Správně zvolený napájecí regulátor dokáže minimalizovat šum na stejnosměrné liště a zlepšit kvalitu ultrazvukového obrazu

Šum je v lékařských a jiných ultrazvukových systémech limitujícím faktorem výkonu. Obecný termín „šum“ se samozřejmě vztahuje na mnoho odlišných typů, z nichž některé jsou spojeny s lékařským prostředím a pacientem, zatímco jiné jsou elektronické povahy. Dominantní pacientem vyvolaný šum se nazývá „tečkovaný šum“ a je z velké části způsoben nestejnorodostí (nehomogenitou) tkání a orgánů pacienta. Tvůrci elektronických obvodů nemohou příliš ovlivnit šum vyvolaný pacientem, ale mohou udělat hodně pro minimalizaci různých zdrojů a typů šumu způsobeného elektronikou.

Mezi tyto potenciální zdroje šumu patří i regulátory DC/DC. Pro minimalizaci šumu mohou výobci používat malé a tiché regulátory LDO (low-dropout), jejichž účinnost se neustále vylepšuje. I tyto regulátory LDO však mohou často vést k plýtvání energií a souvisejícím problémům s tepelným managementem. Účinnou alternativou k regulátoru LDO je spínací regulátor, ale tato zařízení produkují ze své podstaty vyšší šum kvůli své spínací povaze. Pokud chtějí výrobci plně využít výhod těchto zařízení, je třeba tento šum snížit.

Tento šum snížily nedávné inovace v konstrukci topologií převodu výkonu, s následkem změny kompromisu rovnováhy mezi šumem a účinností. Například vysoce výkonné monolitické spínací regulátory mohou efektivně napájet digitální integrované obvody s nízkošumovými DC kolejnicemi, vysokou účinností a minimálními nároky na prostor.

Tento článek stručně pojednává o problematice ultrazvuku. Poté představuje série malých a tichých spínačů IC Silent Switcher od výrobceAnalog Devices a na příkladu vybraného spinačeLT8625S ukazuje, jak tyto inovativní spínací regulátory splňují různé cíle pro zátěže v jednociferném napěťovém pod 10 ampér (A), které jsou nezbytné pro vysoce výkonné ultrazvukové zobrazování. Další uvedené příklady tichých spínačů IC Silent Switcher ukazují šíři této série.

Ultrazvuk má jinde se nevyskytující problémy s dráhou signálu

Princip fungování ultrazvukového zobrazování je jednoduchý, ale vývoj vysoce výkonného zobrazovacího systému vyžaduje značné odborné znalosti v oblasti designu, mnoho specializovaných součástí a pozornost k drobným detailům (obrázek 1).

Obrázek 1: Vysokoúrovňové blokové schéma ultrazvukového zobrazovacího systému naznačuje složitost implementace systému založeného na jednoduchém fyzikálním principu. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Zobrazovací systém využívá soustavu piezoelektrických snímačů, které jsou pulzovány a vytvářejí akustickou vlnoplochu. Mnoho nových systémů má až 256 takových snímačů, z nichž každý musí být samostatně ovládán. Vysílané frekvence se pohybují od 2 do 20 megahertzů (MHz).

Nastavením relativního načasování snímačů soustavy pomocí proměnných zpoždění mohou být emitované impulsy tvarovány a zacíleny na konkrétní místa. Vyšší frekvence poskytují dobré prostorové rozlišení, ale mají relativně špatnou schopnost prostupu, což má za následek zhoršenou kvalitu obrazu. Většina systémů používá jako optimální kompromis frekvence kolem 5 MHz.

Po vyslání impulzu se systém přepne do režimu příjmu a zachytí ozvěny akustického impulsu, které vznikají vždy, když energie akustické vlny narazí na impedanční bariéru, například na hranici mezi různými typy tkání nebo orgánů. Časové zpoždění od okamžiku vyslání impulzu, s nímž se ozvěny vracejí zpět, poskytuje obrazovou informaci

Vzhledem k nevyhnutelnému útlumu ultrazvukového signálu při jeho dvojím průchodu tkání - jednou při přímém průchodu a podruhé jako vracející se ozvěna - se úroveň přijatého signálu pohybuje v širokém dynamickém rozsahu. Může dosahovat hodnot od několika mikrovoltů až po jeden volt, což představuje rozsah přibližně 120 decibelů (dB).

