开关电源的测试和评估方法课件

医用电气设备中

开关电源的测试和评估北京市医疗器械检验所缪斌IEC62A分技术委员会第14工作组19号建议

(IECSC62AWG14OpinionNo.19)

IEC60601-1（GB9706.1）中没有对开关电源的要求（见附录A中关于57.9的说明：对开关电源的要求，在考虑中）。开关电源中的参考电压可以用不同的方式（输入电压、输出电压）来确定。由于开关电源的特殊性，导致应用IEC60601-1的一些条款时会遇到困难。测试时需要考虑的问题7.1输入功率：依据6.1j)，（功率因数通常小于0.9）。15b)电压或能量的限制：对于干扰抑制电容器的的免除条件适用于所有电容器。19连续漏电流和患者辅助电流：

就目前的情况来说，与心脏有直接电气连接的设备不允许使用频率超过1MHz的开关电源。测试时需要考虑的问题52.5.1电源变压器的过载：依据57.9.1b)第4个破折号第5个圆点的要求，输出端加载。如果开关电源通过一个电子装置进行过载保护，那么这个电子装置需要被短接。如果开关电源的任意一个故障都能被监测到从而导致其无法工作，则用于过载保护的电子装置不需要被短接。测试时需要考虑的问题52.5.9元器件故障：依据该条的要求进行测试。如果元器件的故障没有覆盖变压器次级短路这一故障条件，则需要作变压器次级短路试验（考虑到57.9.2条5倍频、5倍压的电介质强度试验不可实现，变压器次级短路试验可以保证变压器绕组短路时没有安全方面的危险）。测试时需要考虑的问题57.10爬电距离和电气间隙：依据第20条中确定的参考电压进行检测。参考电压应是网电源电压或者测量正常使用的开关电源各器件之间的参考电压（有效值）。通过认证的开关电源未通过认证的开关电源评估和测试的要求GB9706.1中涉及到的条款都要进行评估。所有的条款都必须通过，不得有不合格项。受检产品的型号在以下几处应该具有等同性：a)样品；b)证书；c)测试报告；d)电路图；e)PCB元器件布局图和材料清单（如果可以提供）。评估和测试的要求网电源部分和应用部分之间的电容应该符合IEC384-14的规定（这类电容应该标记为Y），IEC384-14等同于VDE0565和EN132400（GB9706.1条款56.4）。使用在熔断器前的电容必须符合IEC384-14的规定（这类电容标记为X，GB9706.1条款52.5.9）。评估和测试的要求如果次级回路是F型浮动应用部分的一部分，那么接在次级回路与保护接地之间的电容应该满足B-d的要求。

注意：由于B-d之间的参考电压至少要取最高额定电压，典型的要求是电气间隙2.5mm，爬电距离4.0mm和交流1500V电介质强度试验。在某些情况下，专用安全标准（或防除颤的应用部分）要求4.0mm的电气间隙。因此，在这种情况下接在次级回路和保护接地之间的电容要能承受交流1500V的耐压试验。评估和测试的要求剩余电压（GB9706.1条款15b)、15c)）的测试取决于医疗设备成品的结构。例如是否有滤波器等器件接在了开关电源的前面（15b)），或者是打开设备外壳接触到开关电源需要多长时间（15c)）。对于这些条款的评估，需要进行如下说明：1、对该条款的评估需要在医疗设备成品上进行。2、对于15c)条，记录下大电容在90s和180s后的剩余电压是有意义的，因为一些开关电源是不容易拆卸的，而90s或180s是触及医疗设备所需典型时间。评估和测试的要求漏电流的测试应该按GB9706.1中19章的规定进行。应该对A-f、A-a1、A-a2、A-e、B-a、B-d等处的隔离进行评估。

注意：1、在PCB板的两面（元件面和焊接面）和跨接隔离两端的变压器的内部都要测量爬电距离和电气间隙；2、初级和次级之间A-e、初级和保护接地之间A-a1，它们的参考电压是最高额定电压（例如240VAC）。即使在初级存在像400VDC这样的电压，参考电压仍然取最高额定电压。原因：A-a1和A-e的测试电压是基于初级6kVDC瞬态电压的考虑，相比之下，400VDC与240VAC之间的差别可以忽略不计。如果有次级电压大于初级电压，取两者中较高的值作为参考电压，但不考虑电压的相加。

通过认证的开关电源未通过认证的开关电源评估和测试的要求开关电源的初级应该配有保险。如果导体只有一端固定而且它能够跨接隔离的两端，这种情况需要进行评估（GB9706.1中56.1f)）。评估和测试的要求输出过载测试。

测试条件：最高额定电压的110％（例如264V）。原因：在过载试验中，需要调节负载使得输入电流达到最大输入电流的临界，保持这种状态30或60分钟，在最大输入电流以及电压为最高额定电压的110％时，输入功率最大。

