STORZ 20134020型腹腔镜冷光源电路故障维修二例

赵东升，孔康辉，张龙

河南省人民医院 医学装备部，河南 郑州 450003

引言

STORZ 20134020型冷光源用于手术腹腔镜系统，是一款性能优良、可靠性高的医疗设备。冷光源产生的光束通过导光束连接光学试管，辅助摄像系统将术野图像呈现在显示屏上协助手术医生完成手术。手术中若出现故障，必须通过备用机替代完成手术[1-3]。故障的冷光源常规的维修方法是更换损坏的电路板，价格一般在1.5万左右。部分电子技术维修水平高的医工能够通过无图纸维修，查找损坏的电子元器件，实现电路板的修复，但其缺点是仅基于芯片测量进行的无图纸维修，部分疑难故障无法排除，可能出现更换元器件后，通电试机又烧元器件的问题[4-11]。作为医工人员，突破无图纸维修的瓶颈，进行反求电路原理图分析查找故障点是提高维修技能的一种途径。本文通过两例电路板的反求电路图原理法，以及对电路原理图的分析，以极低的代价实现了芯片级维修[12-18]。本文从冷光源的原理、故障现象、故障分析、解决方案、维修总结四个方面进行维修案例的分析总结，为维修同行提供参考。

1 冷光源结构原理

STORZ 20134020型冷光源包含机壳、设置在机壳上的保险管、两个滤波器、电源开关、主控电路板、高压板、计时器板、散热风扇、氙灯等部件，结构原理图如图1所示，实物结构图如图2所示。使用时，交流220 V市电通过保险管和两个滤波器将电源供给主控板，手术中需要使用时，打开开关，主控板上电，通过ML4824IS1芯片实现功率因数矫正和脉宽控制，从而实现直流电压输出至高压板。主控板不接高压板，1和2脚直流电压为120～160 V，连接高压板通电，高压板可瞬间产生26000 V高压，轰击氙灯激发氙灯点亮；通过TOP223P芯片实现AC/DC开关转换；3和4脚产生12 V直流电连接计时板，计时板实现氙灯灯泡使用计时和两个12 V散热风扇供电。

图1 STORZ冷光源结构原理图

图2 STORZ冷光源实物结构图

2 故障一：主控电路板故障

2.1 故障现象

使用中出现“嘭”一声，冷光源壳体保险管爆裂，机器断电停止工作，经检查两个保险管均烧黑。

2.2 故障分析

（1）初步排查：拆机检查，拆掉主控电路板，检查主控电路板前端的两个滤波器发现二者均正常，检查主控电路板发现电路板保险丝正常，对电路板进行初步排查，电路板图片如图3所示，优先检测大功率芯片，用万用表二极管挡检测整流桥、场效应管Q7、二极管D2、场效应管Q2和Q3、二极管D12和D13，检测发现Q2和Q3击穿、D13击穿，进一步测量发现贴片三极管Q1和Q13烧坏、贴片二极管D3和D33烧坏。此种情况无法判断是否还有其他功率元器件和控制芯片故障，如果贸然更换损坏的芯片，可能还会烧坏元器件。

图3 主控板背面全景图

（2）电路反求分析：电路板反求电路原理图的思路是尽可能缩小画图范围，根据故障电路板的实际检测结果，将故障锁定在尽可能小的区域，先从特征元器件入手，如功率因数控制芯片，先画出特征芯片各个管脚，查看并用万用表检测每个管脚的连接路径，通过画草图先把管脚向外延伸的元器件画好，尤其要注意各个电容、电源的正负极、接地端、信号输入和输出，草图画好后还应反复查看并用万用表验证所画的图是否正确，即根据所画的草图用万用表测试电路板的连接，判断是否草图和电路板相符。待验证原理图无误后，利用电路图画图软件进行原理图的制作。

经前期检测，本故障案例损坏的元器件主要集中在图4区域，故将故障范围锁定在图4区域。电路板ML4824IS1复合芯片可实现功率因数矫正和脉宽控制[19-20]，烧坏的Q2和Q3场效应管栅极控制信号由ML4824IS1芯片脉宽控制进行振荡输出，从ML4824IS1芯片入手，进行电路图局部反求，先画草图，反复查看比对所画草图每个元器件的物理连接是否正确，确定无误后，根据电路原理草图通过万用表反向验证元器件的物理连接是否正确，最终利用亿图电路图绘制软件反求出的电路图如图5所示。ML4824IS1芯片11脚是脉宽控制输出，13脚是芯片电源，10脚接地。Q2和Q3的振荡运行由ML4824IS1芯片11脚输出的脉宽控制信号进行振荡，Q2和Q3能够正常工作的前提是芯片输出的脉宽控制方波信号必须正确。电路的故障分析从芯片相关脚电压、波形信号的检测开始，按照图5进行元器件排查。

图4 主控板背面局部放大图

2.3 故障排除

（1）复合芯片故障诊断：根据图5的电路图，拆掉Q2和Q3场效应管，振荡电路相当于断开，可以放心对主控板进行上电测试，主控板连接220 V电源，用数字万用表直流挡测到ML4824IS1芯片13脚对地10脚电压310 V，芯片电源供电正常，用示波器测得脉宽输出11脚无方波信号，判断芯片损坏，更换同型号芯片。

