Silent Switcher μModul és LDO-szabályozók

Az ultrahang zajának és képminőségének optimalizálása

Ez a cikk röviden bemutatja az ultrahangos képalkotó rendszereket, és részletesen elemzi az ultrahangos energiamenedzsment tervezésének néhány kihívását és megoldását. Négy fő tervezési szempontot tárgyal: a rendszer zajszintjét, a kapcsolási zajt, az elektromágneses interferenciát (EMI) és a tápellátáshoz kapcsolódó ultrahang hőveszteségét. Bemutatja, hogy a Silent Switcher^® μModul^® és az alacsony zajszintű LDO-technológia hogyan segíthet megoldani a leggyakoribb problémákat, és javíthatja a rendszerzajt, valamint a képminőséget.

Az ultrahang jelentősége rohamosan növekedett az első digitális ultrahang (GE által) 2000-ben történt bevezetését követően. Az ultrahang-technológia a statikus alapúról a dinamikusra és a fekete-fehérről a színes dopplerre váltott. Az ultrahangos alkalmazások növekvő száma megnövekedett alkatrészigényeket eredményezett, például a szondával, az AFE-vel (analog front-end) és az energiarendszerrel kapcsolatban.
Az orvosi diagnosztika területén az ultrahangos képalkotó rendszerekben egyre nagyobb igény mutatkozik a jobb képminőségre. A képminőség javításának egyik legfontosabb technikája a rendszer jel-zaj viszonyának (SNR) növelése. A zajra ható különböző tényezőket, különösen a tápegységeket az alábbiakban tárgyaljuk.

Hogyan működik az ultrahang?

Az ultrahangrendszer transzducerekből, adóáramkörökből, vevőáramkörökből, háttértároló digitális feldolgozó áramkörökből, vezérlőáramkörökből, kijelzőmodulból, stb. áll. A digitális feldolgozómodul általában egy FPGA-t (Field Programmable Gate Array) tartalmaz, amely a rendszer konfigurációs és vezérlési paramétereinek megfelelően generálja az adó sugárformákat és a megfelelő hullámformamintákat. Az adóáramkörök meghajtója és a nagyfeszültségű áramkör ezután nagyfeszültségű jelet hoz létre az ultrahangos jelátalakítók gerjesztéséhez. Az ultrahangos jelátalakító általában piezoelektromos (PZT) kerámiából készül. A feszültségjelet ultrahanghullámokká alakítja át, amelyek az emberi testbe hatolnak, miközben a szövetek által keltett visszhangokat fogadják. A visszhangokat kisfeszültségű jellé alakítják át, és egy adó/vevő (T/R) kapcsolóhoz továbbítják. A T/R-kapcsoló elsődleges célja megakadályozni, hogy a nagyfeszültségű adójel károsítsa az alacsony feszültségű analóg vételi frontendet. Az analóg feszültségjelet a jelkondicionálás, erősítés és szűrés után az AFE integrált ADC-jéhez továbbítják, majd digitális adatokká alakítják. A digitális adatokat JESD204B vagy LVDS interfészen keresztül továbbítják az FPGA-nak a vételi sugáralakításhoz, majd a backend digitális részekhez további feldolgozásra, az ultrahangkép létrehozásához.

1. ábra Ultrahangos rendszer blokkdiagramja

Hogyan befolyásolja a tápegység az ultrahangos rendszereket?

A fent leírt ultrahang-architektúra alapján a rendszerzajt számos tényező befolyásolhatja, például az adójellánc, a vevőjellánc, a TGC (Time Gain Compensation) erősítésszabályozás, az órajelezés és a tápegységek. Az alábbiakban azt tárgyaljuk, hogy a tápegység hogyan befolyásolhatja a zajt.
Egy ultrahangrendszerben különböző képmódok találhatók, és minden képmódnak más-más követelményei vannak a dinamikatartományra vonatkozóan. Ez azt is jelenti, hogy az SNR- vagy zajkövetelmények a különböző képmódoktól függnek. A fekete-fehér üzemmódhoz 70 dB dinamikatartomány szükséges, az impulzushullám-doppler (PWD) üzemmódhoz 130 dB, a folyamatos hullámdoppler (CWD) üzemmódhoz pedig 160 dB. A zajszint fontos a fekete-fehér üzemmód esetében, mivel befolyásolja a legkisebb ultrahangvisszhang maximális mélységét a távoli mezőben, amit penetrációnak nevezünk – ez a fekete-fehér üzemmód egyik legfontosabb jellemzője. Az 1/f zaj különösen fontos a PWD és a CWD üzemmódok esetében. Mind a PWD-, mind a CWD-képek az 1 kHz alatti alacsony frekvenciájú spektrumot tartalmazzák, a fáziszaj pedig az 1 kHz-nél magasabb dopplerfrekvenciás spektrumot befolyásolja. Mivel az ultrahangos jelátalakító frekvenciája jellemzően 1 MHz és 15 MHz között van, e tartományon belül minden kapcsolási frekvenciazaj hatással lesz rá. Ha a PWD és CWD spektrumon belül (100 Hz és 200 kHz között) intermodulált frekvenciák vannak, a nyilvánvaló zajspektrumok megjelennek a dopplerképeken, ami elfogadhatatlan az ultrahangrendszerben.
Másrészt egy jó tápegység ugyanezen megfontolások figyelembevételével javíthatja az ultrahangképeket. A tervezőnek számos tényezőt kell megértenie, amikor egy ultrahangos alkalmazáshoz tápegységet tervez.

