Rätt strömförsörjningsregulator kan minimera brus från likströmsmatningen och förbättra ultraljudets bildkvalité.

Brus är en prestandabegränsande faktor i medicintekniska system och andra ultraljudssystem. Den enkla termen "brus" avser givetvis många olika typer, varav vissa beror på de medicintekniska tjänsterna och patientens tillstånd medan andra är elektroniska till sin natur. Det dominerande bruset som orsakas av patienten kallas "speckle-brus" och beror till stor del på olikformigheten (icke-homogeniteten) i patientens vävnader och organ. Konstruktörer av kretsar kan inte göra mycket åt brus orsakat av patienten, men det finns mycket de kan göra för att minimera de olika källorna och typerna av brus i elektroniken.

Bland dessa möjliga bruskällor finns DC/DC-regulatorer. För att minimera bruset kan konstruktörer använda små och tysta regulatorer med lågt spänningsfall (LDO) som blir allt mer effektiva. LDO:er kan kan även medföraenergiförluster och tillhörande problem med termisk hantering. En switchad spänningsregulator är ett effektivt alternativ till LDO men dessa enheter har högt brus på grund av att de är switchade. Bruset måste dämpas om konstruktörer ska kunna använda enheternas fulla potential.

Innovationer som nyligen tagits fram vid konstruktion av topologier för effektomvandling har minskat detta brus, vilket har lett till en förändring i avvägningen mellan brus och effektivitet. Högeffektiva, monolitiska, switchade regulatorer har exempelvis effektiva likströmsmatningar med lågt brus, hög verkningsgrad och minimala utrymmeskrav, för digitala integrerade kretsar.

Artikeln diskuterar kortfattat de utmaningar som uppstår i samband med ultraljud. Därefter introduceras de små integrerade kretsarna i Silent Switcher-familjerna från Analog Devices, och LT8625S används som exempel för att visa hur dessa innovativa switchade spänningsregulator uppfyller de många mål för belastningar med ensiffriga spänningar och strömmar under 10 A som krävs för högeffektiva ultraljudsbilder. Andra exempel på Silent Switcher-kretsar ges för att visa sortimentets bredd.

Ultraljud har unika problem med signalvägar

Funktionsprincipen för avbildning med ultraljud är enkel, men för att utveckla ett högeffektivt system för avbildning krävs betydande kunskaper inom konstruktion, många specialkomponenter och uppmärksamhet kring små detaljer (figur 1).

Figur 1: Ett blockschema på hög nivå över ett ultraljudssystem visar hur komplicerat det är att implementera ett system som bygger på en enkel fysikalisk princip. (Bildkälla: Analog Devices)

Bildsystemet använder en matris av piezoelektriska transducers som pulseras för att producera en akustisk vågfront. Många nya system har upp till 256 sådana transducerelement som var och en måste kunna styras oberoende av varandra. De överförda frekvenserna ligger mellan 2 och 20 MHz.

Genom att justera den relativa tidpunkten för transducers i matrisen med hjälp av variabla fördröjningar kan de utsända pulserna strålformas och riktas mot specifika platser. Högre frekvenser ger bra spatial upplösning men har relativt dålig penetrationsförmåga vilket medför försämrad bildkvalitet. De flesta system använder cirka 5 MHz som en optimal kompromiss.

När pulsen har sänts ut växlar systemet till mottagningsläge och fångar upp ekon av den akustiska puls som skapades när den akustiska vågenergin träffar en impedansbarriär, som till exempel vid gränsen mellan olika typer av vävnader eller organ. Den tidsfördröjning med vilken ekona kommer tillbaka i förhållande till när de sändes ger bildinformationen.

På grund av den oundvikliga dämpningen av ultraljudssignalen när den passerar genom vävnaden två gånger - en gång på vägen fram och en gång när ekot återvänder - så spänner den mottagna signalnivån över ett brett dynamiskt område. Den kan vara så hög som en volt ända ner till några mikrovolt vilket motsvarar ett intervall på cirka 120 dB.

