Den rigtige strømforsyningsregulator kan minimere DC skinne-støj og forbedre ultralydsbilledkvaliteten

Støj er en præstationsbegrænsende faktor i medicinske og andre ultralydssystemer. Det enkle udtryk "støj" henviser naturligvis til mange forskellige typer, hvoraf nogle er iboende i den medicinske og patientmæssige situation, mens andre er elektroniske af natur. Den dominerende patientinducerede støj kaldes "speckle noise" og skyldes i høj grad den manglende ensartethed (ikke-homogenitet) i patientens væv og organer. Kredsløbsdesignere kan ikke gøre meget ved patientinduceret støj, men der er meget, de kan gøre for at minimere de forskellige kilder og typer af støj i elektronikken.

Blandt disse potentielle støjkilder er DC/DC-regulatorer. For at minimere støj kan designere bruge små og støjsvage LDO-regulatorer (low-dropout), som bliver stadig mere effektive. Selv disse LDO'er kan ofte resultere i spildt strøm med tilhørende problemer med termisk styring. Det effektive alternativ til LDO er switching-regulatoren, men disse enheder har høj støj på grund af deres switching-natur. Denne støj skal dæmpes, hvis designerne skal kunne drage fuld fordel af disse enheder.

Nylige innovationer inden for design af strømkonverteringstopologier har reduceret denne støj, hvilket har resulteret i et skift i balancen mellem støj og effektivitet. For eksempel kan monolitiske koblingsregulatorer med høj effekt effektivt forsyne digitale IC'er med DC-skinner med lav støj, høj effektivitet og minimale pladskrav.

Denne artikel diskuterer kort udfordringerne ved ultralyd. Derefter introduceres de små Silent Switcher IC-familier fra Analog Devices, og LT8625S bruges som eksempel til at vise, hvordan disse innovative koblingsregulatorer opfylder de mange mål for belastninger i det encifrede spændingsområde under 10 ampere (A), der er nødvendige for højtydende ultralydsbilleddannelse. Andre Silent Switcher IC-eksempler er medtaget for at vise bredden i familien.

Ultralyd har unikke problemer med signalveje

Funktionsprincippet for ultralydsbilleddannelse er enkelt, men udviklingen af et højtydende billeddannelsessystem kræver betydelig designekspertise, mange specialiserede komponenter og opmærksomhed på subtile detaljer (figur 1).

Figur 1: Et blokdiagram på højt niveau af et ultralydsbilledsystem antyder kompleksiteten i at implementere et system baseret på et simpelt fysisk princip. (Billedkilde: Analog Devices)

Billedsystemet bruger en række piezoelektriske transducere, der pulseres for at producere en akustisk bølgefront. Mange nye systemer har op til 256 sådanne transducerelementer, som hver især skal styres uafhængigt. De transmitterede frekvenser varierer fra 2 til 20 megahertz (MHz).

Ved at justere den relative timing af transducerne i arrayet ved hjælp af variable forsinkelser, kan de udsendte pulser stråleformes og rettes mod specifikke steder. Højere frekvenser giver god rumlig opløsning, men har relativt dårlig gennemtrængningsevne, hvilket resulterer i forringet billedkvalitet. De fleste systemer bruger omkring 5 MHz som et optimalt kompromis.

Når pulsen er udsendt, skifter systemet til modtagelsestilstand og opfanger ekkoerne af den akustiske puls, som skabes, når den akustiske bølgeenergi rammer en impedansbarriere, f.eks. ved grænsen mellem forskellige typer væv eller organer. Den tidsforsinkelse, hvormed ekkoerne kommer tilbage i forhold til, hvornår de blev sendt, giver billedinformationen.

På grund af den uundgåelige dæmpning af ultralydssignalet, når det passerer gennem vævet to gange - én gang for den fremadgående vej og én gang for returekkoet - spænder det modtagne signalniveau over et bredt dynamisk område. Det kan være så højt som en volt ned til så lavt som et par mikrovolt, hvilket er et område på omkring 120 decibel (dB).

