Regulatorul de alimentare corect poate minimiza zgomotul șinei c.c. și poate îmbunătăți calitatea imaginii cu ultrasunete

Zgomotul este un factor de limitare a performanțelor în sistemele medicale și în alte sisteme cu ultrasunete. Desigur, simplul termen „zgomot” se referă la mai multe tipuri distincte, dintre care unele sunt inerente situației medicale și pacientului, în timp ce altele sunt de natură electronică. Zgomotul dominant indus de pacient se numește „zgomot tip speckle” și se datorează în mare parte neuniformității (neomogenității) țesuturilor și organelor pacientului. Proiectanții de circuite nu pot face mare lucru în ceea ce privește zgomotul indus de pacient, dar pot face multe pentru a minimiza diferitele surse și tipuri de zgomot cauzat de componentele electronice.

Printre aceste surse potențiale de zgomot se numără și regulatoarele c.c./c.c. Pentru a minimiza zgomotul, proiectanții pot utiliza regulatoare LDO (cu căderi reduse) mici și silențioase, a căror eficiență continuă să se îmbunătățească. Chiar și aceste LDO-uri pot duce adesea la risipă de energie, cu probleme de gestionare termică asociate. Alternativa eficientă la LDO este regulatorul de comutare, dar aceste dispozitive au un zgomot ridicat din cauza naturii lor de comutare. Acest zgomot trebuie atenuat dacă proiectanții doresc să profite pe deplin de aceste dispozitive.

Inovațiile recente în proiectarea topologiilor de conversie a puterii au redus acest zgomot, ceea ce a dus la o schimbare a echilibrului dintre zgomot și eficiență. De exemplu, regulatoarele de comutare monolitice de mare putere pot alimenta eficient circuitele integrate digitale cu șine c.c. de zgomot redus, eficiență ridicată și cerințe minime de spațiu.

Acest articol discută pe scurt provocările legate de ultrasunete. Apoi, prezintă familii de circuite integrate mici Silent Switcher de la Analog Devices și folosește LT8625S ca exemplu pentru a arăta cum aceste regulatoare de comutare inovatoare îndeplinesc obiectivele multiple pentru sarcini în domeniul tensiunii de o singură cifră, sub 10 amperi (A), necesară pentru imagistica cu ultrasunete de înaltă performanță. Se prezintă și alte exemple de circuite integrate Silent Switcher, pentru a arăta amploarea acestei familii.

Ultrasunetele au probleme unice legate de traseul semnalului

Principiul de funcționare a imagisticii cu ultrasunete este simplu, dar dezvoltarea unui sistem de imagistică de înaltă performanță necesită o expertiză considerabilă în materie de proiectare, multe componente specializate și atenție la detalii subtile (Figura 1).

Figura 1: O schemă bloc de nivel înalt a unui sistem de imagistică cu ultrasunete sugerează complexitatea implementării unui sistem bazat pe un principiu fizic simplu. (Sursă imagine: Analog Devices)

Sistemul de imagistică utilizează o serie de traductoare piezoelectrice care sunt pulsate pentru a produce un front de undă acustică. Multe sisteme noi au până la 256 de astfel de elemente traductoare, fiecare dintre acestea necesitând control independent. Frecvențele transmise variază între 2 și 20 de megahertzi (MHz).

Prin ajustarea sincronizării relative a traductoarelor din matrice cu ajutorul unor întârzieri variabile, impulsurile emise pot fi formate în fascicule și direcționate către anumite locații. Frecvențele mai înalte oferă o bună rezoluție spațială, dar au o capacitate de penetrare relativ slabă, ceea ce duce la o calitate degradată a imaginii. Cele mai multe sisteme folosesc în jur de 5 MHz ca un compromis optim.