Observera att för en ultraljudssignal på 10 MHz och ett penetrationsdjup på 5 cm dämpas tur- och retursignalen med 100 dB. För att hantera ett momentant dynamiskt område på ca 60 dB på alla platser krävs därför ett dynamiskt område på 160 dB (ett spänningsdynamiskt område på 100 miljoner till 1).

Det kan verka som att den enklaste lösningen för att hantera ett stort dynamiskt område, signaler med låg nivå och ett otillräckligt signal-brusförhållande (SNR) är att helt enkelt öka transducerns utsända effekt. Förutom de uppenbara kraven på ström som detta medför finns det dock strikta begränsningar för temperaturen på den ultraljudssond som har kontakt med patientens hud. Den högsta tillåtna temperaturen på givarens yta anges i standarden IEC 60601-2-37 (rev 2007) till 50 °C när givaren sänder i luft och 43 °C när givaren sänder i en lämplig fantomkropp.

Det sistnämnda innebär att huden (som normalt håller 33 °C) får värmas upp med högst 10 °C. Det är alltså inte bara den akustiska effekten som måste begränsas, utan förlusten från den tillhörande elektroniken - inklusive DC/DC-regulatorer - måste också minimeras.

För att bibehålla en relativt konstant signalnivå och maximera SNR används en särskild form av automatisk förstärkningsstyrning (AGC) som kallas tidskompenserad förstärkning (TGC). TGC-förstärkaren kompenserar för den exponentiella signalförsämringen genom att förstärka signalen med en exponentiell faktor som baseras på hur länge mottagaren har väntat på returpulsen.

Observera att det finns olika typer av lägen för ultraljudsavbildning som visas i (figur 2):

• Gråskala ger en enkel svartvit bild. Den kan visa artefakter som är så små som en (1) mm.
• Dopplerlägen detekterar hastigheten hos ett föremål i rörelse genom att spåra förskjutningen av retursignalens frekvens och visa den i en falsk färg. Detta används för att undersöka blod eller andra vätskor som strömmar genom kroppen. Dopplermetoden innebär att en kontinuerlig våg sänds in i kroppen och producerar en snabb Fourier-transformering (FFT) av retursignalen.

Figur 2: Avbildning i gråskala (A) och doppler i färg (B) av de extrakraniella halspulsådrorna i höjd med halspulsåderns bifurkation. Notera att förgreningarna av de extrakraniella halspulsådrorna (asterisk, längst ned till vänster på respektive bild) syns bäst på avbildningen med doppler i färg. (CCA: gemensam halspulsåder; ICA: inre halspulsåder; och ECA: yttre halspulsåder). (Bildkälla: Radiologic Clinics of North America)

• Venösa och arteriella lägen använder doppler tillsammans med läget för gråskala. De används för att visa det arteriella och venösa blodflödet i detalj.

Det förenklade blockschemat utelämnar vissa viktiga komponenter, medan ett mer detaljerat schema avslöjar ytterligare funktioner (figur 3).

Bild 3: Ett mer detaljerat blockschema av ett modernt ultraljudssystem gör komplexiteten tydligare, liksom de många digitala funktioner som är inbyggda i konstruktionen. (Bildkälla: Analog Devices)

För det första har vi strömförsörjningsfunktionen. Oavsett om systemet är nät- eller batteridrivet krävs flera DC/DC-regulatorer för att skapa de olika matningsspänningarna. Spänningarna varierar från några få volt för vissa funktioner till mycket högre spänningar för piezo-transducers.

Eftersom moderna ultraljudssystem till stor del är digitala, med undantag för de analoga frontend-enheterna för sändnings- och mottagningsvägarna, innehåller de FPGA-enheter för att implementera den digitalt styrda strålformningen och andra funktioner. FPGA:erna kräver en relativt stor mängd ström, upp till 10 A.