Bemærk, at for et 10 MHz ultralydssignal og en penetrationsdybde på 5 centimeter (cm), dæmpes signalet 100 dB. For at håndtere et øjeblikkeligt dynamikområde på ca. 60 dB på ethvert sted, ville det krævede dynamikområde derfor være 160 dB (et spændingsdynamikområde på 100 millioner til 1).

Det kan virke, som om den nemmeste løsning på at håndtere et bredt dynamikområde, signaler med lavt niveau og et utilstrækkeligt signal-støj-forhold (SNR) er bare at øge den udsendte transducereffekt. Men ud over de åbenlyse strømkrav, det stiller, er der strenge grænser for temperaturen på den ultralydssonde, der er i kontakt med patientens hud. De maksimalt tilladte transduceroverfladetemperaturer er specificeret i IEC-standarden 60601-2-37 (Rev 2007) til 50 °C, når transduceren transmitterer til luft, og 43 °C, når den transmitterer til et egnet menneskekropsfantom.

Sidstnævnte grænse indebærer, at huden (typisk ved 33 °C) maksimalt kan opvarmes med 10 °C. Derfor skal ikke kun den akustiske effekt begrænses, men også al spredning fra den tilhørende elektronik, inklusive DC/DC-regulatorer, skal minimeres.

For at opretholde et relativt konstant signalniveau og maksimere SNR anvendes en særlig form for automatisk forstærkningskontrol (AGC) kaldet time-gain compensation (TGC). TGC-forstærkeren kompenserer for eksponentielt signalfald ved at forstærke signalet med en eksponentiel faktor, der bestemmes af, hvor længe modtageren har ventet på returpulsen.

Bemærk, at der findes forskellige typer af ultralydsbilleder som vist i (Figur 2):

• Gråskala giver et grundlæggende sort/hvidt billede. Den kan opløse artefakter så små som en millimeter (mm).
• Doppler-tilstande registrerer hastigheden af et objekt i bevægelse ved at spore frekvensforskydningen af retursignalet og vise det i falsk farve. Det bruges til at undersøge blod eller andre væsker, der flyder i kroppen. Doppler-mode kræver, at man sender en kontinuerlig bølge ind i kroppen og producerer en hurtig Fourier-transformation (FFT) af retursignalet.

Figur 2: Gråskala (A) og farvedoppler (B) af de ekstrakranielle halspulsårer på niveau med halspulsårernes bifurkation. Bemærk, at forgreningerne af ECA (asterisk, nederst til venstre på hvert billede) ses bedst på farvedopplerbilleder. (CCA: common carotid artery; ICA: internal carotid artery; and ECA: external carotid artery (ECA). (Billedkilde: Radiologic Clinics of North America)

• Venøse og arterielle tilstande bruger Doppler sammen med gråskala-tilstanden. De bruges til at vise arteriel og venøs blodgennemstrømning i detaljer.

Det forenklede blokdiagram udelader nogle nøglekomponenter, mens et mere detaljeret diagram afslører yderligere funktioner (figur 3).

Figur 3: Et mere detaljeret blokdiagram af et moderne ultralydssystem gør dets kompleksitet mere tydelig, såvel som de mange digitale funktioner, der er indlejret i designet. (Billedkilde: Analog Devices)

For det første er der strømforsyningsfunktionen. Uanset om systemet er AC-line eller batteridrevet, kræver det flere DC/DC-regulatorer for at udvikle de forskellige skinnespændinger. Disse spændinger varierer fra et par volt for nogle funktioner til meget højere spændinger for piezotransducerne.

Da moderne ultralydssystemer stort set er digitale, bortset fra deres analoge frontends til sende- og modtagevejene, inkluderer de desuden FPGA'er til at implementere den digitalt styrede stråleformning og andre funktioner. Disse FPGA'er kræver en relativt stor mængde strøm, helt op til 10 A.

Støjgrænsernes ydeevne

Som med de fleste dataopsamlingssystemer er støj også en af de faktorer, der begrænser ydeevnen for medicinske ultralydssystemer. Ud over patientinduceret speckle-støj findes der forskellige former for elektronisk kredsløbs- og komponentstøj:

• Gaussisk støj er statistisk tilfældig "hvid" støj, der hovedsageligt skyldes termiske svingninger eller elektronisk kredsløbsstøj fra aktive og passive komponenter.
• Shot (Poisson) støj skyldes de elektriske ladningers diskrete natur.
• Impulsstøj, også kaldet salt-og-peber-støj, ses nogle gange på digitale billeder. Det kan forårsages af skarpe og pludselige forstyrrelser i billedsignalet og ses som sparsomt forekommende hvide og sorte pixels, deraf det uformelle navn.

