LDO regulátory mají problémy s tepelným managementem, a tak efektivní alternativou je spínací regulátor, který ale vykazuje poměrně velkou hodnotu šumu. Řešením jsou vysoce výkonné monolitické spínací regulátory s vysokou účinností a minimálními nároky na prostor. Mezi ně patří rodina Silent Switcher IC od Analog Devices, například LT8625S.

Ultrazvuk má problémy zejména v cestě signálu

Princip fungování ultrazvukového zobrazování je jednoduchý, ale vývoj vysoce výkonného zobrazovacího systému vyžaduje odborné znalosti v oblasti designu a cit pro detail (obrázek 1).

Obrázek 1: Blokové schéma na vysoké úrovni ultrazvukového zobrazovacího systému naznačuje složitost implementace systému založeného na jednoduchém fyzikálním principu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Zobrazovací systém využívá pole piezoelektrických měničů, které jsou vybuzeny pulzem tak, aby vytvořily akustickou vlnoplochu. Moderní zobrazovací systémy mají až 256 takových prvků, z nichž každý musí být řízen nezávisle. Vysílané frekvence se pohybují od 2 do 20 MHz. Vyšší frekvence poskytují dobré prostorové rozlišení, ale mají relativně špatnou schopnost pronikání, a to má za následek zhoršenou kvalitu obrazu. Většina systémů proto používá frekvenci okolo 5 MHz jako kompromis. Jakmile dojde k vyzáření ultrazvukového pulsu, systém se přepne do režimu příjmu a zachytí jeho ozvěny, které se vytvoří vždy, když energie akustické vlny narazí na impedanční bariéru, například na hranici mezi různými typy tkání nebo orgánů.

V důsledku dvojnásobného zeslabení ultrazvukového signálu při jeho průchodu tkání ( směrem dovnitř těla a zpět při odrazu ) dosahuje měřený signál úrovně od jednoho voltu až po několik mikrovoltů. To je dynamický rozsah asi 120 dB. Pro 10 MHz ultrazvukový signál a hloubku průniku 5 cm je odražený signál zeslaben o 100 dB. Pro zvládnutí okamžitého dynamického rozsahu 60 dB v jakémkoli místě by tedy požadovaný dynamický rozsah byl 160 dB.

Může se zdát, že nejjednodušším řešením, jak se vypořádat s širokým dynamickým rozsahem je zvýšit vyzařovaný výkon. Kromě energetických požadavků je tu i přísné omezení teploty ultrazvukové sondy, která je v kontaktu s pokožkou pacienta. Maximální přípustná povrchová teplota sondy je specifikována v normě IEC 60601-2-37 (Rev 2007). 50 °C kdy snímač vysílá do vzduchu a 43 °C při vysílání do lidského těla. Proto musí být nejen omezen výkon, ale také musí být minimalizovány jakákoli ztráty související s elektronikou, včetně ztrát DC/DC regulátorů.

Pro udržení relativně konstantní úrovně signálu a maximálního poměru signál/šum SNR se používá speciální forma automatického řízení zisku (AGC) nazývaná kompenzace časového zisku (TGC). Zesilovač TGC kompenzuje exponenciální pokles signálu zesílením signálu pomocí exponenciálního faktoru, který je určen tím, jak dlouho přijímač čekal na zpětný impuls.

Existují různé typy režimů ultrazvukového zobrazování (obrázek 2):

• Režim šedé stupnice - vytváří základní černobílý obrázek. Dokáže rozlišit artefakty malé jako jeden milimetr.
• Dopplerův režim - detekuje rychlost pohybujícího se objektu sledováním frekvenčního posunu odraženého signálu a jeho zobrazením v barvách. Používá se k vyšetření krve nebo jiných tekutin proudících v těle. Dopplerův režim vyžaduje přenos nepřetržité vlny do těla a vytvoření rychlé Fourierovy transformace (FFT) odraženého signálu.

Obrázek 2: Režim šedé stupnice (A) a barevný dopplerovský režim (B) Všimněte si, že větve ECA (hvězdičky vlevo dole na každém snímku) jsou nejlépe vidět na barevném dopplerovském zobrazení. (CCA: společná krční tepna; ICA: vnitřní krční tepna; a ECA: vnější krční tepna (ECA). (Zdroj obrázku: Radiologic Clinics of North America)

• Venózní a arteriální režimy – používají kombinaci Doppleru ve spojení s režimem šedé stupnice. Používají se k podrobnému zobrazení arteriálního a venózního průtoku krve.

Obrázek 3: Podrobnější blokové schéma moderního ultrazvukového systému ukazuje jeho složitost a také mnoho zabudovaných digitálních funkcích. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ať už je systém napájen střídavým proudem nebo bateriemi, je nutné použít několik DC/DC regulátorů pro získání různých napájecích úrovní. Protože moderní ultrazvukové systémy jsou z velké části digitální, kromě jejich analogových vysílacích a přijímacích částí ultrazvukového signálu, obsahují FPGA pro řízení paprsku a další funkcí. Tyto FPGA vyžadují poměrně značné množství proudu a to až 10 A.

