De juiste voedingsregelaar kan DC-railruis minimaliseren en de beeldkwaliteit van ultrasone systemen verbeteren

Ruis is een prestatiebeperkende factor in medische en andere ultrasone systemen. Natuurlijk verwijst de eenvoudige term "ruis" naar vele verschillende soorten, waarvan sommige inherent zijn aan de medische en patiëntsituatie, terwijl andere elektronisch van aard zijn. De dominante ruis die door de patiënt wordt veroorzaakt, wordt "spikkelruis" genoemd en is grotendeels te wijten aan de niet-uniformiteit (niet-homogeniteit) van de weefsels en organen van de patiënt. Circuitontwerpers kunnen weinig doen aan door de patiënt veroorzaakte ruis, maar ze kunnen wel veel doen om de verschillende bronnen en soorten ruis in de elektronica te minimaliseren.

Tot deze potentiële ruisbronnen behoren DC/DC-regelaars. Om ruis te minimaliseren, kunnen ontwerpers kleine en stille LDO (low-dropout) regelaars gebruiken, die steeds efficiënter worden. Zelfs deze LDO's resulteren vaak in energieverspilling met bijbehorende problemen op het gebied van thermisch beheer. Het efficiënte alternatief voor de LDO is de schakelende regelaar, maar deze apparaten hebben een hoge ruis vanwege hun schakelende aard. Deze ruis moet worden verminderd als ontwerpers deze apparaten ten volle willen benutten.

Recente innovaties in het ontwerp van topologieën voor vermogensomzetting hebben die ruis verminderd, wat heeft geleid tot een verschuiving in de afweging tussen ruis en efficiëntie. Monolithische schakelende regelaars met hoog vermogen kunnen bijvoorbeeld digitale IC's efficiënt voeden met ruisarme DC-rails, hoge efficiëntie en minimale benodigde ruimte.

Dit artikel bespreekt kort de uitdagingen van ultrageluid. Vervolgens worden de kleine Silent Switcher IC-families van Analog Devices geïntroduceerd en wordt de LT8625S gebruikt als voorbeeld om te laten zien hoe deze innovatieve schakelende regelaars voldoen aan de vele doelstellingen voor belastingen in het eencijferige spanningsbereik en minder dan 10 ampère (A) die nodig zijn voor ultrasone beeldvorming met hoge prestaties. Er worden nog meer Silent Switcher IC-voorbeelden gegeven om de breedte van de familie te laten zien.

Ultrageluid heeft unieke signaalpadproblemen

Het werkingsprincipe van ultrasone beeldvorming is eenvoudig, maar de ontwikkeling van een krachtig beeldvormingssysteem vereist aanzienlijke ontwerpexpertise, veel gespecialiseerde onderdelen en aandacht voor subtiele details (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een blokschema op hoog niveau van een ultrasoon beeldvormingssysteem laat zien hoe complex het is om een systeem te implementeren dat gebaseerd is op een eenvoudig natuurkundig principe. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het beeldvormingssysteem maakt gebruik van een serie piëzo-elektrische transductors die gepulst worden om een akoestisch golffront te produceren. Veel nieuwe systemen hebben tot wel 256 van zulke transductorelementen, die elk onafhankelijk aangestuurd moeten worden. De uitgezonden frequenties variëren van 2 tot 20 megahertz (MHz).

Door de relatieve timing van de transductors in de serie aan te passen met variabele vertragingen, kunnen de uitgezonden pulsen worden gebundeld en op specifieke locaties worden gericht. Hogere frequenties bieden een goede ruimtelijke resolutie maar hebben een relatief slecht penetratievermogen, wat resulteert in een slechtere beeldkwaliteit. De meeste systemen gebruiken ongeveer 5 MHz als optimaal compromis.