Například při ultrazvukovém signálu o frekvenci 10 MHz a hloubce průniku 5 cm je obousměrný signál zeslaben o 100 dB. Takže aby bylo možné zvládnout okamžitý dynamický rozsah přibližně 60 dB v libovolném místě, požadovaný dynamický rozsah by byl 160 dB (dynamický rozsah napětí 100 milionů ku 1).

Může se zdát, že nejjednodušším řešením širokého dynamického rozsahu, nízkoúrovňových signálů a nedostatečného odstupu signálu od šumu (SNR) je prostě zvýšit vysílací výkon snímače. Kromě zřejmých nároků na výkon však existují přísné limity na teplotu ultrazvukové sondy, která je v kontaktu s kůží pacienta. Maximální přípustné teploty povrchu snímače jsou v normě IEC 60601-2-37 (Rev 2007) stanoveny na 50 °C při přenosu do vzduchu a 43 °C při přenosu do vhodného fantomu lidského těla.

Tento druhý limit znamená, že kůži (obvykle o teplotě 33°C) lze ohřát maximálně o 10°C. Proto je třeba nejen omezit akustický výkon, ale také minimalizovat rozptyl související elektroniky - včetně regulátorů DC/DC.

Pro udržení relativně konstantní úrovně signálu a maximalizaci SNR se používá speciální forma automatické regulace zesílení (AGC) nazývaná kompenzace časového zesílení (TGC). Zesilovač TGC kompenzuje exponenciální útlum signálu tím, že zesiluje signál pomocí exponenciálního faktoru, který je dán dobou čekání přijímače na zpětný impuls.

Všimněte si, že existují různé typy režimů ultrazvukového zobrazování, jak je znázorněno na následujícím obrázku (obrázek 2):

• Stupnice odstínů šedé vytváří základní černobílý obraz. Dokáže rozlišit artefakty o velikosti pouhého jednoho milimetru (mm).
• Dopplerovské režimy detekují rychlost pohybujícího se objektu sledováním frekvenčního posunu zpětného signálu a jeho zobrazením v jiné než skutečné barvě. Používá se k vyšetření krve nebo jiných tekutin proudících v těle. Dopplerovský režim vyžaduje přenos souvislé vlny do těla a vytvoření rychlé Fourierovy transformace (FFT) zpětného signálu.

Obrázek 2: Stupnice odstínů šedé (A) a barevný dopplerovský (B) obraz extrakraniálních karotických tepen v úrovni karotické bifurkace. Všimněte si, že větve tepny ECA (hvězdička, vlevo dole na každém snímku) jsou nejlépe vidět na barevném dopplerovském zobrazení. (CCA: společný úsek krkavice; ICA: vnitřní krkavice; a ECA: vnější krkavice (ECA). (Zdroj obrázku: Radiologické kliniky Severní Ameriky)

• Venózní a arteriální režimy využívají Dopplerovský systém ve spojení s režimem stupnice odstínů šedé. Používají se k podrobnému zobrazení proudění arteriální a žilní krve.

Zjednodušené blokové schéma neobsahuje některé klíčové komponenty, zatímco podrobnější schéma odkrývá další funkce (obrázek 3).

Obrázek 3: Z podrobnějšího blokového schématu moderního ultrazvukového systému je zřejmá jeho složitost a také množství digitálních funkcí, které jsou v jeho konstrukci obsaženy. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Nejprve je tu funkce napájení. Ať už je systém napájen síťovým střídavým proudem nebo z baterie, vyžaduje několik regulátorů DC/DC pro vytvoření různých napětí na liště. Tato napětí se pohybují od několika voltů pro některé funkce až po mnohem vyšší napětí pro piezo snímače.

Vzhledem k tomu, že moderní ultrazvukové systémy jsou z velké části digitální, s výjimkou analogových předních částí pro vysílací a přijímací cesty, obsahují FPGA pro implementaci digitálně řízeného tvarování paprsku a dalších funkcí. Tyto FPGA vyžadují poměrně značný proud, a to až 10 A.

