某型直升机医疗救护单元电源转换系统设计

李宁，符江，姚荣强，肖爱农，董笑语，徐素文

（1.航宇救生装备有限公司，湖北襄阳，441003；2.株洲宏达电子股份有限公司，湖南株洲，412000）

0 引言

某型直升机医疗救护单元用于中、重症伤病员航空医疗后送、生命体征监测和紧急救治。医疗救护单元具备同时救治2 名伤病员的能力，满足伤病员后送途中生命体征监护、心电除颤、机械通气、加压输液、负压吸引等急救功能需求。

医疗救护单元电源转换系统为适应机上28V电压变化，并为除颤监护仪、负压吸引器，输液泵、呼吸机和照明灯等设备供电，这些设备因各个用电设备的电源特性不同，机上电源需经过转换和设计满足电压特性要求和供电兼容性要求。为有效保障医疗救护设备系统正常工作，需在电源系统设计时，充分考虑供电能力和质量，医疗救护单元分布式电源系统的优劣会直接影响设备系统的正常运行。

1 系统整体设计方案

设计整体基于“通用化”“组合化”“系列化”设计原则，同时考虑整体设计的可靠性、工艺装配复杂性和内部空间利用的最大化，在总体方案设计选择上，选择采用标准成熟电源模块和分立器件混合搭建的技术方案。采用标准、成熟电源模块可以大大降低设计技术难度、复杂度和工艺组装生产的出错概率，有利于提高产品的可靠性。而采用分立器件的搭建，可以合理利用内部空间体积，针对性地实现产品复杂功能性设计。其中七路功率转换电路采用标准、成熟的电源模块，降低电路复杂度。其他元器件按照使用环境和功耗进行分析和选用，例如电容的选择，满足降额的条件下，相同容值的电容，尽可能选择相同的型号和封装大小，减小元器件种类。

2 功率变换和降额设计

3 电路设计

电源转换系统主要输入尖峰抑制电路及输入防反接电路、输入电流浪涌抑制电路、DC/DC 转换电路和输出滤波电路7 路功率（Vo1/150W、Vo2/110W、Vo3、Vo4/12W、Vo5/65W、Vo6/25W、Vo7/25W)模块转换电路以及输出滤波电路组成，组件拓扑结构原理图如图1 所示。

图1 电路组件拓扑结构原理图

■3.1 输入尖峰抑制电路及输入防反接电路

输入尖峰抑制电路及输入防反接电路见图2，尖峰抑制电路主要由TVS 管D1 来实现，通过TVS 管与28V 电源并联，将输入尖峰电压钳位在要求的范围，避免对用户的系统造成破坏，对电源组件内部的器件也起到一定的保护作用。输入尖峰电压通过TVS 管将钳位在要求的范围，此TVS 管峰值功率最大为5KW，钳位电压85V，试验项设备内阻80R，电流,瞬态功率，器件选型满足设计要求。

图2 尖峰抑制和防反接电路

输入防反接电路由MOS 管Q14，Q15，Q16 以及外围驱动电路组成，使用N 沟道MOS 开关，设置在输入低端，通过输入电压正端为MOS 驱动供电；仅当输入正负正向接入时，MOS 开关才会打开，为后级提供电源；反接时，无法驱动MOS 打开，可以起到防反接作用。防反接MOS 管电特性参数为100V/80A，RDS(ON)=6.6mR；当产品输入电压28V 时，满载工作电流在20A 以内，小于MOS 最大电流80A；MOS 耐压100V 大于端钳位电压85V；同时为降低导通损耗，采用三颗并联。

■3.2 输入电流浪涌抑制电路

输入经过尖峰抑制和输入防反接电路后，通过电流浪涌抵制电路，见图3，因后级DC/DC 模块输入端有大容量滤波电容，产品在输入端上电初期会对电容充电，产生很大的冲击电流，对输入供电设备会造成影响。

图3 输入电流浪涌抑制图

为有效降低冲击电流采用由功率电阻 R284、R297、R298、Q12、Q13、Q17 及其外围驱动和延时电路组成电流浪涌抑制电路。产品刚上电时，MOS 管Q12、Q13、Q17 因延时不导通，输入电流先经功率电阻R284，R297，R298 给后级电容预充电；电阻选用株洲宏达RSS-3W-15R型，可将浪涌脉冲电流抑制在范围内；预充时间由VCC 电压通过电阻R281 对电容C202 充电控制；当后端滤波电容经功率电阻 R284、R297、R298 充满电后，MOS 管Q12、Q13、Q17 导通旁路掉功率电阻降低在路阻抗，此时不会出现脉冲电流，从而实现浪涌抑制功能。