Kapcsolási frekvencia

Mint említettük, el kell kerülni, hogy a mintavételi sávban (200 Hz és 100 kHz között) váratlan felharmonikus frekvenciák jelenjenek meg. Ilyen jellegű zaj könnyen előfordulhat a villamosenergia-rendszerben.
A kapcsolóüzemű szabályozók többsége ellenállást használ a kapcsolási frekvencia beállításához. Az ellenállás hibája különböző kapcsolási névleges frekvenciákat és felharmonikusokat hozhat létre a NYÁK-on. Például az 1%-os pontosságú ellenállások ±1%-os hibát és 4 kHz-es harmonikus frekvenciát okozhatnak egy 400 kHz-es DC-DC-szabályozóban. Jobb megoldás a szinkronizálási funkcióval rendelkező teljesítménykapcsolók kiválasztása. A külső órajel a SYNC-lábon keresztül jelet küld az összes szabályozónak, így az összes szabályozó azonos frekvencián és azonos fázissal kapcsol.
Emellett egyes szabályozók az EMI szempontjából vagy a magasabb tranziensreakció érdekében 20%-os kapcsolási frekvenciaváltozattal rendelkeznek, ami 0 kHz és 80 kHz közötti harmonikus frekvenciát eredményez egy 400 kHz-es tápegységben. Az állandó frekvenciájú kapcsolószabályozók segítenek elkerülni ezt a problémát. Az ADI Silent Switcher feszültségszabályozók és μModul-szabályozók családja állandó frekvenciájú kapcsolással rendelkezik, ugyanakkor kiváló EMI-teljesítményt nyújtanak szórt spektrum nélkül, megtartva a kiváló tranziensválaszt.

Fehér zaj

Az ultrahangos rendszerben számos fehér zajforrás is van, ami az ultrahangos képalkotásban háttérzajhoz vezet. Ez a zaj elsősorban a jelláncból, az órából és a teljesítményből származik.
Az LDO-szabályozó hozzáadása az analóg feldolgozóeszköz analóg tápellátási kivezetésénél ma már gyakori. Az ADI következő generációs LDO-szabályozói körülbelül 1 μV effektív értékű ultraalacsony zajjal rendelkeznek, amely 200 mA és 3 A közötti áramot fed le. Az áramkör és a specifikációk a 2. és a 3. ábrán láthatók.

 2. ábra A következő generációs alacsony zajszintű LDO-szabályozó

3. ábra Az alacsony zajspektrum sűrűsége a következő generációs
LDO-szabályozóban: LT3045

PCB elrendezés

Egy ultrahangos rendszer adatgyűjtő kártyájának a tervezésekor könnyen észrevehető a kompromisszum a nagy áramerősségű tápegység és a nagy érzékenységű jelláncrész között. A kapcsolóüzemű tápegységekből származó zaj könnyen összekapcsolódik a jelút nyomvonalában, és ezt nem könnyű eltávolítani az adatfeldolgozásból. A kapcsolási zaj általában a kapcsoló bemeneti kapacitásából (4. ábra) és a felfelé vagy lefelé irányuló kapcsolók által generált forró hurokból származik. Egy csillapító (snubber) áramkör hozzáadása segíthet az elektromágneses emisszió kezelésében; ugyanakkor azonban csökkenti a hatékonyságot. A Silent Switcher architektúra segíthet az EMI-teljesítmény javításában és a magas kapcsolási frekvencia mellett is magas hatásfok fenntartásában.