Šum omezuje funkčnost

Stejně jako u většiny systémů pro sběr dat je šum také jedním z omezujících faktorů výkonu lékařských ultrazvukových systémů. Kromě šumu způsobeného pacientem existují různé typy šumu elektronických obvodů a komponent:

• Gaussovský šum je statisticky náhodný „bílý“ šum, který je z velké části způsoben tepelnými výkyvy nebo šumem elektronických obvodů pocházejícím z aktivních a pasivních součástek.
• Vystřelující (Poissonův) šum je způsoben diskrétní povahou elektrických nábojů.
• Na digitálních snímcích se někdy vyskytuje impulzní šum, někdy nazývaný šum sůl a pepř. Může být způsoben prudkými a náhlými poruchami v obrazovém signálu a projevuje se jako řídce se vyskytující bílé a černé pixely, odtud také jeho neformální název.

Tyto zdroje šumu ovlivňují rozlišení a kvalitu obrazu. Jsou minimalizovány vhodnou volbou elektronických součástek, jako jsou nízkošumové zesilovače a rezistory, stejně jako vhodnými analogovými a digitálními filtry. Kromě toho může být část šumu minimalizována při následném zpracování pomocí sofistikovaných algoritmů pro zpracování obrazu a signálu.

Šum regulátoru: klíčový faktor

Je zde ještě další problém související s šumem, který je třeba řešit: spínací šum z DC/DC regulátorů typu step-down (buck), které primárně napájejí digitální integrované obvody, jako jsou FPGA a ASIC. Problémem je, že tento šum ovlivňuje také citlivé obvody pro zpracování analogových signálů prostřednictvím elektromagnetického (EM) záření a také vedením přes napájecí lišty a další vodiče.

Konstruktéři se snaží tento šum minimalizovat pomocí feritových kuliček, pečlivého uspořádání a filtrování napájecích lišt, ale tyto snahy zvyšují počet součástek, zvětšují plochu desky plošných spojů a často jsou úspěšné jen částečně.

Konstruktéři, kteří se snaží minimalizovat šum vytvářený regulátory DC/DC, obvykle volí LDO s jeho přirozeně nízkým šumem na výstupu, ale relativně nízkou účinností kolem 50 %. Alternativou je použití spínacího regulátoru s účinností kolem 90 % nebo vyšší, ale s impulsním šumem na výstupu v řádu milivoltů vlivem spínacích hodin.

Na rozdíl od většiny technických rozhodnutí, kde se jedná o kompromisy podél určitého kontinua, situace s DC/DC regulátory vyžaduje černobílou volbu: buď nízký šum s nízkou účinností nebo vysokou účinnost s vysokým šumem. Neexistuje žádný kompromis, jako je akceptování o 20 % vyššího šumu v LDO výměnou za mírné zvýšení jeho účinnosti.

Inherentně nízký šum LDO může být ohrožen dalším faktorem. Vzhledem k relativně velkým rozměrům pro vyšší proudové úrovně - především z tepelných důvodů - musí být často umístěn ve větší vzdálenosti od zátěže. Výstupní lišta LDO tak může zachytit vyzařovaný šum z digitálních komponent v systému a narušit čistou lištu citlivých analogových obvodů.

Jedním z řešení umístění LDO z tepelných důvodů je použití jediného regulátoru umístěného na boku nebo v rohu desky plošných spojů. To pomáhá řešit problémy s rozptylem tepla z LDO a případně zjednodušuje architekturu systému DC/DC. Toto jednoduše znějící řešení však představuje řadu problémů:

• Nevyhnutelný pokles IR mezi regulátorem a zátěží v důsledku vzdálenosti a vysokých úrovní proudu (pokles ΔV = proud zátěže (I) × odpor stopy (R)) znamená, že napětí na zátěži nebude odpovídat jmenovité výstupní hodnotě LDO a může být dokonce u každé zátěže jiné. Tento pokles lze minimalizovat zvětšením šířky nebo tloušťky stopy na desce nebo použitím stojanové přípojnice, ale tyto způsoby využívají drahocenný prostor na desce a zvyšují počet položek v kusovníku.
• Ke sledování napětí v zátěži lze použít dálkové snímání, které však dobře funguje pouze u jednobodové nerozptýlené zátěže.. Kromě toho mohou vzdálené snímací vodiče přispívat k oscilacím stejnosměrné lišty, protože indukčnost delší napájecí lišty a snímacích vodičů může ovlivnit přechodový výkon regulátoru.
• A konečně je tu problém, který je často nejobtížněji řešitelný, a sice že delší napájecí lišty jsou také více vystaveny elektromagnetickému rušení (EMI) nebo radiofrekvenčnímu rušení (RFI).