Odată ce impulsul este emis, sistemul trece în modul de recepție și captează ecourile impulsului acustic, care sunt create ori de câte ori energia undei acustice atinge o barieră de impedanță, cum ar fi la granița dintre diferite tipuri de țesuturi sau organe. Întârzierea cu care ecourile ajung înapoi față de momentul în care au fost trimise furnizează informații pentru imagistică.

Datorită atenuării inevitabile a semnalului cu ultrasunete care trece prin țesut de două ori – o dată pentru calea de înaintare și o dată pentru ecoul de întoarcere – nivelul semnalului recepționat se întinde pe o gamă dinamică largă. Aceasta poate fi de la un volt până la câțiva microvolți, ceea ce reprezintă un interval de aproximativ 120 de decibeli (dB).

Rețineți că, pentru un semnal ultrasonic de 10 MHz și o adâncime de penetrare de 5 centimetri (cm), semnalul dus-întors este atenuat cu 100 dB. Prin urmare, pentru a gestiona o gamă dinamică instantanee de aproximativ 60 dB în orice locație, gama dinamică necesară ar fi de 160 dB (o gamă dinamică de tensiune de 100 milioane la 1).

Ar putea părea că cea mai simplă soluție pentru a face față unei game dinamice largi, unor semnale de nivel scăzut și unui raport semnal-zgomot (SNR) inadecvat este de a crește puterea emisă a traductorului. Cu toate acestea, pe lângă cerințele evidente de putere pe care le impune acest lucru, există limite stricte privind temperatura sondei cu ultrasunete care este în contact cu pielea pacientului. Temperaturile maxime admisibile ale suprafeței traductorului sunt specificate în standardul IEC 60601-2-37 (Rev. 2007) la 50 °C atunci când traductorul transmite în aer și la 43 °C atunci când transmite într-o fantomă adecvată pentru corpul uman.

Această ultimă limită implică faptul că pielea (de obicei la 33 °C) poate fi încălzită cu maxim 10 °C. Astfel, nu numai că trebuie limitată puterea acustică, dar orice disipare a componentelor electronice asociate – inclusiv a regulatoarelor c.c./c.c. – trebuie, de asemenea, să fie redusă la minimum.

Pentru a menține un nivel relativ constant al semnalului și pentru a maximiza SNR, se utilizează o formă specială de control automat al câștigului (AGC) numită compensare a câștigului de timp (TGC). Amplificatorul TGC compensează scăderea exponențială a semnalului prin amplificarea semnalului folosind un factor exponențial care este determinat de timpul în care receptorul a așteptat impulsul de întoarcere.

Rețineți că există diferite tipuri de moduri de imagistică cu ultrasunete, după cum se arată în (Figura 2):

• Scala de gri produce o imagine de bază alb-negru. Aceasta poate rezolva artefacte cu dimensiuni de până la un milimetru (mm).
• Modurile Doppler detectează viteza unui obiect în mișcare prin urmărirea deplasării de frecvență a semnalului de întoarcere și afișarea acestuia în culori false. Se utilizează pentru examinarea sângelui sau a altor fluide care circulă în organism. Modul Doppler necesită transmiterea unei unde continue în corp și producerea unei transformate Fourier rapide (FFT) a semnalului de întoarcere.

Figura 2: Aspectul în scală de gri (A) și Doppler color (B) al arterelor carotide extracraniene la nivelul bifurcației carotidiene. Rețineți că ramificațiile ECA (asterisc, în stânga jos a fiecărei imagini) se văd cel mai bine pe imagistica Doppler color. (CCA: artera carotidă comună; ICA: artera carotidă internă; și ECA: artera carotidă externă). (Sursa imaginii: Radiologic Clinics of North America)

• Modurile venos și arterial utilizează Doppler împreună cu modul de scală gri. Acestea se utilizează pentru a arăta în detaliu fluxul sanguin arterial și venos.

Schema bloc simplificată omite unele componente cheie, în timp ce o diagramă mai detaliată dezvăluie funcții suplimentare (Figura 3).