Brus begränsar prestanda

Som för de flesta system för datainsamling är även brus en av de faktorer som begränsar prestandan för medicintekniska ultraljudssystem. Förutom speckle-brus orsakat av patienten finns det olika typer av brus från elektroniska kretsar och komponenter:

• Gaussiskt brus är statistiskt slumpmässigt "vitt" brus som till stor del beror på termiska variationer eller brus i elektroniska kretsar från aktiva och passiva komponenter.
• Skott (Poisson)-brus beror på att elektriska laddningar är diskreta till sin natur.
• Impulsbrus, ibland kallat salt-och-peppar-brus, kan emellanåt ses på digitala bilder. Det kan orsakas av kraftiga och plötsliga störningar i bildsignalen och ses som glesa vita och svarta pixlar, därav det informella namnet.

Bruskällorna påverkar bildens upplösning och kvalitet. De minimeras genom lämpliga val av elektroniska komponenter, som t.ex. förstärkare och resistorer med lågt brus samt lämpliga analoga och digitala filter. Dessutom kan en del brus minimeras i efterbehandlingen med hjälp av sofistikerade algoritmer för bild- och signalbehandling.

Regulatorbrus: en nyckelfaktor

Det finns även ett brusrelaterat problem som måste hanteras: switchningsbrus från step-down DC/DC-regulatorer (buck-regulatorer) som främst levererar ström till digitala integrerade kretsar som t.ex. FPGA:er och ASIC:er. Problemet är att de även påverkar känsliga kretsar för analog signalbehandling genom elektromagnetisk strålning (EM-strålning) liksom ledning genom strömmatningar och andra ledare.

Konstruktörer försöker minimera detta brus med hjälp av ferritpärlor, noggranna layouter och filtrering av strömmatningar men dessa ansträngningar ökar antalet komponenter, kretskortets storlek och är ofta bara delvis framgångsrika.

Traditionellt kan konstruktörer som vill minimera det brus som DC/DC-regulatorn skapar välja en LDO, som i sig har ett lågt brus, men också en relativt låg verkningsgrad på ca 50 %. Alternativet är att använda en switchad spänningsregulator med en verkningsgrad på ca 90 % eller högre, men med impulsbrus på utspänningen i storleksordningen millivolt på grund av switchningsklockan.

Till skillnad från de flesta konstruktionsbeslut där det finns kompromisser längs ett kontinuum, kräver situationen med DC/DC-regulatorer att man väljer den ena eller den andra sidan: lågt brus med låg verkningsgrad kontra högt brus med hög verkningsgrad. Det finns ingen kompromiss som t.ex. att acceptera 20 % högre brus i en LDO i utbyte mot en blygsam ökning av dess verkningsgrad.

Det inbyggda låga bruset i en LDO kan riskeras av en annan faktor. På grund av dess relativt stora storlek för högre strömnivåer - främst på grund av termiska problem - måste den ofta placeras på ett längre avstånd från sin last. Detta gör att utgången på LDO:n kan ta upp utstrålat brus från digitala komponenter i systemet, vilket skadar den rena matningen för den känsliga analoga kretsen.

En lösning för placering av LDO på grund av termiska problem är att använda en enda regulator, placerad på sidan eller i hörnet av kretskortet. På så sätt kan man hantera problemen med LDO-förlusterna och eventuellt förenkla arkitekturen för DC/DC-system. Men, denna till synes enkla lösning har dock många problem:

• Det oundvikliga IR-fallet mellan regulatorn och belastningarna på grund av avståndet och de höga strömnivåerna (ΔV-fall = belastningsström (I) × kretskortsbanans resistans (R)) innebär att spänningen vid belastningarna inte kommer att ligga på det nominella utgångsvärdet för LDO och kan till och med vara olika för varje belastning. Spänningsfallet kan minimeras genom att öka bredden eller tjockleken på kretskortets bana, eller genom att använda en stående samlingsskena men dessa använder värdefull kretskortsyta och ökar materialkostnaden (BOM).
• Fjärravkänning kan användas för att övervaka lastspänningen, men detta fungerar bara bra för en enpunktslast som inte är utspridd. Fjärravkänning av ledare kan dessutom leda till svängningar i likströmsmatningen eftersom induktansen hos den längre spänningsmatningen och avkänningsledarna kan påverka regulatorns transientprestanda.
• Slutligen, och det problem som ofta är svårast att hantera, är att ju längre strömmatningarna är desto mer utsatta är de för fler elektromagnetiska störningar (EMI) eller radiofrekvensstörningar (RFI).

