CN104578724A - 移动式医疗器械电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了移动式医疗器械电源系统，包括AC/DC电路模块、DC/DC与充电电路模块、锂电池模块、逆变与界面电路模块，其中AC/DC电路模块把交流电输入变为两路直流电源输出，一路主输出连接DC/DC与充电电路模块，另一路辅助输出连接逆变与界面电路模块；DC/DC与充电电路模块将输入的直流电转化为符合要求的直流电，同时向锂电池模块充电；逆变与界面电路模块把大范围变化的外接电源或者锂电池存储的电能变为标称220V交流电源输出，并且实现整个医疗器械的电源系统的人机界面和报警。本发明的电源系统，有利于携带呼吸机和心电检测仪等医疗设备的病床自由移动，提高对病人的救护能力。

Description

移动式医疗器械电源系统

技术领域

本发明涉及电源系统，特别涉及移动式医疗器械电源系统。

背景技术

医疗器械的电源系统是电类医疗器械的重要组成部分，是其能正常工作的前提。一般的医疗设备从市电220V交流中获取电能；当其在救护车上使用时，可以从救护车上的220V交流专用插座获取电能。但是，如果情况紧急，只能采用一般汽车时，此时需要220VAC电源才能工作的医疗器械无法工作。此外，当病人从车辆转移到抢救室的过程中，医疗器械也需要持续供电；或者当外接电源突然断电时，也要求医疗器械能继续工作一段时间，以便医护人员进行应急处理。在医疗器械中采用适合220V交流市电和汽车直流电源系统并具有储电功能的供电系统，必将方便医疗器械使用，有利于携带呼吸机和心电检测仪等医疗设备的病床自由移动，从而提高对病人的救护能力。医疗设备的电源输入接口不仅有交流接口，还有直流接口，医疗器械的电源系统能同时提供交流和直流电源供电将方便用户使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供移动式医疗器械电源系统。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

移动式医疗器械电源系统，包括AC/DC电路模块、DC/DC与充电电路模块、锂电池模块、逆变与界面电路模块，其中AC/DC电路模块把85～265V宽交流市电输入变为两路直流电源输出，一路为45V的主输出，主输出连接DC/DC与充电电路模块，另一路为30V的辅助输出，辅助输出连接逆变与界面电路模块；DC/DC与充电电路模块将输入的直流电转化为符合要求的直流电，同时向锂电池模块充电；逆变与界面电路模块把大范围变化的外接电源或者锂电池存储的电能变为标称220V交流电源输出，并且实现整个医疗器械的电源系统的人机界面和报警。

所述的AC/DC电路模块采用功率因素校正控制芯片UCC28061和正反激控制芯片TFS7708H及其外围电路实现。以达到高功率因素和低谐波的AC/DC电能转换的目的。

所述的输入到DC/DC与充电电路模块的直流电为AC/DC电路模块经二极管主输出的45V直流电或者汽车车载的12V、24V、42V的直流电，DC/DC与充电电路模块输出24V的标称电压，同时对锂电池模块充电。

所述的逆变与界面电路模块采用STM32F205单片机实现系统的电压和电流采集、DC/DC升压PI控制、DC/AC逆变重复学习控制和电路保护。

所述的逆变与界面电路模块包括直流辅助电源、DC/DC电路、DC/AC电路、MCU电路、面板与报警电路，其中直流辅助电源将AC/DC电路模块经二极管辅助输出的30V直流电或者DC/DC与充电电路模块输出的直流电变为12V和5V直流电源，12V用于驱动功率MOSFET，5V再经过LDO变为3.3V作为MCU电路的单片机工作电源，5V用于其它逻辑电路工作电源；DC/DC电路为升压电路，与DC/AC电路相连；MCU电路分别与DC/DC电路、DC/AC电路、面板与报警电路相连；MCU电路包括STM32F205单片机及其外围电路，完成DC/DC和DC/AC控制算法，采用其TIMER1输出PWM波控制DC/DC电路，采用其TIMER8输出PWM波控制DC/AC电路。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)可以连接大范围变化的交流市电和多种汽车直流电源系统作为输入电源，实现24V直流和220V交流标称电压输出；具有锂电池储能，可向外提供不间断供电，无切换过渡时间，保证医疗设备在移动过程中持续使用。