Šum omezuje výkon

Kromě šumu způsobeného pacientem existují různé typy šumu elektronických obvodů a komponent:

• Gaussův šum je statisticky náhodný „bílý“ šum, který je z velké části způsoben tepelnými výkyvy nebo šumem elektronických obvodů z aktivních i pasivních součástek
• Poissonův šum je způsoben diskrétní povahou elektrického náboje
• Na digitálních obrázcích je někdy vidět impulsní šum, někdy nazývaný „sůl a pepř“. Může být způsoben ostrými a náhlými poruchami v obrazovém signálu a je vnímán jako řídce se vyskytující bílé a černé pixely

Tyto zdroje šumu ovlivňují rozlišení a kvalitu obrazu. Je možné je minimalizovat vhodnou volbou elektronických součástek, jako jsou například nízkošumové zesilovače a rezistory či vhodné analogové a digitální filtry. Při následném zpracování lze také potlačit určitý šum pomocí sofistikovaných algoritmů pro zpracování obrazu a signálu.

Šum regulátoru hraje podstatnou roli

V DC/DC buck regulátorech, které primárně dodávají energii digitálním integrovaným obvodům jako jsou FPGA a ASIC se vyskytuje tzv. spínací šum. Tento šum ovlivňuje citlivé obvody pro zpracování analogového signálu nejen prostřednictvím elektromagnetického záření, ale i přes napájecí cesty. Návrháři se pokoušejí minimalizovat tento šum pomocí feritových kuliček, pečlivého rozvržení a filtrování napájecích cest. To všechno ale navyšuje počet součástek a výsledek nemusí být dostatečný.

Další možností je použít LDO regulátor s jeho přirozeně nízkým šumem, ale relativně nízkou účinností kolem 50 %. Spínací regulátor s účinností kolem 90 % a vyšší generuje spínací šum na výstupu v řádu několika milivoltů. Takže máme na výběr: Nízký šum s nízkou účinností versus vysoký šum s vysokou účinností. Bohužel neexistuje žádný kompromis jako akceptace o 20 % vyššího šumu v LDO výměnou za mírné zvýšení jeho účinnosti.

Dalším problémem LDO regulátoru je, že kvůli relativně vyšší úrovně proudu musí být umístěn ve větší vzdálenosti od zátěže (kvůli vysoké teplotě). Tím se ale zvyšuje pravděpodobnost záchytu vyzařovaného šumu napájecími cestami citlivých analogových obvodů. Jedním z řešení umístění LDO kvůli problémům s tepelným managementem je použití jediného regulátoru umístěného na boku nebo v rohu desky plošných spojů. To pomáhá řešit problémy s rozptylem LDO a zjednodušuje celkovou architekturu.Toto jednoduše znějící řešení má však mnoho problémů:

• Pokles napětí ΔU = proud zátěže (I) x odpor cesty (R)) znamená, že napětí na zátěži nebude na jmenovité výstupní hodnotě LDO. Tento pokles lze minimalizovat zvětšením šířky nebo tloušťky napájecí cesty.
• Vzdálené snímání lze použít ke sledování napětí na zátěži, ale to funguje dobře pouze u single point zátěže. Kromě toho mohou vodiče vzdáleného snímání přispívat k oscilaci stejnosměrného napájecího napětí, protože indukčnost napájecí cesty a snímacích vodičů může ovlivnit přechodový výkon regulátoru.
• Nejobtíženější problém je, že napájecí cesta je vystavena elektromagnetickému rušení (EMI) nebo vysokofrekvenčnímu rušení (RFI). Čím je delší, tím je tento vliv větší.

Problémy EMI/RFI se obvykle řeší použitím přídavných bypass kondenzátorů nebo in-line feritových kuliček. Problémy však často nelze zcela eliminovat. Tento šum dále ztěžuje splnit různé regulační standardy pro emise šumu v závislosti na jeho velikosti a frekvenci.

Regulátory Silent Switcher

Nejlepším řešením je použít několik DC/DC regulátorů a umístit je co nejblíže příslušné zátěže. Aby však byl tento postup životaschopný, je nezbytné mít malé, účinné, nízkošumové regulátory, které lze umístit co nejblíže zátěže. Všechny tyto požadavky splňují regulátory Silent Switcher od Analog Devices. Nejen, že tyto regulátory poskytují jednotky voltů při proudových úrovních do 10 A, ale vykazují extrémně nízký šum. Tyto regulátory jsou něco mezi LDO a spínacími regulátory. Existují tři verze: Silent Switcher 1 (první generace), Silent Switcher 2 (druhá generace) a Silent Switcher 3 (třetí generace)(obrázek 4).