（2）变压器T1前级故障排查：根据图5，T1前级包括二极管D4和D5、电阻R32和电容C18，用数字万用表测得二极管D4和D5正常、电阻R32阻值在正常误差范围内，用电容表判断C18电容正常。

图5 ML2824IS1芯片驱动电路原理图

（3）变压器T1和T2之间振荡电路故障排查：用万用表测得贴片二极管D3和D33损坏、三极管Q1和Q13损坏、场效应管Q2和Q3损坏，其他元器件正常，更换同型号的二极管D3和D33、三极管Q1和Q13、场效应管Q2和Q3。

（4）变压器T2后级故障排查：T2后级排查到的故障元器件包括大功率二极管D13，更换新的大功率二极管。

（5）通电试板子：给主控板施加220 V电源，测得J5和J6脚直流电压142 V，3脚和4脚直流电压12 V，因为主控板是裸板，未装散热片，不能长时间试机，否则可能烧毁芯片。将主控板装回机壳内部，安装高压板和氙灯连接线，盖好机壳，开机试机，氙灯点亮，运行正常。

3 故障二：高压板故障

3.1 故障现象

冷光源开机后电源指示灯正常，散热风扇运行正常，但氙灯点不亮，无“哒哒”放电音。

3.2 故障分析

散热风扇运行正常，根据图1，主控板3脚和4脚输出12 V直流电正常，拆下主控板和高压板，初步排查发现主控板的保险管和大功率元器件正常，主控板施加220 V交流电测得J5和J6脚的直流电压为142 V，判断主控板正常，锁定故障区域为高压板。高压板工作时会瞬间产生26000 V高压，无法用万用表进行带电测量，故通过反求电路进行故障分析。先画草图，画出锁定区域每个元器件的物理连接，反复观察并用万用表检测验证每个连接点及元器件是否连接正确，最终用亿图电路图绘制软件得到反求的高压板电路图，见图6。通过电路图排查电阻R和电容C2、C3、C4、C7，以及高压放电管。

图6 高压板电路原理图

3.3 故障排除

用数字万用表检测电阻R和电容C2、C7、C3、C4，以及二极管D1、D2，均正常，二端交流开关元件属于双向触发二极管，数字万用表欧姆自动挡测量的数值无穷大可以判定正常。最终将故障元器件指向高压放电管，型号为EPCOS5000型，放电管位置如图7所示SG1位置，更换同型号高压陶瓷气体放电管后，试机运行正常。

图7 高压板

4 讨论

常规的电路板维修方法是模块化维修，即判断出损坏的电路板进行更换维修，但其维修代价大，维修费用高。技术比较熟练的医工能够通过电路板的元器件进行故障排查，更换掉损坏的元器件进而修复部分电路板，其缺点是不能对电路板进行原理分析，纯粹通过代换法无法完成高难度的故障维修。日常的电路板维修中，通过对代换查找到的故障元器件进行更换往往无法修复，更有甚者，把芯片换了个遍还是无法排除故障，维修者也逐渐丧失维修的信心，这成为芯片级维修能力提升的一大瓶颈。本文探讨了两例冷光源电路板故障的电路反求案例。故障案例一出现通电烧保险故障现象，因电路板贴片元件多，不易全部排查出故障的元器件，通过电路板反求电路原理图，可以根据原理图的关键节点的电压、波形信号等内容快速查找到故障的元器件；通过反求电路进行电路板维修的思路在于能够理清复杂的元器件之间的物理连接关系及关键节点的数据采集，能够快速修复电路板，尤其是疑难故障，此种方法能够打通芯片级维修技能提升的瓶颈。故障案例二为冷光源开机显示正常，氙灯灯泡点不亮故障，由于电路板启动电压为26000 V，无法带电进行元器件的测试，且高压陶瓷放电管一般认为出故障的概率很低，维修中往往会被忽略，本次通过反求电路原理图深入理解了各个元器件的物理连接及工作原理，顺藤摸瓜，快速锁定故障元器件，排除了故障。本文反求电路进行故障维修的创新点在于突破了传统维修的瓶颈，能够实现复杂故障的维修；缺点是反求电路原理图法比较费时间，但是本次的反求电路原理图可为以后的维修打下很好的基础。

5 结论

本文通过对STORZ 20134020型冷光源的两例复杂电路板故障进行电路反求，再通过电路原理图进行故障分析，成功实现了芯片级维修。总结到的维修经验是：应首先对故障的电路板进行初步的排查预判，尽可能把故障点位缩小，再通过反求电路法，画出故障点位相关的元器件及芯片间的原理图，通过原理图进行分析，结合关键点位电压测量、驱动波形测量，顺图维修，能够方便、快捷地查找到故障点位。本文通过反求电路原理图法进行维修的成功案例，可为广大医工同行提供相同故障的维修参考，此种维修方法可能为医工维修能力的提升提供重要的参考价值。