Zodra de puls is uitgezonden, schakelt het systeem over naar de ontvangstmodus en vangt het de echo's van de akoestische puls op, die ontstaan wanneer de energie van de akoestische golf een impedantiebarrière raakt, zoals op de grens tussen verschillende soorten weefsels of organen. De tijdvertraging waarmee de echo's terugkomen ten opzichte van het moment waarop ze verzonden worden, levert de beeldvormingsinformatie.

Als gevolg van de onvermijdelijke verzwakking van het ultrasone signaal wanneer het tweemaal door het weefsel gaat - eenmaal voor het voorwaartse pad en eenmaal voor de retouurecho - omvat het ontvangen signaalniveau een breed dynamisch bereik. Het kan zo hoog zijn als één volt tot zo laag als een paar microvolt, wat een bereik is van ongeveer 120 decibel (dB).

Voor een ultrasoon signaal van 10 MHz en een penetratiediepte van 5 centimeter (cm), wordt het rondstroomsignaal met 100 dB verzwakt. Om een instantaan dynamisch bereik van ongeveer 60 dB op elke locatie aan te kunnen, zou het vereiste dynamische bereik dus 160 dB zijn (een spanningsdynamisch bereik van 100 miljoen op 1).

Het lijkt misschien of de eenvoudigste oplossing voor het omgaan met een groot dynamisch bereik, lage signalen en een ontoereikende signaal-ruisverhouding (SNR) is om gewoon het uitgestraalde transducervermogen te verhogen. Naast de voor de hand liggende vermogenseisen die dit met zich meebrengt, zijn er echter strikte limieten voor de temperatuur van de ultrasone sonde die in contact komt met de huid van de patiënt. De maximaal toelaatbare oppervlaktetemperaturen van de transducer worden in de IEC-norm 60601-2-37 (Rev 2007) gespecificeerd op 50°C wanneer de transducer in lucht zendt en 43°C wanneer hij in een geschikt menselijk lichaam fantoom zendt.

Deze laatste limiet houdt in dat de huid (typisch 33°C) met maximaal 10°C kan worden verwarmd. Daarom moet niet alleen het akoestische vermogen beperkt worden, maar moet ook de dissipatie van de bijbehorende elektronica, inclusief DC/DC regelaars, worden geminimaliseerd.

Om een relatief constant signaalniveau te handhaven en de SNR te maximaliseren, wordt een speciale vorm van automatische versterkingsregeling (AGC) genaamd tijdwinstcompensatie (TGC) gebruikt. De TGC-versterker compenseert exponentieel signaalverval door het signaal te versterken met een exponentiële factor die wordt bepaald door hoe lang de ontvanger op de retourpuls heeft gewacht.

Er zijn verschillende soorten ultrasone beeldvormingsmodi zoals weergegeven in (afbeelding 2):

• Grijsschaal produceert een zwart-wit basisafbeelding. Het kan artefacten tot op een millimeter (mm) oplossen.
• Dopplermodi detecteren de snelheid van een bewegend object door de frequentieverschuiving van het retoursignaal te volgen en in valse kleuren weer te geven. Het wordt gebruikt om bloed of andere vloeistoffen die in het lichaam stromen te onderzoeken. De dopplermodus vereist het uitzenden van een continue golf in het lichaam en het produceren van een snelle Fouriertransformatie (FFT) van het retoursignaal.

Afbeelding 2: Grijswaarden- (A) en kleuren-Doppler (B) weergave van de extracraniële halsslagaders ter hoogte van de bifurcatie van de halsslagader. De vertakkingen van de ECA (asterisk, linksonder op elke afbeelding) zijn het best te zien op kleurendopplerbeeldvorming. (CCA: gemeenschappelijke halsslagader; ICA: interne halsslagader; en ECA: externe halsslagader (ECA). (Bron afbeelding: Radiologic Clinics of North America)

• In de veneuze en arteriële modi wordt Doppler gebruikt in combinatie met de grijsschaalmodus. Ze worden gebruikt om de arteriële en veneuze bloedstroom in detail te tonen.