Obrázek 4: Regulátory DC/DC Silent Switcher existují ve třech generacích, přičemž každá následující generace přináší výrazné zlepšení. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Mezi výhody regulátorů Silent Switcher 1 patří nízké EMI, vysoká účinnost a vysoká spínací frekvence, která přesune většinu zbývajícího šumu pryč z částí spektra, kde by narušoval provoz systému nebo by měl regulační problémy. Silent Switcher 2 zahrnuje všechny funkce Silent Switcher 1 a navíc obsahuje přesné kondenzátory, které minimalizují citlivost na rozložení desky. Poslední řada Silent Switcher 3 vykazuje ultra-nízkošumové charakteristiky v nízkofrekvenčním pásmu od 10 Hz do 100 kHz, a to je právě pásmo pro ultrazvukové aplikace. Vzhledem k jejich malému rozměru a to pouhých několik milimetrů čtverečních mohou být umístěny velmi blízko zátěže FPGA nebo ASIC. Tím se dosáhne maximálního výkonu a účinnosti. Shrnutí šumových a tepelných vlastností regulátorů Silent Switcher je uvedeno na obrázku 5.

Obrázek 5: Šumové a tepelné vlastnosti regulátorů Silent Switcher. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Různé varianty regulátorů Silent Switcher

Regulátory Silent Switcher jsou k dispozici v mnoha verzích s různým jmenovitým napětím a proudem, aby splňovaly specifické požadavky daného systému (obrázek 6).

Obrázek 6: Regulátory Silent Switcher jsou k dispozici v několika verzích dle napětí, proudu, šumu a dalších parametrů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Regulátory první a druhé generace zahrnují mají výstupní napětí 5 V a proud 3, 4, 6 a 10 A:

• LTC3307: 5 V, Silent Switcher 1, 3 A, 2 x 2 mm LQFN
• LTC3308A: 5 V, Silent Switcher 1, 4 A, 2 x 2 mm LQFN
• LTC3309A: 5 V, Silent Switcher 1, 6 A, 2 x 2 mm LQFN
• LTC3310: 5 V, 10 A, Silent Switcher 2, 3 mm × 3 mm LQFN

Každý z nich je k dispozici v několika verzích. Například LTC3310 je k dispozici ve čtyřech základních verzích včetně verze s certifikací AEC-Q100 pro automobilový průmysl. Regulátory první generace SS1(LTC3310 a LTC3310-1) a druhé generace SS2 (LTC3310S a LTC3310S -1) jsou k dispozici ve verzi s nastavitelným výstupním napětím i s pevným výstupním napětím. LT8625S je regulátor třetí generace a jeho rozsah vstupního napětí je 2,7 až 18 V, výstupní napětí je nastavitelné do hodnoty o půl voltu menší než napětí vstupní a výstupní proud je 8 A (obrázek 7).

Obrázek 7: LT8625S vyžaduje pouze několik externích komponent (zobrazen je jeho alternativa LTC8624S, 4A). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vlastnosti LT8625S:

• Velmi rychlá přechodová odezva díky zesilovači s vysokým ziskem
• Rychlá doba zapnutí pouhých 15 ns
• Přesná napěťová reference s odchylkou ± 0,8 %
• PolyPhase provoz podporující až 12 fází pro vyšší agregovaný proudový výstup
• Nastavitelné a synchronizované hodiny od 300 kHz do 4 MHz
• Programovatelný indikátor napájení
• Dostupnost v pouzdře s 20 piny a rozměry 4 x 3 mm (LT8625SP) nebo s 24 piny 4 x 4 mm LQFN (LT8625SP-1)

Šumové vlastnosti ukazují, proč je vhodný pro ultrazvukové aplikace (obrázek 8):

• Velmi nízký šum (RMS) (10 Hz až 100 kHz): 4 μV _RMS
• Velmi nízký bodový šum: 4 nV/√Hz při 10 kHz
• Mimořádně nízké emise EMI na jakékoli desce PC
• Vnitřní bypass kondenzátory snižují vyzařované EMI

Obrázek 8: Grafy ukazují, jak nízkofrekvenční (vlevo), tak i širokopásmová (vpravo) spektrální hustota šumu LT8625S je na velmi nízké hodnotě. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

LT8625S vykazuje velmi nízkou hodnotu šumu, vysokou účinnost a nízkou ztrátu výkonu v celém rozsahu zátěže (obrázek 9).

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

K dispozici je demonstrační deska DC3219A (obrázek 10). Výchozí nastavení desky je 1,0 V při maximálním výstupním stejnosměrném proudu 8 A. Uživatel si ale může změnit nastavení napětí podle potřeby.

Obrázek 10: K dispozici je demonstrační deska DC3291A s LT8625S. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Ultrazvukové zobrazovací systémy jsou nepostradatelným diagnostickým nástrojem v lékařství. Pro dosažení požadované čistoty obrazu a rozlišení je důležité si uvědomit, že přijímané signály mohou mít extrémně nízkou úroveň s širokým dynamickým rozsahem. To vyžaduje volbu komponent s nízkým šumem. Řada Silent Switcher od Analog Devices nabízí vysokou účinnost a zároveň hladina šumu srovnatelnou s mnohem méně účinnými LDO regulátory. Navíc jejich malá velikost pouhých několik milimetrů čtverečních umožňuje jejich umístění v blízkosti zátěže.

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com