Disse støjkilder påvirker billedopløsningen og -kvaliteten. De minimeres ved passende valg af elektroniske komponenter, såsom forstærkere og modstande med lavt støjniveau, samt passende analoge og digitale filtre. Derudover kan noget støj minimeres i efterbehandlingen ved hjælp af sofistikerede billed- og signalbehandlingsalgoritmer.

Regulatorstøj: En nøglefaktor

Der er også et støjrelateret problem, der skal løses: Switching-støj fra step-down (buck) DC/DC-regulatorer, der primært leverer strøm til digitale IC'er, såsom FPGA'er og ASIC'er. Problemet er, at de også påvirker følsomme analoge signalbehandlingskredsløb gennem elektromagnetisk (EM) stråling samt ledning gennem strømskinner og andre ledere.

Designere forsøger at minimere denne støj ved hjælp af ferritperler, omhyggelige layouts og strømskinne-filtrering, men disse tiltag øger antallet af komponenter, øger printkortets areal og er ofte kun delvist vellykkede.

Traditionelt kan designere, der stræber efter at minimere støjen fra DC/DC-regulatorerne, vælge en LDO med dens iboende støjsvage udgang, men relativt dårlige effektivitet på omkring 50%. Alternativet er at bruge en switching-regulator med en effektivitet på omkring 90% eller højere, men med impulsstøj ved udgangen i størrelsesordenen millivolt på grund af switching-clock.

I modsætning til de fleste tekniske beslutninger, hvor der er afvejninger langs et kontinuum, kræver situationen med DC/DC-regulatorer, at man vælger den ene eller den anden side: Lav støj med lav effektivitet versus høj støj med høj effektivitet. Der er ikke noget kompromis, som f.eks. at acceptere 20% højere støj i en LDO til gengæld for en beskeden stigning i dens effektivitet.

LDO'ens iboende lave støjniveau kan kompromitteres af en anden faktor. På grund af dens relativt store størrelse til højere strømniveauer, primært på grund af termiske problemer, skal den ofte placeres i en længere afstand fra sin belastning. Det giver LDO'ens udgangsskinne mulighed for at opfange udstrålet støj fra digitale komponenter i systemet, hvilket ødelægger den rene skinne i det følsomme analoge kredsløb.

En løsning på LDO-placering på grund af problemer med termisk styring er at bruge en enkelt regulator, der er placeret ude i siden eller i hjørnet af printkortet. Det hjælper med at håndtere LDO-spredningsproblemerne og forenkler muligvis DC/DC-systemarkitekturen. Men denne simpelt klingende løsning har mange problemer:

• Det uundgåelige IR-fald mellem regulatoren og belastningerne på grund af afstanden og de høje strømniveauer (ΔV-fald = belastningsstrøm (I) × spormodstand (R)) betyder, at spændingen ved belastningerne ikke vil være på den nominelle LDO-udgangsværdi og endda kan være forskellig ved hver belastning. Dette fald kan minimeres ved at øge printkortets sporvidde eller -tykkelse eller ved at bruge en stand-up samleskinne, men det kræver dyrebar plads på printkortet og øger materialelisten (BOM).
• Fjernmåling kan bruges til at overvåge spændingen ved belastningen, men det fungerer kun godt for en enkeltpunkts, ikke-spredt belastning. Derudover kan de eksterne sensorledninger bidrage til DC-skinne svingninger, da induktansen fra den længere forsyningsskinne og sensorledningerne kan påvirke regulatorens transiente ydeevne.
• Endelig, og det problem, der ofte er sværest at håndtere, er de længere strømskinner også udsat for mere elektromagnetisk interferens (EMI) eller radiofrekvensinterferens (RFI) støjopsamling.