Het vereenvoudigde blokschema laat enkele belangrijke onderdelen weg, terwijl een meer gedetailleerd schema extra functies onthult (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een meer gedetailleerd blokschema van een modern ultrasoundsysteem maakt de complexiteit ervan duidelijk, evenals de vele digitale functies die in het ontwerp zijn ingebed. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ten eerste is er de voedingsfunctie. Of het systeem nu werkt op wisselstroom of op batterijen, er zijn meerdere DC/DC-regelaars nodig om de verschillende railspanningen te ontwikkelen. Deze spanningen variëren van een paar volt voor sommige functies tot veel hogere spanningen voor de piëzo-transductors.

Aangezien moderne ultrasone systemen grotendeels digitaal zijn, met uitzondering van hun analoge front-ends voor de zend- en ontvangstpaden, bevatten ze bovendien FPGA's om de digitaal gestuurde bundelvorming en andere functies te implementeren. Deze FPGA's hebben relatief veel stroom nodig, tot 10 A.

Ruisgrensprestaties

Zoals bij de meeste gegevensverwervingssystemen is ruis ook een van de prestatiebeperkende factoren voor medische ultrasone systemen. Naast door de patiënt veroorzaakte spikkelruis zijn er verschillende soorten ruis van elektronische circuits en onderdelen:

• Gaussische ruis is statistisch willekeurige "witte" ruis die grotendeels wordt veroorzaakt door thermische fluctuaties of door ruis in elektronische circuits door actieve en passieve onderdelen.
• Shot-ruis (Poisson-ruis) is het gevolg van de discrete aard van elektrische ladingen.
• Impulsruis, ook wel zout-en-peperruis genoemd, komt soms voor op digitale afbeeldingen. Het kan worden veroorzaakt door scherpe en plotselinge verstoringen in het beeldsignaal en wordt gezien als sporadisch voorkomende wit-en-zwarte pixels, vandaar de informele naam.

Deze ruisbronnen beïnvloeden de beeldresolutie en -kwaliteit. Ze worden geminimaliseerd door de juiste keuze van elektronische onderdelen, zoals ruisarme versterkers en weerstanden en geschikte analoge en digitale filters. Bovendien kan sommige ruis tijdens de nabewerking worden geminimaliseerd door geavanceerde beeld- en signaalverwerkingsalgoritmen.

Ruis van de regelaar: een belangrijke factor

Er is ook een ruisgerelateerd probleem dat moet worden aangepakt: schakelruis van de step-down (buck) DC/DC-regelaars die voornamelijk voeding leveren aan digitale IC's, zoals FPGA's en ASIC's. Het probleem is dat ze ook gevoelige analoge signaalverwerkingscircuits beïnvloeden via elektromagnetische (EM) straling en geleiding door stroomrails en andere geleiders.

Ontwerpers proberen deze ruis te minimaliseren met ferrietkralen, zorgvuldige lay-outs en stroomrailfiltering, maar deze inspanningen zorgen voor meer componenten, meer printplaatruimte en zijn vaak slechts gedeeltelijk succesvol.

Traditioneel kunnen ontwerpers die streven naar het minimaliseren van de ruis die wordt veroorzaakt door de DC/DC-regelaars kiezen voor een LDO met zijn inherent ruisarme uitgang, maar relatief slechte efficiëntie van ongeveer 50%. Het alternatief is om een schakelende regelaar te gebruiken met een efficiëntie van ongeveer 90% of hoger, maar met impulsruis aan de uitgang van enkele millivolt als gevolg van de schakelende klok.

In tegenstelling tot de meeste technische beslissingen waarbij er compromissen zijn langs een continuüm, is het bij DC/DC-regelaars nodig om de ene of de andere kant te kiezen: weinig ruis met weinig efficiëntie versus veel ruis met veel efficiëntie. Er is geen compromis, zoals het accepteren van 20% meer ruis in een LDO in ruil voor een bescheiden verhoging van de efficiëntie.