注意：如果开关电源生产者规定了两个不同的输入电压范围，试验时的输入电压应该取较低值的110％（例如132V），因为在相同的功率下输入电压低的情况输入电流会较高，预期的温升也会较高。上面的原理对开关电源的主体是适用的，但是在有些情况下额定电压的90％是最恶劣的条件，在这种情况下，就要采用额定电压的90％作为输入电压。评估和测试的要求输出短路试验。测试条件：最高额定电压的110％（例如264V）。原因：在输出短路的情况下，与90％的额定电压相比，采用最高额定电压的110％时，输入电流会小一些，熔断器不会很快就动作，这时可以测到较高的温升。注意：如果开关电源生产者规定了两个不同的输入电压范围，对应120V和230V会有两个不同的熔断器额定值，试验时的输入电压应该取较低值的110％(例如132V)，因为这种情况下输入电流会较高，预期的温升也会较高。

测试需要的样品和材料开关电源样品（2～3个）电路原理图PCB板熔断器或保护装置（如不可恢复的断路器和熔断器）

故障测试条件一般来说，要在最不利的输入电压条件下进行故障测试，由于过载试验中会产生一些不可察觉的故障，所以故障测试时的输入电压也采用过载试验的输入电压，即：最高额定电压的110％。

电源频率为50Hz或60Hz对结果没有什么影响，所以试验时可以在两者中任选一个。（理由：经过网电源整流器后，电源的频率对后面的电路没有影响）。故障模拟

故障状态下可能出现的危害：－单一故障状态下电解电容的泄漏（电容水平安装和垂直安装都要进行考虑）会导致隔离失效；－电解电容的爆炸后暴露出的铝箔可能导致电路短路；－由于变压器过热导致的其初级和次级之间的隔离失效，从而使得次级上出现网电压；－由于变压器过热导致整个设备起火；－由于故障而导致的生命维持设备（如呼吸机、正压通气机等）停止工作；－由于连接在初级与次级之间的电容故障而导致的初级与次级之间隔离失效；故障模拟的原则基于GB9706.1（IEC60601-1）的思路，原则是：

1、对于一个故障，如果它发生了但是不能被察觉到，那么就认为这是一个正常状态。2、在这些情况下，需要进一步引入故障进行模拟。如果第一个故障没有被察觉到，就需要引入第二个故障，如果第二个故障仍未被察觉，接着引入第三个故障，以此类推。3、能够被察觉到的事件，例如：输出电压降低（例如接近0V）、使得整个医疗设备不能继续正常工作（例如：显示器变成一片空白），这可以被看作是一个可以被察觉到的故障。4、在大多数情况下，设备反应迟缓也可以被认为是可以察觉到的故障。因为此时开关电源的输出电压在接近0V和额定输出电压之间交替变化。测试的步骤设法使电压反馈回路失效通过短接或断开反馈回路（耦合器），使得电压反馈控制回路失效，观察开关电源的输出有无变化。如果这一故障没有被察觉，进行输出过载试验，过载时通过调节输出端的负载，使得输出达到极限。过载测试的时间是30分钟（依据IEC127），在这一过程中监测开关电源的温度（例如：变压器、整流管、开关管、升压线圈等）。测试的步骤对限流装置的故障进行模拟断开或者短接限流电阻（依据电路的设计，取最不利的情况进行测试。如果有必要的话，分别在断开限流电阻和短接限流电阻的情况下进行测试）。如果这一故障没有被察觉，进行输出过载试验，过载时通过调节输出端的负载，使得输出达到极限。过载测试的时间是30分钟（依据IEC127），在这一过程中监测开关电源的温度（例如：变压器、整流管、开关管、升压线圈等）。测试的步骤开关电源的过载和短路试验

除了在开关电源的输出端进行过载试验外，还需要直接对变压器的次级绕组进行过载试验。如果开关电源有多组输出（+5V、+12V、+24V），对每路输出都要进行过载和短路试验，但不是各路同时进行，而是每次只作一路。加载时，除测试的一路外，其他各路按正常的额定输出加载。过载、短路的测试时间是30分钟（依据IEC127），在这一过程中监测开关电源的温度（例如：变压器、整流管、开关管、升压线圈等）。测试的步骤使开关电源的热断路器失效短接或者断开开关电源的热断路器。如果这一故障没有被察觉，进行输出过载试验，过载时通过调节输出端的负载，使得输出达到极限。过载测试的时间是30分钟（依据IEC127），在这一过程中监测开关电源的温度（例如：变压器、整流管、开关管、升压线圈等）。测试的步骤短接初级整流器中的一个二极管短接后，观察电路的保护装置（例如：熔断器）有无动作。注意：如果是整流堆的话，一次只能短接桥堆的一个二极管（根据单一故障模拟的原则