■3.3 输入EMI 电路

为满足机载设备环境条件和电磁兼容性，输入端设计EMI 滤波电路，原理图见图4。

图4 输入EMI 滤波电路图

此EMI滤波电路主要由X电容，Y电容，共模电感等组成，能够衰减DC/DC 变换模块电路产生的差模和共模干扰信号。电源模块开关频率设计为300kHz，高次谐波主要集中在500kHz～30MHz，EMI 滤波电路由两级共级电感，Y 电容，X 电容组成，能够有效衰减电源产生的差模和共模干扰信号，及阻止产品干扰信号对外部的干扰，同时也有效防止外部干扰源对产品自身的影响。滤波X 电容（C29、C28、C 3 0、C 3 1、C 3 2、C 3 3、C34、C35、C36)采用低ESR 大容量瓷介电容并联，滤波Y 电容（C41、C39、C1、C7、C6、C2)选用高压瓷介电容，满足安全性要求。

■3.4 DC/DC 转换电路和输出滤波电路

DC/DC 转换电路和输出滤波电路以第一路为例，第一路由DC/DC 变换模块和输出滤波电路组成，电路图见图5。模块输出功率200W 实现28V/12V 电压转换，电感L10 最大损耗为：

图5 第一组DC/DC 变换器电路图

其他路输出损耗依次为：

P7=I^2*R=1^2*0.010=0.01W，不需做辅助散热，满足要求。

输出滤波电路由共模电感L10 和Y 电容C31、C32 组成，主要是为了减小由于DC/DC 隔离转换产生的纹波电压，同时也能有效吸收DC/DC 隔离转换产生的共模噪声。

■3.5 电磁屏蔽设计

该电源转换系统的EMC 设计，主要是减少干扰源产生的干扰和抑制干扰信号的传输路径，干扰源集中在开关电路与输出整流电路中的高和回路处。采用了加吸收电路、滤波、布线、屏蔽、接地、密封等技术减少和抑制干扰。在器件布置方面，对高频、大电流回路采用粗和短的布线，减少高频回路的面积；输入与输出无交叉布线；信号地与功率地分开设计，采用单点接地方式；公共地线尽可能加粗，去耦电容尽量靠近芯片的电源引脚和地线引脚；采用低ESR（等效串联电阻)的电容滤波；增加Y电容等。封装采用金属外壳，并且外壳接地屏蔽，具有很好的屏蔽作用。

■3.6 热设计

电源转换系统，最重要的就是热设计，需要在技术上采取措施限制元器件的温升。温度是影响DC/DC 变换器可靠性最重要的因素。DC/DC 变换器内部的温度超过极限值时将导致元器件失效。在设计时：一是减少发热量，选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加粗导体线的宽度，提高电源的效率；二是加强散热，电源转换系统进行了合理的工艺设计和结构设计，发热元件均匀分布，防止热点集中，以利于散热，多层PCB 内层地大面积铺铜，提高散热效果和热容量，通过外加风扇、灌导热胶以及金属外壳导热等方式加快功率器件的热传导；主要发热器件均匀分布，防止热源集中。为了优化产品的散热性能，产品外加散热槽的方式加速散热，金属外壳导热向外界散热，和周围环境进行热交换，从而达到热平衡。

■3.7 接地和搭接设计

某型直升机医疗救护单元电源转换系统使用的电源是飞机28V 电源，产品次级电源采用DC/DC 隔离变换器输入到产品内部，与主电源正负隔离，不返回飞机；产品的壳体设计在固定螺钉安装位置进行导电阳极化处理，保证通过螺钉接地到机架上；产品的壳体和安装机架采用相同金属材料，保证搭接最佳。如图6 所示。

图6 结构示意图

■3.8 结构和机械强度设计

考虑到产品需在抗机械振动、抗冲击和热环境条件下能正常工作，对系统进行了相应的结构设计。电路基板采用多层PCB 基板，采用Tg（玻璃态转化温度)高达170℃的基板材质，耐高温，不易变形，具有很好的抗机械冲击性能，贴片元器件采用全自动表面贴装，双面回流焊工艺；变压器、MOS 管、BULK 电容等功率型器件采用点胶固定的方式固定在PCB 板或者外壳上，电源内部输入、输出线材选用耐高温、耐大电流的镀银线，并用热缩套管或者扎带扎紧，管壳与基板之间采用螺钉锁固，电路管壳与盖板之间导电胶条进行电磁密封，外壳采用全铝结构，全密封灌胶，同时在连接法兰位置需布置缓震垫片进行隔振，具有非常好的机械强度性能管。

4 结论

医疗救护单元电源转换系统采用分立器件加模块化组合的方案匹配机上28V 电压变化，有效保障医疗救护设备系统正常工作，其优劣会直接影响设备系统的正常运行，需在电源系统设计时，对医疗救护单元电源系统的参数指标及各项要求对电路进行详细分析和设计，充分考虑供电能力和质量。必须将多种理论和实际设计相结合，在深入分析理论的基础上，引入新材料、新技术、新工艺，进行降额设计、裕度设计、功能容限设计以及屏蔽设计等，从而实现电源的科学性和先进性设计。