Un régulateur d'alimentation approprié peut minimiser le bruit des rails CC et améliorer la qualité des images ultrasoniques

Le bruit est un facteur limitant les performances des systèmes à ultrasons médicaux et autres. Bien sûr, le simple terme « bruit » fait référence à de nombreux types distincts, dont certains sont inhérents à la situation médicale et du patient, tandis que d'autres sont de nature électronique. Le bruit dominant induit par le patient est appelé « bruit speckle » et est largement dû à la non-uniformité (non-homogénéité) des tissus et organes du patient. Les concepteurs de circuits ne peuvent pas faire grand-chose contre le bruit induit par le patient, mais ils peuvent faire beaucoup pour minimiser les divers types et sources de bruit dus à l'électronique.

Parmi ces sources de bruit potentielles figurent les régulateurs CC/CC. Pour minimiser le bruit, les concepteurs peuvent utiliser des régulateurs à faible chute de tension (LDO) compacts et silencieux dont le rendement continue de s'améliorer. Même avec ces LDO, il peut souvent y avoir un gaspillage d'énergie avec des problèmes de gestion thermique associés. L'alternative efficace au LDO est le régulateur à découpage, mais ces dispositifs présentent un bruit élevé en raison de leur nature à découpage. Ce bruit doit être atténué si les concepteurs veulent tirer pleinement parti de ces dispositifs.

Les innovations récentes dans la conception des topologies de conversion de puissance ont réduit ce bruit, ce qui a entraîné une modification du compromis bruit-rendement. Par exemple, les régulateurs à découpage monolithiques haute puissance peuvent alimenter efficacement des circuits intégrés numériques avec des rails CC à faible bruit, un rendement élevé et des exigences d'espace minimales.

Cet article aborde brièvement les défis posés par les ultrasons. Il présente les familles de circuits intégrés miniatures Silent Switcher d'Analog Devices, et utilise le LT8625S comme exemple principal pour montrer comment ces régulateurs à découpage innovants répondent aux multiples objectifs pour les charges dans la plage de tensions à un chiffre, en dessous de 10 ampères (A), nécessaire à l'imagerie ultrasonore hautes performances. D'autres exemples de circuits intégrés Silent Switcher sont fournis pour montrer l'étendue de la gamme de produits.

Les ultrasons présentent des problèmes uniques de trajet du signal

Le principe de fonctionnement de l'imagerie par ultrasons est simple, mais le développement d'un système d'imagerie hautes performances requiert une expertise de conception considérable, de nombreux composants spécialisés et une attention aux détails subtils (Figure 1).

Figure 1 : Schéma fonctionnel de haut niveau d'un système d'imagerie par ultrasons illustrant la complexité de mise en œuvre d'un système basé sur un principe physique simple. (Source de l'image : Analog Devices)

Le système d'imagerie utilise un réseau de transducteurs piézoélectriques qui sont pulsés pour produire un front d'onde acoustique. De nombreux nouveaux systèmes ont jusqu'à 256 éléments transducteurs de ce type, chacun devant être contrôlé indépendamment. Les fréquences transmises s'étendent de 2 mégahertz (MHz) à 20 MHz.

En ajustant la temporisation relative des transducteurs dans le réseau à l'aide de retards variables, les impulsions émises peuvent être formées en faisceau et dirigées vers des emplacements spécifiques. Des fréquences plus élevées offrent une bonne résolution spatiale mais ont une capacité de pénétration relativement faible, ce qui se traduit par une qualité d'image dégradée. La plupart des systèmes utilisent environ 5 MHz comme compromis optimal.

Une fois l'impulsion émise, le système passe en mode réception et capture les échos de l'impulsion acoustique, qui se produisent chaque fois que l'énergie de l'onde acoustique rencontre une barrière d'impédance, comme à la limite entre différents types de tissus ou d'organes. Le délai de retour des échos par rapport au moment où ils ont été envoyés fournit les informations d'imagerie.

En raison de l'atténuation inévitable du signal ultrasonore lorsqu'il traverse le tissu deux fois — une fois pour le trajet aller et une fois pour l'écho de retour — le niveau du signal reçu couvre une large gamme dynamique. Il peut varier d'un volt à quelques microvolts, soit une gamme d'environ 120 décibels (dB).

Notez que pour un signal ultrasonore de 10 MHz et une profondeur de pénétration de 5 centimètres (cm), le signal aller-retour est atténué de 100 dB. Par conséquent, pour gérer une gamme dynamique instantanée d'environ 60 dB à n'importe quel endroit, la gamme dynamique requise serait de 160 dB (une gamme dynamique de tension de 100 millions à 1).

Il peut sembler que la solution la plus simple pour traiter une gamme dynamique étendue, des signaux de bas niveau et un rapport signal/bruit (SNR) inadéquat consiste simplement à augmenter la puissance émise par le transducteur. Cependant, outre les exigences de puissance évidentes que cela impose, il existe des limites strictes de température de la sonde échographique qui est en contact avec la peau du patient. Les températures de surface maximum autorisées pour le transducteur sont spécifiées dans la norme CEI 60601-2-37 (Rév. 2007) à 50°C lorsque le transducteur émet dans l'air et à 43°C lorsqu'il émet dans un modèle de corps humain approprié.

Cette dernière limite implique que la peau (typiquement à 33°C) peut être chauffée de 10°C maximum. Ainsi, non seulement la puissance acoustique doit être limitée, mais toute dissipation de l'électronique associée — y compris les régulateurs CC/CC — doit également être minimisée.