För att lösa EMI-/RFI-problemet brukar man börja med att använda ytterligare förbikopplingskondensatorer, in-line ferritpärlor och andra åtgärder. Problemet är dock ofta bestående. Detta brus bidrar dessutom till utmaningen att uppfylla de olika lagkraven gällande störningsutstrålning beroende på dess storlek och frekvens.

Silent Switcher-regulatorer löser dilemmat med kompromisserna

En alternativ och oftast bättre lösning är att använda enskilda DC/DC-regulatorer som placeras så nära deras belastande kretsar som möjligt. Detta minimerar IR-fallet, behovet av utrymme på kretskortet samt matningens upptagning och utstrålning av störningar. För att detta tillvägagångssätt ska vara genomförbart är det dock viktigt att det finns små, effektiva regulatorer med lågt brus som kan placeras bredvid lasten och ändå uppfylla alla dess strömkrav.

Det är här som de många Silent Switcher-regulatorerna från Analog Devices är problemlösare. Regulatorerna tillhandahåller inte bara ensiffriga utspänningar vid strömnivåer från några få ampere upp till 10 A utan de gör det även med extremt lågt brus, en bedrift som åstadkommits genom flera nya innovationer.

Regulatorerna är inte en "kompromiss" eller avvägning någonstans mellan LDO:ernas egenskaper med lågt brus och de switchade spänningsregulatorernas verkningsgrad. Istället gör deras innovativa konstruktion det möjligt för tekniker att fullt ut dra nytta av switcharnas effektivitet med brusnivåer som är mycket låga och ligger nära de för en LDO. I själva verket ger de konstruktörer möjlighet att få det bästa av två egenskaper när det gäller brusnivå och verkningsgrad.

Regulatorerna avfärdar det konventionella tankesättet kring LDO:er och switchade spänningsregulatorer. De finns i modellerna Silent Switcher 1 (första generationen), Silent Switcher 2 (andra generationen) och Silent Switcher 3 (tredje generationen). Enheternas konstruktörer identifierade de olika bruskällorna och utarbetade sätt att dämpa var och en av dem, och varje efterföljande generation har lett till ytterligare förbättringar (figur 4).

Figur 4: DC/DC-regulatorerna Silent Switcher omfattar tre generationer, där varje efterföljande generation bygger vidare på och utökar prestandan från sin föregångare. (Bildkälla: Analog Devices)

Fördelarna med Silent Switcher 1-enheterna är bland annat låg EMI, hög verkningsgrad och en hög switchningsfrekvens som flyttar mycket av de återstående störningarna bort från de delar av spektrumet där det skulle kunna störa systemets funktion eller ge upphov till bekymmer med bestämmelser. Fördelarna med Silent Switcher 2 inkluderar alla funktioner i Silent Switcher 1 plus integrerade precisionskondensatorer, ett mindre format och eliminering av känsligheten för kretskortets layout. Slutligen har serien Silent Switcher 3 extremt lågt brus i lågfrekvensområdet från 10 Hz till 100 kHz, vilket är särskilt viktigt för tillämpningar med ultraljud.

Tack vare sitt lilla format på bara några kvadratmillimeter, tillsammans med den inbyggda effektiviteten, kan de placeras mycket nära den belastande FPGA:n eller ASIC:en. Detta maximerar prestandan och eliminerar skillnader mellan prestandan i databladet och i verkligheten.

En sammanfattning av ljud- och värmeegenskaperna hos enheterna i serien Silent Switcher visas i figur 5.

Figur 5: Användare av regulatorerna upplever påtagliga fördelar gällande brus och värme tack vare konstruktionen med Silent Switcher. (Bildkälla: Analog Devices)

Många valmöjligheter i en matris med Silent Switcher

Regulatorerna Silent Switcher finns i många grupper, versioner och modeller med olika värden för spänning och ström för att uppfylla specifika krav i en systemkonstruktion, samt i en mängd olika små kapslingar (figur 6).