Překonání problému EMI/RFI obvykle začíná použitím dodatečných bypassových kondenzátorů, in-line feritových kuliček a dalších opatření. Ta však často problém nevyřeší úplně. Tento šum dále zvyšuje náročnost splnění různých regulačních požadavků na emise šumu v závislosti na jeho velikosti a četnosti.

Regulátory Silent Switcher řeší dilema kompromisu

Alternativním a obvykle lepším řešením je použití jednotlivých DC/DC regulátorů umístěných co nejblíže jejich zátěžovým integrovaným obvodům. Tím se minimalizuje pokles IR, plocha desky plošných spojů a zachycení a emise šumu z lišt. Aby však byl tento přístup realizovatelný, je nutné mít malé, účinné a nízkošumové regulátory, které lze umístit vedle zátěže a přitom splnit všechny její proudové požadavky.

Právě v tomto případě jsou mnohé regulátory Silent Switcher od výrobce Analog Devices řešením problému. Tyto regulátory nejenže poskytují jednociferné napěťové výstupy při proudových úrovních od několika ampérů do 10 A, ale mají také extrémně nízký šum, čehož bylo dosaženo díky mnoha konstrukčním inovacím.

Tyto regulátory nejsou "kompromisem" někde na pomezí mezi nízkošumovými vlastnostmi LDO a účinností spínacích regulátorů. Jejich inovativní konstrukce naopak umožňuje inženýrům získat všechny výhody účinnosti přepínačů s velmi nízkou úrovní šumu, která se blíží úrovni LDO. V podstatě umožňují konstruktérům získat to nejlepší z obou vlastností, pokud jde o hlučnost a účinnost.

Tyto regulátory odstraňují konvenční rozhodování mezi LDO a spínacím regulátorem. Jsou k dispozici ve verzi Silent Switcher 1 (první generace), Silent Switcher 2 (druhá generace) a Silent Switcher 3 (třetí generace). Konstruktéři těchto zařízení identifikovali různé zdroje hluku a navrhli způsoby, jak každý z nich potlačit, a každá další generace přinesla další zlepšení (obrázek 4).

Obrázek 4: Existují již tři generace regulátorů DC/DC Silent Switcher, přičemž každá následující generace navazuje na výkon svého předchůdce a dále jej rozšiřuje. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Mezi výhody zařízení Silent Switcher 1 patří nízké elektromagnetické rušení, vysoká účinnost a vysoká spínací frekvence, která přesouvá velkou část zbývajícího šumu mimo části spektra, kde by mohl narušovat provoz systému nebo způsobovat regulační problémy. Mezi výhody Silent Switcher 2 patří všechny vlastnosti technologie Silent Switcher 1, navíc s integrovanými přesnými kondenzátory, menšími rozměry a eliminací citlivosti na uspořádání desky plošných spojů. A konečně, řada Silent Switcher 3 vykazuje velmi nízké šumové vlastnosti v nízkofrekvenčním pásmu od 10 Hz do 100 kHz, což je obzvláště důležité pro ultrazvukové aplikace.

Tyto přepínače mohou být díky svému malému tvaru o rozměrech pouhých několika milimetrů čtverečních a díky své přirozené účinnosti umístěny velmi blízko zátěží FPGA nebo ASIC. To maximalizuje výkon a odstraňuje rozdíly mezi papírovým a skutečným výkonem.

Shrnutí hlukových a tepelných vlastností zařízení Silent Switcher je uvedeno na obrázku 5.

Obrázek 5: Uživatelé těchto regulátorů dosahují díky konstrukci tichých přepínačů hmatatelných výhod v oblasti šumu a tepla. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Mnoho možností v matrici Silent Switcher

Regulátory Silent Switcher jsou k dispozici v mnoha skupinách, verzích a modelech s různými jmenovitými hodnotami napětí a proudu, které splňují specifické požadavky na konstrukci systému, a také v různých malých baleních (obrázek 6).