Figura 3: O schemă bloc mai detaliată a unui sistem modern cu ultrasunete evidențiază complexitatea acestuia, precum și numeroasele funcții digitale încorporate în proiect. (Sursă imagine: Analog Devices)

În primul rând, există funcția de alimentare cu energie electrică. Indiferent dacă sistemul este alimentat de la o linie de curent alternativ sau de la o baterie, are nevoie de mai multe regulatoare c.c./c.c. pentru a dezvolta diferitele tensiuni ale șinei. Aceste tensiuni variază de la câțiva volți pentru unele funcții până la tensiuni mult mai mari pentru traductoarele piezoelectrice.

Mai mult, deoarece sistemele moderne cu ultrasunete sunt în mare parte digitale, cu excepția front-end-urilor analogice pentru căile de transmisie și recepție, acestea includ FPGA-uri pentru a implementa formarea fasciculului controlat digital și alte funcții. Aceste FPGA-uri necesită o cantitate relativ semnificativă de curent, care poate ajunge până la 10 A.

Performanța limitată de zgomot

La fel ca în cazul majorității sistemelor de achiziție de date, zgomotul este, de asemenea, unul dintre factorii care limitează performanța sistemelor medicale cu ultrasunete. Pe lângă zgomotul de tip speckle indus de pacient, există diferite tipuri de zgomot al circuitelor și componentelor electronice:

• Zgomotul gaussian este un zgomot „alb” aleator din punct de vedere statistic, care se datorează în mare parte fluctuațiilor termice sau zgomotului de circuit electronic provenit de la componentele active și pasive.
• Zgomotul Poisson se datorează naturii discrete a sarcinilor electrice.
• Zgomotul de impulsuri, numit uneori zgomot de tip „sare și piper”, este uneori întâlnit pe imaginile digitale. Poate fi cauzat de perturbări abrupte și bruște ale semnalului de imagine și se manifestă sub forma unor pixeli albi și negri cu apariție dispersată, de unde și denumirea informală.

Aceste surse de zgomot afectează rezoluția și calitatea imaginii. Sunt reduse la minimum prin alegerea adecvată a componentelor electronice, cum ar fi amplificatoare și rezistoare cu zgomot redus, precum și filtre analogice și digitale adecvate. În plus, o parte din zgomot poate fi minimizată în post-procesare prin algoritmi sofisticați de procesare a imaginilor și a semnalelor.

Zgomotul regulatorului: un factor cheie

Există, de asemenea, o problemă legată de zgomot care trebuie abordată: zgomotul de comutare de la regulatoarele c.c./c.c. de coborâre (buck) care furnizează, în principal, energie pentru circuitele integrate digitale, cum ar fi FPGA și ASIC. Problema este că acestea afectează și circuitele sensibile de procesare a semnalelor analogice prin radiații electromagnetice (EM), precum și prin conducția prin șinele de alimentare și alți conductori.

Proiectanții încearcă să reducă la minimum acest zgomot folosind perle de ferită, dispuneri atente și filtrarea șinei de alimentare, dar aceste eforturi se adaugă la numărul de componente, măresc suprafața plăcii de circuite imprimate (PC) și adesea au un succes doar parțial.

În mod tradițional, proiectanții care se străduiesc să minimizeze zgomotul creat de regulatoarele c.c./c.c. pot alege un LDO cu o ieșire inerentă cu zgomot redus, dar cu o eficiență relativ slabă, de aproximativ 50%. Alternativa este utilizarea unui regulator de comutare cu o eficiență de aproximativ 90% sau mai mare, dar cu un zgomot de impuls la ieșire de ordinul milivolților din cauza ceasului de comutare.

Spre deosebire de cele mai multe decizii tehnice, în care există compromisuri de-a lungul unei continuități, situația regulatoarelor c.c./c.c. necesită alegerea unei părți sau a celeilalte: zgomot redus cu eficiență scăzută versus zgomot ridicat cu eficiență ridicată. Nu există compromisuri, cum ar fi acceptarea unui zgomot cu 20% mai mare într-un LDO în schimbul unei creșteri modeste a eficienței sale.