(2)采用模块化设计，集成度高，易于生产、调试和维修；采用功率因素校正电路，实现了高功率因素和低谐波；可实时显示输入输出电压电流、电池状态和报警状态，操作简单。

(3)逆变电路部分采用电压和电流双环控制，电压环采用了重复学习控制方法，该方法结合了广义前馈控制和反馈控制，可从前几个波形的控制效果中学习经验，提高了控制效果和输出交流电源质量。

附图说明

图1为本发明所述的移动式医疗器械电源系统的结构示意图；

图2为图1所述系统的逆变与界面电路模块的结构示意图；

图3为单片机的主程序流程图；

图4为单片机的中断程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

移动式医疗器械电源系统，包括AC/DC电路模块、DC/DC与充电电路模块、锂电池模块、逆变与界面电路模块，其中AC/DC电路模块把85～265V宽交流市电输入变为两路直流电源输出，一路为45V的主输出，主输出连接DC/DC与充电电路模块，另一路为30V的辅助输出，辅助输出连接逆变与界面电路模块；DC/DC与充电电路模块将输入的直流电转化为符合要求的直流电，同时向锂电池模块充电；逆变与界面电路模块把大范围变化的外接电源或者锂电池存储的电能变为标称220V交流电源输出，并且实现整个医疗器械的电源系统的人机界面和报警。

如图1，医疗器械电源系统的直流输入VDC1可为现有12V、24V和42V三种汽车直流电源系统电压标准，DC/DC与充电电路模块U102把这三种标准的电源电压和AC/DC电路模块U101的直流输出转换为标称24V的电压输出VDC2。AC/DC电路模块U101把85～265V范围变化的交流输入变为直流电压V101(45V)和V103(30V)输出。D101和D102为肖特基二极管，用于交直流电源输入同时存在时避免两路输入电源之间直接形成环路，由于V101高于VDC1，当两路输入电源同时存在时，V102取AC/DC电路模块U101的直流输出V101供电。

DC/DC与充电电路模块U102把可能的12V、24V、42V或者45V输入转换为VDC2(标称24V)的直流电源，并同时向锂电池模块U103充电。D103和D104为肖特基二极管，用于隔离两个直流电源。当医疗器械电源系统有外接电源时，VDC2取DC/DC与充电电路模块U102的DC/DC输出V104向外供电，当无外接电源时，自动无缝切换到锂电池模块U103的输出V105向外供电。锂电池模块U103采用磷酸铁锂充电电池组，为8个单电池串联(3.2V×8＝25.6V)，容量为25Ah。逆变与界面电路模块U104中，逆变控制器为单片机STM32F205，完成输入电压电流和输出电压电流的测量、中间线路电压的测量和界面处理，单片机通过其内部高级定时器实现DC/DC升压和DC/AC逆变控制。

图1中，AC/DC电路模块U101采用UCC28061和TFS7708H为核心控制芯片实现AC/DC转换，UCC28061实现功率因数校正，把宽交流电压输入(85～265V)转化为380V直流输出，正反激控制芯片TFS7708H再把380V直流变为V101(45V)的直流主输出和V103(30V)的直流辅助输出，直流辅助输出给逆变与界面电路模块U104(图2为其内部组成)内部工作电路供电。图1中DC/DC与充电电路模块U102采用LT4020电压转换和充电芯片，把V102(12～45V)的直流输入电压变为VDC2(标称电压为24V)直流电压输出，同时实现对锂电池充电控制。

所述的逆变与界面电路模块包括直流辅助电源U201、DC/DC电路U203、DC/AC电路U204、MCU电路U202、面板与报警电路U205，其中直流辅助电源U201采用两片电源控制芯片CS51412把VDC2或者V103的直流输入变为12V和5V直流电源，12V用于驱动功率MOSFET，5V再经过LDO变为3.3V作为MCU电路U202的单片机工作电源，5V用于其它逻辑电路工作电源。