De inherent lage ruis van de LDO kan worden aangetast door een andere factor. Vanwege de relatief grote afmetingen voor hogere stroomniveaus, vooral om thermische redenen, moet deze vaak op grotere afstand van de belasting worden geplaatst. Hierdoor kan de LDO-uitgangsrail uitgestraalde ruis oppikken van digitale onderdelen in het systeem, waardoor de schone rail van de gevoelige analoge circuits wordt verstoord.

Een oplossing voor het plaatsen van LDO's in verband met problemen met thermisch beheer is het gebruik van een enkele regelaar, aan de zijkant of in een hoek van de printplaat. Dit helpt bij het beheersen van de LDO-dissipatieproblemen en vereenvoudigt mogelijk de DC/DC systeemarchitectuur. Deze eenvoudig klinkende oplossing heeft echter veel problemen:

• De onvermijdelijke IR-daling tussen de regelaar en de belastingen vanwege de afstand en de hoge stroomniveaus (ΔV-daling = belastingsstroom (I) × trajectweerstand (R)) betekent dat de spanning bij de belastingen niet de nominale LDO-uitgangswaarde zal hebben en bij elke belasting zelfs anders kan zijn. Deze daling kan geminimaliseerd worden door de printplaat breder of dikker te maken of door een opstaande busbar te gebruiken, maar deze gebruiken kostbare ruimte op de printplaat en verhogen de stuklijst (BOM).
• Detectie op afstand kan worden gebruikt om de spanning bij de belasting te controleren, maar dit werkt alleen goed voor een eenpuntsbelasting zonder verspreiding. Bovendien kunnen de afstandsbedieningskabels bijdragen aan DC-railoscillatie, aangezien de inductantie van de langere voedingsrail en detectiekabels de transiënte prestaties van de regelaar kunnen beïnvloeden.
• Tot slot, en dit is vaak het moeilijkst te beheersen probleem, zijn de langere stroomrails ook onderhevig aan meer elektromagnetische interferentie (EMI) of radiofrequentie-interferentie (RFI) ruisopname.

Het overwinnen van het EMI/RFI probleem begint meestal met het gebruik van extra by-pass condensators, in-line ferrietkralen en andere maatregelen. Het probleem is echter vaak hardnekkig. Bovendien maakt deze ruis het nog moeilijker om te voldoen aan de verschillende regelgevende voorschriften inzake geluidsemissies, afhankelijk van de omvang en frequentie ervan.

Silent Switcher-regelaars lossen het compromisprobleem op

Een alternatieve en meestal betere oplossing is om afzonderlijke DC/DC-regelaars te gebruiken die zo dicht mogelijk bij hun belastings-IC's worden geplaatst. Dit minimaliseert de IR-daling, de voetafdruk op de printplaat en het oppikken en uitstralen van railruis. Om deze aanpak haalbaar te maken, is het echter essentieel om kleine, efficiënte en ruisarme regelaars te hebben die naast de belasting kunnen worden geplaatst en toch aan alle stroomvereisten voldoen.

Dit is waar de vele Silent Switcher-regelaars van Analog Devices het probleem oplossen. Deze regelaars leveren niet alleen eencijferige spanningsuitgangen bij stroomniveaus van een paar ampère tot 10 A, maar ze doen dit ook nog eens met extreem weinig ruis, een prestatie die is bereikt door meerdere ontwerpinnovaties.

Deze regelaars zijn geen "compromis" of afweging ergens tussen de ruisarme eigenschappen van LDO's en de efficiëntie van schakelende regelaars. In plaats daarvan stelt hun innovatieve ontwerp ingenieurs in staat om de volledige efficiëntievoordelen van schakelapparaten te benutten met ruisniveaus die zeer laag zijn en dicht in de buurt komen van die van een LDO. In feite stellen ze ontwerpers in staat om het beste van beide eigenschappen te hebben als het gaat om ruis en efficiëntie.