Zgomotul intrinsec scăzut al LDO poate fi compromis de un alt factor. Din cauza dimensiunii sale relativ mari pentru niveluri de curent mai mari – în principal din cauza problemelor termice – trebuie adesea să fie amplasat la o distanță mare față de sarcină. Acest lucru oferă posibilitatea ca șina de ieșire LDO să preia zgomotul radiat de la componentele digitale din sistem, corupând șina curată a circuitelor analogice sensibile.

O soluție pentru plasarea LDO-ului din cauza problemelor de gestionare termică este utilizarea unui singur regulator, amplasat în lateral sau în colțul plăcii de circuite imprimate. Acest lucru ajută la gestionarea problemelor legate de disiparea LDO și, eventual, simplifică arhitectura la nivel de sistem c.c./c.c. Cu toate acestea, această soluție aparent simplă are multe probleme:

• Căderea inevitabilă a IR între regulator și sarcini din cauza distanței și a nivelurilor ridicate de curent (cădere ΔV = curent sarcină (I) × rezistență traseu (R)) înseamnă că tensiunea la sarcini nu va fi la valoarea nominală de ieșire LDO și poate fi chiar diferită la fiecare sarcină. Această cădere poate fi minimizată printr-o creștere a lățimii sau grosimii traseului de pe placa de circuite imprimate sau utilizarea unei bare colectoare ridicate, dar acestea utilizează spațiu prețios pe placă și se adaugă la lista de materiale (BOM).
• Detectarea la distanță poate fi utilizată pentru a monitoriza tensiunea la sarcină, dar acest lucru funcționează bine numai pentru o sarcină cu un singur punct, nedispersată. În plus, cablurile de detecție la distanță pot contribui la oscilația șinei c.c., deoarece inductanța șinei de alimentare mai lungi și a cablurilor de detecție poate afecta performanța tranzitorie a regulatorului.
• În cele din urmă, și problema care este adesea cel mai dificil de gestionat, șinele de alimentare mai lungi sunt, de asemenea, supuse la mai multe interferențe electromagnetice (EMI) sau interferențe de frecvență radio (RFI).

Depășirea problemei legate de EMI/RFI începe, de obicei, cu utilizarea unor condensatoare de bypass suplimentare, a unor perle de ferită în linie și a altor măsuri. Cu toate acestea, problema este adesea persistentă. În plus, acest zgomot se adaugă la provocarea de a respecta diversele mandate de reglementare privind emisiile de zgomot, în funcție de amploarea și frecvența acestuia.

Regulatoarele Silent Switcher rezolvă dilema compromisului

O soluție alternativă și, de obicei, mai bună este utilizarea regulatoarelor c.c./c.c. individuale amplasate cât mai aproape posibil de circuitele integrate de sarcină. Acest lucru minimizează căderea IR, amprenta pe placa de circuite imprimate, precum și captarea și radiația zgomotului de șină. Cu toate acestea, pentru ca această abordare să fie viabilă, este esențial să existe regulatoare mici, eficiente și cu zgomot redus, care pot fi plasate lângă sarcină și care să îndeplinească toate cerințele actuale ale acesteia.

În acest caz, multe dintre regulatoarele Silent Switcher de la Analog Devices rezolvă problemele. Nu numai că aceste regulatoare oferă ieșiri de tensiune de o singură cifră la niveluri de curent de la câțiva amperi la 10 A, dar o fac cu un zgomot extrem de redus, ceea ce este o performanță obținută prin utilizarea mai multor inovații de proiectare.