MCU电路U202为STM32F205单片机及其外围电路，完成DC/DC和DC/AC控制算法，采用其TIMER1输出PWM波控制DC/DC电路U203，采用其TIMER8输出PWM波控制DC/AC电路U204，通过其ADC采集医疗器械电源系统的VDC1、VDC2、VAC1、VAC2、IDC1、IDC2、IAC1和IAC2输入输出电压电流信号，以及电感电流IL201和中间电压信号V102、V105和VDC3。直流电压的测量采用电路分压实现，直流电流和交流电流测量采用霍尔电流传感器HCS-ES5-25A和HCS-LTS-6A实现，交流电压采用霍尔电压传感器HVS-AS5-05mA实现。单片机完成状态检测和界面处理后，通过面板与报警电路U205进行显示、按键操作和报警。面板与报警电路U205采用LCD显示模块LMB404ABY显示移动式医疗器械电源系统的输入输出电压和电流、电池状态和报警状态；设有4个按键，分别为用于显示内容浏览的“前页”按键和“后页”按键、用于消除报警声音的“消声”按键、用于故障清除和复位“清除故障”按键；声音报警采用三极管S9013驱动蜂鸣器实现。

DC/DC电路U203，把标称24V的VDC2通过推挽升压变换为标称380V的VDC3，推挽升压电路采用两只IRFP3077功率MOSFET和一个升压高频变压器实现。DC/AC电路U204为单相全桥逆变电路，在单片机的控制下，把VDC3变为标称220V交流电压VAC2输出，功率MOSFET采用IPP50R140。

参考图3、4，单片机的软件分为主程序和中断程序，主程序完成内存和外设的初始化；逆变器的DC/DC升压和DC/AC逆变的PWM控制分别在中断程序TIMER1和TIMER8中完成PWM占空比计算和更新，实现电压升压和逆变的实时控制。

图3的步骤S301，单片机首先进行上电初始化，包括变量和外设初始化；之后进入步骤S302，完成ADC、TIMER1和TIMER8三个关键外设的配置和启动；ADC的输出采用DMA方式直接保存在单片机内存中，减少CPU读取ADC转换结果的次数和时间，提高单片机CPU与外设的并发性；TIMER1和TIMER8的PWM工作频率都采用20kHz(周期为50μS)，ADC的启动转换信号采用TIMER8的事件触发信号，从而实现逆变过程中测量和控制的同步。步骤S303到S304为循环体，单片机内存中保存连续5次ADC测量结果，S303根据ADC测量数据计算出电压和电流值，并判断电路工作状态和报警状态。S304实现测量值和状态显示，以及输出报警声音。逆变器中DC/DC升压PWM控制采用PI反馈控制，DC/AC逆变PWM控制采用电压和电流双环控制，电压环采用重复学习控制，TIMER1和TIMER8具有相同的中断程序结构，只是具体控制算法不同。由于DC/DC升压转换输出为定值，TIMER1的PWM比较寄存器的更新算法采用PI反馈控制，而DC/AC逆变输出为高质量的正弦波，TIMER8的PWM比较寄存器的更新算法采用具有重复学习功能的电压和电流双环控制算法。

图4给出了TIMER8的中断程序流程图。步骤S311根据测量和控制时间窗口从ADC内存缓冲区中获取k、k-1、k-2和k-3次测量数据，即当前和前三次测量值，S312进行逆变器工作状态判断和求取控制量，包括是否有外接电源和电池剩余电量是否足够、VDC3是否稳定在逆变所需的最低电压(330V)以上；当满足逆变条件时，才进行逆变输出。S313进行故障处理和更新PWM比较计数器值，当有输出短路或者长时间过载时，关掉PWM输出，并在主程序中进行显示，用户可以通过面板的“清除故障”按键实现重新的逆变输出；当无故障时，按具有重复学习功能的电压和电流双环控制算法更新TIMER8的比较寄存器值。

图4的电压和电流双环控制中的电压外环采用重复学习控制算法，它结合了反馈和广义前馈控制，能实现高质量的正弦电压输出。重复学习控制的学习周期为20mS，为了保证控制过程平滑性，采用4个学习周期的测量误差加权后得到学习误差，当前误差和学习误差如式(1)和(2)所示。

$e(t,k)=(u_r\left(t\right)-u(t,k))/\left(220\sqrt{2}\right)---\left(1\right)$

e_L(t,k)＝c₀e(t,k)+c₁e(t,k-1)+c₂e(t,k-2)+c₃e(t,k-3)   (2)