Kézi digitális szonda

Az ultrahang elnyelése miatti melegedés mellett a transzducer közelében lévő szövetek hőmérsékletét erősen befolyásolja maga a transzducer hőmérséklete is. Az ultrahang-impulzusokat a transzducerre adott elektromos jel alkalmazásával hozzák létre. Az elektromos energia egy része eloszlik a lencsében és a hátlapi anyagban, ami a transzducer felmelegedését okozza. A kapott jelek elektronikus feldolgozása a transzducerfejben szintén elektromos felmelegedést eredményezhet. A hő elvezetése a jelátalakító felületéről a felszíni szövetekben több Celsius-fokos hőmérséklet-emelkedést eredményezhet. Az IEC 60601-2-37 (Rev 2007) szabványban a transzducer felületének megengedett maximális hőmérséklete (TSURF) 50 °C, ha a transzducer levegőbe sugároz, és 43 °C, ha megfelelő fantomba (próbatestbe) sugároz. Ez utóbbi határérték azt jelenti, hogy a bőr (jellemzően 33 °C-os) akár 10 °C-kal is felmelegedhet.
Az IEC 60601-2-37 (Rev 2007) biztonsági szabvány szerint a jelátalakító felületének hőmérséklete levegőn 50 °C-nál alacsonyabb, illetve a fantommal érintkezve 33 °C (külsőleg alkalmazott jelátalakítók esetében) vagy 37 °C (belső jelátalakítók esetében), de 43 °C-nál alacsonyabb lehet. Gyakran ezek a hőmérsékleti korlátok (és nem a sugár maximális intenzitásának korlátja) határozzák meg a transzducer akusztikus kimenetét. A Silent Switcher eszközök a legnagyobb hatékonysággal alakítják át a teljesítményt (széles, akár 3 MHz-es kapcsolási sávszélességgel) a digitális szonda különböző feszültségtartományaira. Ez azt jelenti, hogy a teljesítményátalakítás során a veszteségek minimálisak. Ez segíti a hűtőrendszert, mivel hő formájában nincs jelentős további teljesítményveszteség.

A Silent Switcher μModul-szabályozók sokat segítenek

A Silent Switcher μModul-szabályozó technológia a legjobb választás az ultrahangos tápsín kialakításában. Az EMI és a kapcsolási frekvenciazaj javításának elősegítése érdekében vezették be. Hagyományosan gondoskodnunk kell az áramkör és az elrendezés tervezéséről a forró hurokban minden egyes kapcsolóüzemű szabályozó esetében. Egy buck regulátor esetében, amint az a 4. ábrán látható, a forró hurok tartalmaz egy bemeneti kapacitást, egy felső oldali MOSFET-et, egy alsó oldali MOSFET-et és egy parazitainduktivitást, amelyet a vezetékezés, az útválasztás, a chip kikötése (bondolása) okozhat.

A Silent Switcher modulok két fő tervezési megközelítéssel rendelkeznek:

• Először is, amint az a 4. és az 5. ábrán látható, egy ellentétes forró hurok létrehozásával az EMI nagy része csökken a kétirányú emisszió miatt. Ezzel a megközelítéssel közel 20 dB optimalizálható.

4. ábra Ellentétes forró hurkok kapcsolási rajza

5. ábra A Silent Switching és a „nem-Silent Switching” EMI-teljesítményének összehasonlítása

• Másodszor, ahogy a 6. ábrán látható, a chipet körülvevő huzalozás helyett a Silent Switcher modulban a rézoszlopos flip-chip tokozási forma segít csökkenteni a parazitainduktivitást és optimalizálni a csúcs- és holtidőt.

6. ábra Rézoszlopos flip-chip-tokozás és annak teljesítménye (LT8614)
a hagyományos szerelési technikával (LT8610) összehasonlítva

Ezen túlmenően, amint az a 7. ábrán látható, a Silent Switcher technológia nagy teljesítménysűrűségű kialakítást kínál, nagy áramerősséget tesz lehetővé kis méretben, alacsony théta JA értéket tartva és magas hatásfokot eredményezve (például az LTM4638 15 A-t tesz lehetővé 6,25 mm × 6,25 mm × 5,02 mm-es tokozásban).

7. ábra Silent Switcher μModul-szabályozó a tokozáson belüli nézetben

A legtöbb Silent Switcher μModul-szabályozó fix frekvenciával, széles frekvenciatartománnyal és csúcsáramú architektúrával is rendelkezik, ami alacsony jittert és gyors tranziensválaszt tesz lehetővé. A portfólió népszerű termékeit a 2. táblázat tartalmazza.

1. táblázat A Silent Switcher termékek összefoglalása

2. táblázat Népszerű ultraalacsony zajszintű tápellátási megoldások Silent Switcher technológiával

Következtetés

Az ADI Silent Switcher teljesítmény μModul-szabályozó és LDO termékei komplett megoldást nyújtanak az ultrahangos tápsín tervezéséhez, minimalizálva a rendszer zajszintjét és kapcsolási zaját. Ez nagymértékben hozzájárul a képminőség javításához. Segítenek továbbá a hőmérséklet-emelkedés korlátozásában és a PCB elrendezés tervezési bonyolultságának egyszerűsítésében is.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerzők: Yu Lu, Alkalmazástechnikai mérnök, és
Hugh Yu, Egészségügyi Rendszerek Alkalmazástechnikai menedzsere

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com