Deze regelaars maken een einde aan de conventionele opvattingen over de kloof tussen LDO's en schakelende regelaars. Ze zijn verkrijgbaar in Silent Switcher 1 (eerste generatie), Silent Switcher 2 (tweede generatie) en Silent Switcher 3 (derde generatie) apparaten. De ontwerpers van deze apparaten identificeerden de verschillende ruisbronnen en bedachten manieren om elk daarvan te dempen, en elke volgende generatie heeft verdere verbeteringen opgeleverd (afbeelding 4).

Afbeelding 4: De Silent Switcher DC/DC-regelaars bestaan uit drie generaties, waarbij elke volgende generatie voortbouwt op de prestaties van zijn voorganger en deze uitbreidt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De voordelen van de Silent Switcher 1-apparaten zijn onder andere lage EMI, hoge efficiëntie en een hoge schakelfrequentie die een groot deel van de resterende ruis weghaalt van delen van het spectrum waar deze de werking van het systeem zou verstoren of problemen met de regelgeving zou opleveren. De voordelen van de Silent Switcher 2 zijn alle eigenschappen van de Silent Switcher 1-technologie, plus geïntegreerde precisiecondensators, een kleinere voetafdruk en het wegnemen van de gevoeligheid voor de lay-out van de printplaat. Tot slot vertoont de Silent Switcher 3-serie ultralage ruiskarakteristieken in de lage frequentieband van 10 Hertz (Hz) tot 100 kHz, wat met name essentieel is voor ultrasone toepassingen.

Door hun kleine vormfactor van slechts enkele vierkante millimeter en hun inherente efficiëntie kunnen deze schakelapparaten zeer dicht bij de belastende FPGA of ASIC worden geplaatst. Dit maximaliseert de prestaties en elimineert verschillen tussen de prestaties op het gegevensblad en de realiteit tijdens gebruik.

Afbeelding 5 toont een samenvatting van de ruis- en thermische eigenschappen van de Silent Switcher-apparaten.

Afbeelding 5: Gebruikers van deze regelaars realiseren tastbare ruis- en thermische voordelen dankzij het ontwerp van Silent Switchers. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Veel keuzes in de matrix van Silent Switcher

Silent Switcher-regelaars zijn verkrijgbaar in vele groepen, versies en modellen met verschillende spannings- en stroomwaarden om te voldoen aan de specifieke vereisten van een systeemontwerp, evenals in een verscheidenheid aan kleine behuizingen (afbeelding 6).

Afbeelding 6: De vele apparaten die de Silent Switcher-technologie gebruiken, bieden veel verschillende combinaties van spanning, stroom, ruis en andere eigenschappen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De apparaten van de eerste en tweede generatie omvatten, maar zijn niet beperkt tot, 5-volt-apparaten met 3, 4, 6 en 10 A-uitgangen, zoals de:

• LTC3307: 5 volt, 3 A synchrone verlagingsomzetter Silent Switcher in een 2 mm × 2 mm LQFN-behuizing
• LTC3308A: 5 volt, 4 A synchrone verlagingsomzetter Silent Switcher in een 2 mm × 2 mm LQFN-behuizing
• LTC3309A: 5 volt, 6 A synchrone verlagingsomzetter Silent Switcher in een 2 mm × 2 mm LQFN-behuizing
• LTC3310: 5 volt, 10 A synchrone verlagingsomzetter Silent Switcher 2 in een 3 mm × 3 mm LQFN-behuizing

Elk van deze is op zijn beurt beschikbaar in meerdere versies. De LTC3310 is bijvoorbeeld verkrijgbaar in vier basisversies, waaronder enkele die AEC-Q100 automotive-gekwalificeerd zijn. Zowel apparaten van de eerste generatie (SS1) - de LTC3310 en de LTC3310-1 - als apparaten van de tweede generatie (SS2) - de LTC3310S en de LTC3310S-1 - zijn verkrijgbaar als instelbare en vaste uitgangsapparaten.