Aceste regulatoare nu sunt un „compromis” sau o soluție de compromis poziționată undeva pe linia de demarcație dintre atributele de zgomot redus ale LDO-urilor și eficiența regulatoarelor de comutare. În schimb, designul lor inovator permite inginerilor să obțină toate avantajele de eficiență ale comutatoarelor cu niveluri de zgomot foarte scăzute și apropiate de cele ale unui LDO. De fapt, acestea permit proiectanților să obțină cele mai bune rezultate din ambele atribute în ceea ce privește zgomotul și eficiența.

Aceste regulatoare elimină gândirea convențională a diferenței dintre LDO și regulatorul de comutare. Acestea sunt disponibile în dispozitivele Silent Switcher 1 (prima generație), Silent Switcher 2 (a doua generație) și Silent Switcher 3 (a treia generație). Proiectanții acestor dispozitive au identificat diversele surse de zgomot și au conceput modalități de atenuare a fiecăreia dintre ele, iar fiecare generație ulterioară a adus noi îmbunătățiri (Figura 4).

Figura 4: Regulatoarele c.c./c.c. Silent Switcher acoperă trei generații, fiecare generație următoare dezvoltând și extinzând performanța predecesorului său. (Sursă imagine: Analog Devices)

Printre avantajele dispozitivelor Silent Switcher 1 se numără un nivel scăzut de EMI, o eficiență ridicată și o frecvență de comutare ridicată, care îndepărtează o mare parte din zgomotul rămas din părțile spectrului în care ar putea interfera cu funcționarea sistemului sau ar avea probleme de reglementare. Avantajele Silent Switcher 2 includ toate caracteristicile tehnologiei Silent Switcher 1, plus condensatoare de precizie integrate, o amprentă mai mică și eliminarea sensibilității la configurația plăcii de circuite imprimate. În cele din urmă, seria Silent Switcher 3 prezintă caracteristici de zgomot ultra-redus în banda de frecvență joasă, de la 10 Hertz (Hz) la 100 kHz, deosebit de critice pentru aplicațiile cu ultrasunete.

Datorită factorului lor de formă mic, de doar câțiva milimetri pătrați, împreună cu eficiența lor inerentă, aceste comutatoare pot fi amplasate foarte aproape de FPGA sau ASIC de sarcină. Acest lucru maximizează performanța și elimină disparitățile dintre performanța din fișa tehnică și realitatea din timpul utilizării.

În Figura 5 este prezentat un rezumat al atributelor de zgomot și termice ale dispozitivelor Silent Switcher.

Figura 5: Utilizatorii acestor regulatoare au beneficii tangibile în ceea ce privește zgomotul și temperatura datorită designului dispozitivelor Silent Switcher. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Multe opțiuni în matricea Silent Switcher

Regulatoarele Silent Switcher sunt disponibile în mai multe grupe, versiuni și modele cu diferite tensiuni și valori nominale de curent pentru a satisface cerințele specifice ale unui proiect de sistem, precum și o varietate de capsule mici (Figura 6).

Figura 6: Numeroasele dispozitive care utilizează tehnologia Silent Switcher oferă diferite permutări de tensiune, curent, zgomot și alte atribute. (Sursă imagine: Analog Devices)

Dispozitivele din prima și a doua generație includ, fără a se limita la acestea, unități de 5 volți cu ieșiri de 3, 4, 6 și 10 A, cum ar fi:

• LTC3307: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher de 5 volți, 3 A, într-o capsulă LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher de 5 volți, 4 A, într-o capsulă LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher de 5 volți, 6 A, într-o capsulă LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher 2 de 5 volți, 10 A în capsulă LQFN de 3 mm × 3 mm

Fiecare dintre acestea este, la rândul său, disponibil în mai multe versiuni. De exemplu, LTC3310 este disponibil în patru versiuni de bază, inclusiv unele care sunt calificate AEC-Q100 pentru automobile. Rețineți că, atât dispozitivele din prima generație (SS1) – LTC3310 și LTC3310-1 – cât și cele din a doua generație (SS2) – LTC3310S și LTC3310S-1 – sunt disponibile ca dispozitive cu ieșire reglabilă și fixă.