For at løse EMI/RFI-problemet begynder man normalt med at bruge ekstra bypass-kondensatorer, in-line ferritperler og andre foranstaltninger. Men problemet er ofte vedholdende. Desuden øger denne støj udfordringen med at opfylde de forskellige lovkrav om støjemissioner afhængigt af støjens omfang og hyppighed.

Silent Switcher-regulatorer løser dilemmaet med afvejninger

En alternativ og normalt bedre løsning er at bruge individuelle DC/DC-regulatorer, der er placeret så tæt på deres belastnings-IC'er som muligt. Det minimerer IR-dråben, printkortets fodaftryk samt opfangning og udstråling af skinnestøj. Men for at denne tilgang skal være levedygtig, er det vigtigt at have små, effektive, støjsvage regulatorer, der kan placeres ved siden af belastningen og stadig opfylde alle dens aktuelle krav.

Det er her, de mange Silent Switcher-regulatorer fra Analog Devices er problemløsere. Ikke alene leverer disse regulatorer encifrede spændingsudgange ved strømniveauer fra et par ampere til 10 A, men de gør det også med ekstremt lav støj, en bedrift, der er opnået gennem flere designinnovationer.

Disse regulatorer er ikke et "kompromis" eller en afvejning et sted mellem LDO'ernes støjsvage egenskaber og switching-regulatorernes effektivitet. I stedet gør deres innovative design det muligt for ingeniører at få de fulde effektivitetsfordele ved switchere med støjniveauer, der er meget lave og tæt på en LDO. I virkeligheden giver de designerne mulighed for at få det bedste af begge egenskaber, når det gælder støj og effektivitet.

Disse regulatorer fjerner den konventionelle tankegang om forskellen mellem LDO og switching-regulator. De fås i enhederne Silent Switcher 1 (første generation), Silent Switcher 2 (anden generation) og Silent Switcher 3 (tredje generation). Designerne af disse enheder identificerede de forskellige støjkilder og udtænkte måder at dæmpe hver enkelt på, og hver efterfølgende generation har givet yderligere forbedringer (figur 4).

Figur 4: Silent Switcher DC/DC-regulatorerne spænder over tre generationer, hvor hver efterfølgende generation bygger videre på og udvider ydelsen fra sin forgænger. (Billedkilde: Analog Devices)

Fordelene ved Silent Switcher 1-enhederne er lav EMI, høj effektivitet og en høj skiftefrekvens, der flytter meget af den resterende støj væk fra dele af spektret, hvor den ville forstyrre systemdriften eller have lovgivningsmæssige problemer. Fordelene ved Silent Switcher 2 omfatter alle funktionerne i Silent Switcher 1-teknologien, plus integrerede præcisionskondensatorer, et mindre fodaftryk og eliminering af følsomhed over for printkortets layout. Endelig har Silent Switcher 3-serien ultra-lave støjegenskaber i lavfrekvensområdet fra 10 Hertz (Hz) til 100 kHz, hvilket er særligt kritisk for ultralydsapplikationer.

På grund af deres lille formfaktor på blot et par millimeter i kvadrat, sammen med deres iboende effektivitet, kan disse switchere placeres meget tæt på load FPGA eller ASIC. Det maksimerer ydeevnen og eliminerer forskelle mellem databladets ydeevne og virkeligheden i brug.

Et sammendrag af støj- og varmeegenskaberne for Silent Switcher-enhederne er vist i figur 5.

Figur 5: Brugere af disse regulatorer opnår håndgribelige støj- og termiske fordele ved Silent Switchers' design. (Billedkilde: Analog Devices)

Mange valgmuligheder i Silent Switcher-matrix

Silent Switcher-regulatorer fås i mange grupper, versioner og modeller med forskellige spændings- og strømværdier for at opfylde de specifikke krav i et systemdesign, samt i en række små pakker (figur 6).