Figur 6: De många enheter som använder teknologin med Silent Switcher erbjuder många kombinationer av spänning, ström, brus och andra egenskaper. (Bildkälla: Analog Devices)

Första och andra generationens enheter omfattar, men är inte begränsade till, enheter på 5 V med utspänningar på 3, 4, 6 och 10 A, som t.ex:

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

Var och en av dessa finns i sin tur i flera versioner. LTC3310 finns till exempel i fyra grundversioner, inklusive några som är godkända för fordonsindustrin enligt AEC-Q100. Observera att både första generationens (SS1) enheter - LTC3310 och LTC3310-1 - och andra generationens (SS2) enheter - LTC3310S samt LTC3310S-1 finns som enheter med justerbar eller fasta utspänning.

En närmare titt på en enhet i tredje generationen, LT8625S, belyser funktionerna i Silent Switcher 3-konstruktionen, vilket understryks av den enastående prestandan med lågt brus hos enheten med en inspänning på 2,7 till 18 V och en utström på 8 A (figur 7).

Figur 7: LT8625S kräver endast ett fåtal externa standardkomponenter (bilden visar den i övrigt identiska LTC8624S, ett syskon på 4 A). (Bildkälla: Analog Devices)

LT8625S har bland annat följande egenskaper:

• Extremt snabb transientrespons tack vare dess höga förstärkning vid fel.
• En snabb, lägsta tillslagstid på bara 15 ns
• En snäv referens med temperaturavvikelse på ±0,8%
• PolyPhase-funktion med stöd för upp till 12 faser för högre sammanlagd strömutgång
• Justerbar och synkroniserbar klocka från 300 kHz till 4 MHz
• Programmerbar indikator för power-good
• Finns i en LQFN-kapsling på 4 × 3 mm med 20 stift (LT8625SP) eller 4 × 4 mm med 24 stift (LT8625SP-1)

Specifikationerna för brusprestanda visar varför den är särskilt väl lämpad för tillämpningar med ultraljud (figur 8):

• Extremt lågt RMS-brus (root mean square) (10 Hz till 100 kHz): 4 μV RMS (μV_RMS)
• Extremt lågt punktbrus: 4 nV per roten ur Hz (nV/√Hz) vid 10 kHz
• Extremt låga EMI-störningar på alla kretskort
• Interna förbikopplingskondensatorer reducerar EMI-strålningen

Figur 8: Diagrammen visar att både den lågfrekventa (vänster) och bredbandiga (höger) brusspektraltätheten för LT8625S är minimal. (Bildkälla: Analog Devices)

Detta låga brus uppnås tillsammans med hög verkningsgrad och låg effektförlust i hela belastningsområdet (figur 9).

Figur 9: Den höga verkningsgraden och låga termiska påverkan vid drift för LT8625S underlättar systemkonstruktionen. (Bildkälla: Analog Devices)

Användning av LT8625S med 20 stift i konstruktionen, påskyndas av att det tillhörande demonstrationskrets/utvärderingskort DC3219A finns (figur 10). Kortets standardinställning är 1 V vid en maximal likströmsutgång på 8 A. Användaren kan ändra spänningsinställningen efter behov.

Figur 10: Utvärderingskortet DC3291A har stöd för LT8625S för att möjliggöra utforskning och påskynda användning av kretsen i konstruktioner. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

Ultraljudssystem är ett oumbärligt och riskfritt verktyg för medicinsk diagnostik. För att uppnå önskad bildskärpa, upplösning och andra prestandamått är det viktigt att inse att de mottagna signalerna kan ha extremt låga nivåer, i ett stort dynamiskt område. Detta kräver att konstruktörer väljer komponenter med lågt brus, använder väl avvägda tekniker vid konstruktion och ser till att likströmsmatningen har så lågt brus som möjligt.

Silent Switcher-familjen från Analog Devices erbjuder den inbyggda höga verkningsgraden hos switchande DC/DC-regulatorer samtidigt som den har en brusnivå som är jämförbar med betydligt mindre effektiva LDO:er. Dessutom gör deras lilla storlek på bara några kvadratmillimeter att de kan placeras nära de laster de stöder, vilket minimerar risken för att de fångar upp utstrålat brus från kretsen.