Een nadere blik op een apparaat van de derde generatie, de LT8625S, benadrukt de eigenschappen van Silent Switcher 3-ontwerpen, onderstreept door de uitstekende ruisarme prestaties van dit 2,7-tot-18 V-ingangsapparaat, 8 A-uitgangsapparaat (afbeelding 7).

Afbeelding 7: De LT8625S heeft slechts enkele externe standaardonderdelen nodig (afgebeeld is de verder identieke LTC8624S, een broer van 4 A). (Bron afbeelding: Analog Devices)

De LT8625S heeft onder andere de volgende functionaliteiten:

• Ultrasnelle overgangsrespons als gevolg van de hoge versterking van de foutversterker.
• Een snelle minimale inschakeltijd van slechts 15 nanoseconden (ns)
• Een precisie-referentie met een verschuiving van ±0,8% over temperatuur.
• Meerfasenwerking met ondersteuning voor maximaal 12 fasen voor een hogere totale stroomuitvoer
• Instelbare en synchroniseerbare klok van 300 kHz tot 4 MHz
• Programmeerbare Power-Good-indicator
• Verkrijgbaar in een 20-pins 4 mm × 3 mm (LT8625SP) of 24-pins 4 mm × 4 mm LQFN (LT8625SP-1) behuizing.

De specificaties van de ruisprestaties laten zien waarom deze vooral geschikt is voor ultrasone toepassingen (afbeelding 8):

• Ultralage RMS-ruis (10 Hz tot 100 kHz): 4 microvolt RMS (μV_RMS)
• Ultralage spotruis: 4 nanovolt per wortel-Hz (nV/√Hz) bij 10 kHz
• Ultralage EMI-emissie op elke printplaat
• Interne bypass-condensators verlagen de uitgestraalde EMI

Afbeelding 8: De grafieken tonen aan dat zowel de spectrale dichtheid van laagfrequente ruis (links) als van breedbandige ruis (rechts) van de LT8625S minimaal is. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze ruisarme prestaties worden bereikt met een hoog rendement en laag vermogensverlies over het hele belastingsbereik (afbeelding 9).

Afbeelding 9: De hoge bedrijfsefficiëntie en lage thermische impact van de LT8625S maken het systeemontwerp eenvoudiger. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het ontwerpen met de 20-pins LT8625S wordt versneld door de beschikbaarheid van het DC3219A demonstratiecircuit/evaluatiebord (afbeelding 10). De standaardinstelling van het bord is 1,0 volt bij een maximale DC-uitgangsstroom van 8 A. De gebruiker kan de spanningsinstelling naar wens wijzigen.

Afbeelding 10: Om onderzoek en snelle integratie mogelijk te maken, ondersteunt het DC3291A evaluatiebord de LT8625S. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Ultrasone beeldvormingssystemen zijn een onmisbaar en risicovrij medisch diagnostisch hulpmiddel. Om de vereiste beeldhelderheid, resolutie en andere prestatiekenmerken te bereiken, is het essentieel om te weten dat de ontvangen signalen extreem lage niveaus kunnen hebben, met een groot dynamisch bereik. Hiervoor moeten ingenieurs onderdelen met weinig ruis kiezen, voorzichtige ontwerptechnieken toepassen en ervoor zorgen dat de DC-voedingsrails zo ruisarm mogelijk zijn.

De Silent Switcher-familie van Analog Devices biedt de inherente hoge efficiëntie van schakelende DC/DC-regelaars terwijl deze ook een ruisniveau heeft dat vergelijkbaar is met veel minder efficiënte LDO's. Bovendien kunnen ze dankzij hun kleine afmetingen van slechts enkele vierkante millimeters in het vierkant dicht bij de belastingen worden geplaatst die ze ondersteunen, waardoor de kans op het oppikken van uitgestraalde circuitruis wordt geminimaliseerd.