Obrázek 6: Jelikož zařízení využívajících technologii Silent Switcher je mnoho, je k dispozici mnoho variant napětí, proudu, šumu a dalších vlastností. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Mezi zařízení první a druhé generace patří mimo jiné 5voltové jednotky s výstupy 3, 4, 6 a 10 A, jako např:

• LTC3307: synchronní snižovací Silent Switcher 5 V, 3 A v pouzdru LQFN 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: synchronní snižovací Silent Switcher 5 V, 4 A v pouzdru LQFN 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: synchronní snižovací Silent Switcher 5 V, 6 A v pouzdru LQFN 2 mm × 2 mm
• LTC3310: synchronní snižovací Silent Switcher 2, 5 V, 10 A v pouzdru LQFN 3 mm × 3 mm

Každá z nich je k dispozici v několika verzích. Například jednotka LTC3310 je k dispozici ve čtyřech základních verzích, včetně těch, které splňují požadavky normy AEC-Q100 pro automobilový průmysl. Všimněte si, že jak zařízení první generace (SS1) – LTC3310 a LTC3310-1 – tak zařízení druhé generace (SS2) – LTC3310S a LTC3310S-1 – jsou k dispozici jako zařízení s nastavitelným a pevným výstupem.

Bližší pohled na zařízení třetí generace, LT8625S, vyzdvihuje vlastnosti konstrukce Silent Switcher 3, které podtrhuje vynikající nízký šum tohoto zařízení se vstupem 2,7 až 18 V a výstupem 8 A (obr. 7).

Obrázek 7: LT8625S vyžaduje pouze několik standardních externích komponent (zobrazen je jeho jinak identický sourozenec LTC8624S, 4A). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Mezi vlastnosti LT8625S patří:

• Ultra rychlá přechodová odezva díky chybovému zesilovači s vysokým ziskem
• Krátká minimální doba zapnutí pouhých 15 nanosekund (ns)
• Přesná reference s driftem ±0,8 % v závislosti na teplotě
• Polyfázový provoz podporující až 12 fází pro vyšší agregovaný proudový výstup
• Nastavitelné a synchronizovatelné hodiny od 300 kHz do 4 MHz
• Programovatelný indikátor stavu napájení
• Zařízení je k dispozici v balení 20 svodičů 4 mm × 3 mm (LT8625SP) nebo 24 svodičů 4 mm × 4 mm LQFN (LT8625SP-1)

Jehošumové parametry ukazují, proč je zvlášť vhodný pro ultrazvukové aplikace (obrázek 8):

• Velmi nízký střední kvadratický šum (RMS) (10 Hz až 100 kHz): 4 mikrovolty RMS (μV_RMS )
• Velmi nízký bodový šum: 4 nanovolty na kořen Hz (nV/√Hz) při 10 kHz
• Velmi nízké emise EMI na libovolné desce plošných spojů
• Vnitřní bypassové kondenzátory snižují vyzařované EMI

Obrázek 8: Grafy ukazují, že jak nízkofrekvenční (vlevo), tak širokopásmová (vpravo) spektrální hustota šumu LT8625S je minimální. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Tohoto nízkošumového výkonu je dosaženo spolu s vysokou účinností a nízkými ztrátami výkonu v celém rozsahu zátěže (obrázek 9).

Obrázek 9: Vysoká provozní účinnost a nízký tepelný vliv LT8625S zjednodušuje problémy s návrhem systému. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Návrh s použitím 20svodičového obvodu LT8625S urychluje možnost použití pomocné demonstrační/vyhodnocovací desky DC3219A (obrázek 10). Výchozí nastavení desky je 1,0 V při maximálním výstupním stejnosměrném proudu 8 A. Uživatel může měnit nastavení napětí podle potřeby.

Obrázek 10: Na podporu průzkumu a urychlení návrhu je k dispozici vyhodnocovací deska DC3291A pro model LT8625S. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Závěr

Ultrazvukové zobrazovací systémy představují nepostradatelný, bezrizikový lékařský diagnostický nástroj. Pro dosažení požadované čistoty obrazu, rozlišení a dalších výkonnostních ukazatelů je důležité si uvědomit, že přijímané signály mohou mít extrémně nízkou úroveň a široký dynamický rozsah. To vyžaduje, aby konstruktéři vybírali komponenty s nízkým šumem, používali obezřetné konstrukční techniky a zajistili, aby stejnosměrné napájecí lišty byly co nejtišší.

Řada Silent Switcher od společnosti Analog Devices nabízí vysokou účinnost spínaných DC/DC regulátorů a zároveň úroveň šumu srovnatelnou s mnohem méně účinnými LDO. Jejich malé rozměry (jen několik milimetrů čtverečních) navíc umožňují jejich umístění v blízkosti zátěže, jíž slouží, čímž je minimalizována možnost zachycení vyzařovaného šumu obvodu.