電源系統的隔離技術
2.1 交流供電系統的隔離
由于交流電網中存在著大量的諧波、雷擊浪涌、高頻干擾等噪聲，因此，由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設備都應采取抑制措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因為，即使一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側的噪聲電壓、電流直接傳輸到二次側，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵心之間、繞組之間、層匝之間和引線之間）的存在，交流電網中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設備的抗干擾性。圖4(a-b)所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。在圖4a中，隔離變壓器不加屏蔽層，C12是一次側和二次側之間的分布電容，在共模電壓u1C的作用下，二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為u2C，C2E 是二次側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u2C 為：
u2C ＝u1CC12 ／(C12 ＋C2E)
在圖4b中，隔離變壓器加屏蔽層，其中C10、C20 分別代表一次側和二次側對屏蔽層的分布電容，ZE是屏蔽層的對地阻抗，C2E是二次側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u2C 為：
u2C=〔u1CZE/（ZE ＋ 1/jω C10）〕〔C2E/（C20 ＋C2E)〕
由于C2是屏蔽層的對地阻抗，在低頻范圍內，ZE<<（1/j ω C10），所以u2C → 0。由此可見，采取屏蔽措施后通過隔離變壓器的共模噪聲電壓被大大地削弱了。
電源變壓器是電源部分的主要元件，為了抑制電網中的干擾，一般選用隔離變壓器，且變壓器容量應比實際需要大1.2～1.5倍左右。在使用中應要求變壓器的屏蔽層良好接地，次級線圈連接線要使用雙絞線，以減少電源線間干擾。對于控制系統的控制器電源，如果條件許可，還可在隔離變壓器前加入濾波器，此時變壓器的初級和次級連接線均要使用雙絞線，如圖5所示。這樣干擾信號經濾波隔離后可大大減弱，增強了系統的可靠性。
圖7 為交流電源抗干擾的綜合方案。為了將測控系統和供電電網電源隔離開，消除因公共電阻引起的耦合，減少負載波動的影響，同時也為了安全，常常在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個1:1隔離變壓器。
目前，國外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器（簡稱NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結構，鐵心材料、形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應到二次側，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。
2.2 直流供電系統的隔離
隔離直流電源的方法是使用DC-DC 變換器，圖8（a）給出了利用DC-DC變換器對被光電隔離器隔離的單元進行供電電路，光電隔離器的輸入回路和輸出回路的供電系統電源已被隔離，這樣可以較好地提高系統對電磁干擾的抑制能力。
當控制裝置和電氣設備的內部子系統之間需要相互隔離時，它們各自的直流供電電源間也應該相互隔離，其隔離方式如圖8(b)所示。
3 電源的冗余設計技術
3.1 雙交流電源冗余設計
為了提高供電系統工作的可靠性，交流供電系統最好采用雙路冗余供電技術，兩路電源分別引自不同的變電站，當一路供電線路出現故障時，要能自動切換到另一條供電線路。如圖9所示是雙路冗余供電系統的典型結構，保護電路主要有欠壓保護、切換互鎖等方法。
3.2 使用UPS的冗余設計
不間斷電源UPS 是計算機的有效保護裝置。UPS雖然可靠性很高，但由于供電條件的變化，UPS本身電器裝置的老化，個別元件過早失效等都會引起UPS故障。由于控制系統屬于整個設備系統的心臟，為了保證其穩定及高可靠地工作，可采用雙機熱備份，即冗余技術，把備用機UPS的輸出端接至主機UPS 的“旁路電源”輸入端，而兩臺UPS的交流電源輸入端可接至同一市電電源。
正常工作時，由主機UPS提供負載電源，當主機內部出現故障時，主機UPS的輸出端靜態開關會自動切換到旁路，備用機UPS的輸出端提供負載所需電源。當異常狀況消除后，靜態開關會自動從旁路備用UPS轉入主機UPS的逆變器輸出端，由主機UPS繼續為負載提供電源。靜態開關的切換有嚴格的電路控制，保證不會在切換時有任何斷電情況發生。上述原理說明，停電時，一部UPS 故障，另一部仍可供電；維護時，仍保持UPS功能；兩部UPS壽命皆延長，熱備份機的結構可確保負載設備不會在市電停電時因主機故障而斷電，以確保負載設備不會產生數據丟失、設備損害、系統崩潰等問題。
3.3 雙直流電源冗余
采用兩個直流電源經過二極管并接的方法，可以提高直流供電系統的可靠性，如圖10所示。當一個直流電源出現故障時系統仍能繼續工作。這時，要注意選用兩個獨立的、導通電壓很接近的二極管；否則，當出現一個二極管故障時無法進行處理，而且還會造成兩個電源負荷不均勻的情況。
4 結束語
醫療設備控制系統的供電設計技術在系統可靠性設計中占有重要地位，好的供電技術，可以有效地抑制外界對系統造成的干擾。在實際設計中只有根據應用系統的具體特點和應用環境的具體條件，綜合地考慮系統的要求，從整體上靈活地選擇可靠的供電技術來提高控制系統的可靠性。