Figur 6: De mange enheder, der bruger Silent Switcher-teknologi, tilbyder mange permutationer af spænding, strøm, støj og andre egenskaber. (Billedkilde: Analog Devices)

Den første og anden generation af enheder omfatter, men er ikke begrænset til, 5-volts enheder med 3, 4, 6 og 10 A udgange, som f.eks:

• LTC3307: 5 volt, 3 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 mm × 2 mm LQFN-pakke
• LTC3308A: 5 volt, 4 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 mm × 2 mm LQFN-pakke
• LTC3309A: 5 volt, 6 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 mm × 2 mm LQFN-pakke
• LTC3310: 5 volt, 10 A synkron step-down Silent Switcher 2 i en 3 mm × 3 mm LQFN-pakke

Hver af disse er igen tilgængelige i flere versioner. For eksempel fås LTC3310 i fire basisversioner, herunder nogle, der er AEC-Q100-kvalificerede til bilindustrien. Bemærk, at både første generations (SS1) enheder - LTC3310 og LTC3310-1 - og anden generations (SS2) enheder som LTC3310S og LTC3310S-1, som fås som justerbare og faste udgangsenheder.

Et nærmere kig på en tredjegenerationsenhed, LT8625S, fremhæver funktionerne i Silent Switcher 3 designs, som understreges af den enestående støjsvage ydeevne i denne enhed med 2,7 til 18 volt input og 8 A output (figur 7).

Figur 7: LT8625S kræver kun nogle få eksterne standardkomponenter (vist er den ellers identiske LTC8624S, en 4 A-søster). (Billedkilde: Analog Devices)

LT8625S har blandt andet følgende funktioner:

• Ultrahurtig transient respons på grund af fejlforstærkeren med høj forstærkning
• En hurtig minimum tændtid på kun 15 nanosekunder (ns)
• En præcisionsreference med ±0,8 % drift over temperatur
• PolyPhase-drift understøtter op til 12 faser for højere samlet strømoutput
• Justerbart og synkroniserbart ur fra 300 kHz til 4 MHz
• Programmerbar indikator for god strøm
• Tilgængelig i en 20-ledet 4 mm × 3 mm (LT8625SP) eller 24-ledet 4 mm × 4 mm LQFN-pakke (LT8625SP-1)

Dens støjspecifikationer viser, hvorfor den er særligt velegnet til ultralydsapplikationer (figur 8):

• Ultra-lav RMS-støj (root mean square) (10 Hz til 100 kHz): 4 mikrovolt RMS (μV_RMS)
• Ultra-lav spotstøj: 4 nanovolt pr. rod Hz (nV/√Hz) ved 10 kHz
• Ultra-lav EMI-emission på ethvert printkort
• Interne bypass-kondensatorer reducerer EMI-udstråling

Figur 8: Graferne viser, at både den lavfrekvente (venstre) og bredbåndede (højre) støjspektraltæthed for LT8625S er minimal. (Billedkilde: Analog Devices)

Denne støjsvage ydeevne opnås sammen med høj effektivitet og lavt effekttab over hele belastningsområdet (figur 9).

Figur 9: LT8625S' høje driftseffektivitet og lave termiske påvirkning gør det lettere at designe systemet. (Billedkilde: Analog Devices)

Design-in med den 20-bly LT8625S fremskyndes med tilgængeligheden af det ledsagende DC3219A demonstrationskredsløb/evalueringskort (figur 10). Kortets standardindstilling er 1,0 volt ved en maksimal DC-udgangsstrøm på 8 A. Brugeren kan ændre spændingsindstillingen efter behov.

Figur 10: For at muliggøre udforskning og fremskynde design-in understøtter DC3291A-evalueringskortet LT8625S. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

Ultralydsbilledsystemer er et uundværligt, risikofrit medicinsk diagnoseværktøj. For at opnå den nødvendige billedklarhed, opløsning og andre præstationsmålinger er det afgørende at erkende, at de modtagne signaler kan være på ekstremt lave niveauer med et bredt dynamisk område. Det kræver, at ingeniørerne vælger støjsvage komponenter, anvender fornuftige designteknikker og sikrer, at DC-strømskinnerne er så støjsvage som muligt.

Silent Switcher-familien fra Analog Devices tilbyder den iboende høje effektivitet i switching DC/DC-regulatorer, mens den også har et støjniveau, der kan sammenlignes med langt mindre effektive LDO'er. Derudover gør deres lille størrelse på blot et par millimeter i kvadrat det muligt at placere dem tæt på de belastninger, de understøtter, hvilket minimerer muligheden for at opfange udstrålet kredsløbsstøj.