其中，u_r(t)为参考电压，是逆变器输出的标准电压，由产生，并把一个周期(20mS)的400个点的数值保存在存储器中，以便减少实时计算量；u(t,k)为逆变器输出电压当次的实时值，即为图2中VAC2的测量值；e(t,k)为当前实时误差，e_L(t,k)为当前实时学习误差，由前四次测量误差加权平均产生，取系数c₀、c₁、c₂和c₃分别为0.4、0.3、0.2和0.1。电压外环控制器的输出为电流内环的设定值，算法如式(3)和(4)。

i_rL(t,k)＝i_rL(t,k-1)+αe_L(t,k)   (3)

i_r(t,k)＝βe(t,k)+i_rL(t,k)   (4)

其中α和β分别为学习增益和反馈增益，可取为1.5和4.5。电流内环控制器采用限幅比例控制器。

$D_1(t,k)=\left\{\begin{array}{c}0,\left|\mathrm{IL}201\right|>{\mathrm{IL}}_{\max }\\ \mathrm{\γ}\·(i_r(t,k)-\mathrm{IL}201/{\mathrm{IL}}_{\max }),\left|\mathrm{IL}201\right|\≤I{L}_{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中IL_max是电感和功率器件容许的最大电流，取12A；IL201为电感实时电流；γ为电流控制器比例增益，取3.5。上式取0相对于本控制周期不提供能量输出，等下一个控制周期后再进行控制。最后通过式(6)和(7)得到功率管的占空比。

$D_2(t,k)=D_1(t,k)\·220\sqrt{2}/u_{\mathrm{dc}}(t,k)---\left(6\right)$

$D(t,k)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(D_2(t,k)\right)\&CenterDot;97\%& ,\left|D_2(t,k)\right|\&GreaterEqual;97\%\\ D_2(t,k)& ,3\%<\left|D_2(t,k)\right|<97\%\\ 0& ,\left|D_2(t,k)\right|\&le;3\%\end{array}\right.---\left(7\right)$

u_dc(t,k)为DC/DC升压后的直流电压，通过式(6)补偿了直流电压u_dc(t,k)的波动，消除了可测扰动；式(7)中的限幅是为了保证功率管有足够的导通和关断时间，sign()为符号函数，D(t,k)为最终计算出的占空比。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.移动式医疗器械电源系统，其特征在于：包括AC/DC电路模块、DC/DC与充电电路模块、锂电池模块、逆变与界面电路模块，其中AC/DC电路模块把85～265V宽交流市电输入变为两路直流电源输出，一路为45V的主输出，主输出连接DC/DC与充电电路模块，另一路为30V的辅助输出，辅助输出连接逆变与界面电路模块；DC/DC与充电电路模块将输入的直流电转化为符合要求的直流电，同时向锂电池模块充电；逆变与界面电路模块把大范围变化的外接电源或者锂电池存储的电能变为标称220V交流电源输出，并且实现整个医疗器械的电源系统的人机界面和报警。

2.根据权利要求1所述的移动式医疗器械电源系统，其特征在于：所述的AC/DC电路模块采用功率因素校正控制芯片UCC28061和正反激控制芯片TFS7708H及其外围电路实现。

3.根据权利要求1所述的移动式医疗器械电源系统，其特征在于：所述的输入到DC/DC与充电电路模块的直流电为AC/DC电路模块经二极管主输出的45V直流电或者汽车车载的12V、24V、42V的直流电，DC/DC与充电电路模块输出24V的标称电压，同时对锂电池模块充电。

4.根据权利要求1所述的移动式医疗器械电源系统，其特征在于：所述的逆变与界面电路模块采用STM32F205单片机实现系统的电压和电流采集、DC/DC升压PI控制、DC/AC逆变重复学习控制和电路保护。

5.根据权利要求4所述的移动式医疗器械电源系统，其特征在于：所述的逆变与界面电路模块包括直流辅助电源、DC/DC电路、DC/AC电路、MCU电路、面板与报警电路，其中直流辅助电源将AC/DC电路模块经二极管辅助输出的30V直流电或者DC/DC与充电电路模块输出的直流电变为12V和5V直流电源，12V用于驱动功率MOSFET，5V再经过LDO变为3.3V作为MCU电路的单片机工作电源，5V用于其它逻辑电路工作电源；DC/DC电路为升压电路，与DC/AC电路相连；MCU电路分别与DC/DC电路、DC/AC电路、面板与报警电路相连；MCU电路包括STM32F205单片机及其外围电路，完成DC/DC和DC/AC控制算法，采用其TIMER1输出PWM波控制DC/DC电路，采用其TIMER8输出PWM波控制DC/AC电路。