O privire mai atentă la un dispozitiv din a treia generație, LT8625S, evidențiază caracteristicile modelelor Silent Switcher 3, subliniate de performanța remarcabilă de zgomot redus a acestui dispozitiv cu intrare de 2,7-18 volți și ieșire de 8 A (Figura 7).

Figura 7: LT8625S necesită doar câteva componente externe standard (în imagine este prezentat LTC8624S, de altfel identic, un frate de 4 A). (Sursă imagine: Analog Devices)

Caracteristicile LT8625S includ:

• Răspuns tranzitoriu ultrarapid datorită amplificatorului de eroare cu câștig ridicat
• Un timp minim de conectare rapidă a comutatorului de numai 15 nanosecunde (ns)
• O referință de precizie cu o abatere de ±0,8% în funcție de temperatură
• Funcționare PolyPhase care suportă până la 12 faze pentru o ieșire de curent agregat mai mare
• Ceas reglabil și sincronizabil de la 300 kHz la 4 MHz
• Indicator programabil pentru funcționarea corectă a alimentării
• Disponibilitate în capsulă LQFN cu 20 de fire de 4 mm × 3 mm (LT8625SP) sau 24 de fire de 4 mm × 4 mm (LT8625SP-1)

Specificațiile sale de performanță în materie de zgomot arată de ce este deosebit de potrivit pentru aplicațiile cu ultrasunete (Figura 8):

• Zgomotul la rădăcină medie pătratică (RMS) foarte redus (de la 10 Hz până la 100 kHz): 4 microvolți RMS (μV_RMS)
• Zgomot punctual ultra-redus: 4 nanovolți per rădăcină Hz (nV/√Hz) la 10 kHz
• Emisii EMI ultra-joase pe orice placă de circuite imprimate
• Condensatoarele de bypass interne reduc EMI radiate

Figura 8: Graficele arată că atât densitatea spectrală a zgomotului de frecvență joasă (stânga), cât și cea de bandă largă (dreapta) a LT8625S este minimă. (Sursă imagine: Analog Devices)

Această performanță cu zgomot redus este obținută împreună cu un randament ridicat și o pierdere de putere redusă pe întreaga gamă de sarcini (Figura 9).

Figura 9: Eficiența ridicată de funcționare și impactul termic redus al LT8625S reduc din preocupările legate de proiectarea sistemului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Proiectarea cu ajutorul LT8625S cu 20 de fire este accelerată de disponibilitatea circuitului demonstrativ/plăcii de evaluare DC3219A însoțitoare (Figura 10). Setarea implicită a plăcii este de 1,0 volți la un curent de ieșire maxim de 8 A c.c. Utilizatorul poate modifica setarea tensiunii în funcție de necesități.

Figura 10: Pentru a permite explorarea și a accelera proiectarea, placa de evaluare DC3291A acceptă LT8625S. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Sistemele de imagistică cu ultrasunete sunt un instrument de diagnosticare medicală indispensabil și lipsit de riscuri. Pentru a obține claritatea și rezoluția imaginii, precum și alți parametri de performanță necesari, este esențial să se recunoască faptul că semnalele recepționate pot fi la niveluri extrem de scăzute, cu o gamă dinamică largă. Acest lucru necesită ca inginerii să aleagă componente cu zgomot redus, să utilizeze tehnici de proiectare prudente și să se asigure că șinele de alimentare de curent continuu sunt cât mai puțin zgomotoase posibil.

Familia Silent Switcher de la Analog Devices oferă eficiența ridicată inerentă a regulatoarelor c.c./c.c. de comutare, având în același timp un nivel de zgomot comparabil cu LDO-uri mult mai puțin eficiente. În plus, dimensiunile lor mici, de doar câțiva milimetri pătrați, le permit să fie plasate aproape de sarcinile pe care le susțin, minimizând posibilitatea de a capta zgomotul de circuit radiat.