Pour maintenir un niveau de signal relativement constant et maximiser le SNR, une forme spéciale de commande automatique de gain (CAG) appelée profondeur de la zone explorée (TGC) est utilisée. L'amplificateur TGC compense la décroissance exponentielle du signal en amplifiant le signal à l'aide d'un facteur exponentiel déterminé par la durée pendant laquelle le récepteur a attendu l'impulsion de retour.

Notez qu'il existe différents types de modes d'imagerie par ultrasons, comme illustré à la Figure 2 :

• L'échelle de gris produit une image de base en noir et blanc. Elle peut résoudre des artefacts de seulement un millimètre (mm).
• Le mode Doppler détecte la vitesse d'un objet en mouvement en suivant le décalage de fréquence du signal de retour et en l'affichant en fausse couleur. Il est utilisé pour examiner le sang ou d'autres fluides circulant dans le corps. Le mode Doppler nécessite la transmission d'une onde continue dans le corps et la production d'une transformation de Fourier rapide (FFT) du signal de retour.

Figure 2 : Aspect en échelle de gris (A) et Doppler couleur (B) des artères carotides extracrâniennes au niveau de la bifurcation carotidienne. Notez que les branches de l'ECA (astérisque, en bas à gauche de chaque image) sont mieux visibles sur l'imagerie Doppler couleur. (CCA : artère carotide commune, ICA : artère carotide interne, et ECA : artère carotide externe. (Source de l'image : Radiologic Clinics of North America)

• Les modes veineux et artériel utilisent le mode Doppler en conjonction avec le mode échelle de gris. Ils sont utilisés pour montrer en détail le flux sanguin artériel et veineux.

Le schéma fonctionnel simplifié laisse de côté certains composants clés, tandis qu'un schéma plus détaillé révèle des fonctions supplémentaires (Figure 3).

Figure 3 : Un schéma fonctionnel plus détaillé d'un système à ultrasons moderne met en évidence la complexité du système ainsi que les nombreuses fonctions numériques embarquées dans la conception. (Source de l'image : Analog Devices)

Il y a tout d'abord la fonction d'alimentation. Que le système soit alimenté par une ligne CA ou par batterie, il requiert plusieurs régulateurs CC/CC pour développer les différentes tensions de rail. Ces tensions s'étendent de quelques volts pour certaines fonctions à des tensions beaucoup plus élevées pour les transducteurs piézoélectriques.

De plus, comme les systèmes à ultrasons modernes sont en grande partie numériques, à l'exception de leurs frontaux analogiques pour les voies d'émission et de réception, ils incluent des FPGA pour mettre en œuvre la formation de faisceau à commande numérique et d'autres fonctions. Ces FPGA nécessitent une quantité de courant relativement importante, allant jusqu'à 10 A.

Performances de limites de bruit

Comme avec la plupart des systèmes d'acquisition de données, le bruit est également l'un des facteurs limitant les performances des systèmes à ultrasons médicaux. En plus du bruit speckle induit par le patient, il existe différents types de bruit de composants et de circuits électroniques :

• Le bruit gaussien est un bruit « blanc » statistiquement aléatoire qui est largement dû aux fluctuations thermiques ou au bruit des circuits électroniques des composants actifs et passifs.
• Le bruit de grenaille (Poisson) est dû à la nature discrète des charges électriques.
• Le bruit impulsionnel, parfois appelé bruit poivre et sel, est quelquefois observé sur les images numériques. Il peut être causé par des perturbations nettes et soudaines du signal d'image et se manifeste par des pixels blancs et noirs peu nombreux, d'où son nom informel.

Ces sources de bruit affectent la résolution et la qualité de l'image. Elles peuvent être minimisées par des choix appropriés de composants électroniques, tels que des résistances et des amplificateurs à faible bruit, ainsi que des filtres analogiques et numériques adaptés. De plus, certains bruits peuvent être minimisés lors du post-traitement par des algorithmes de traitement d'images et de signaux sophistiqués.

Bruit du régulateur : un facteur clé

Il existe également un problème lié au bruit qui doit être résolu : le bruit de commutation des régulateurs CC/CC abaisseurs qui alimentent principalement les circuits intégrés numériques, tels que les FPGA et les ASIC. Le problème est qu'ils affectent également les circuits de traitement des signaux analogiques sensibles via le rayonnement électromagnétique (EM), et la conduction dans les rails d'alimentation et d'autres conducteurs.

Les concepteurs tentent de minimiser ce bruit à l'aide de perles de ferrite, de configurations soignées et d'un filtrage du rail d'alimentation, mais ces efforts s'ajoutent au nombre de composants, augmentent l'espace sur la carte à circuit imprimé et ne réussissent souvent que partiellement.

Traditionnellement, les concepteurs qui s'efforcent de minimiser le bruit créé par les régulateurs CC/CC optent pour un LDO, dont la sortie est intrinsèquement peu bruyante, mais dont le rendement est relativement faible, de l'ordre de 50 %. L'alternative consiste à utiliser un régulateur à découpage avec un rendement d'environ 90 % ou plus, mais avec un bruit impulsionnel à la sortie de l'ordre des millivolts en raison de l'horloge de commutation.

Contrairement à la plupart des décisions d'ingénierie qui impliquent des compromis sur un continuum, la situation avec les régulateurs CC/CC nécessite de faire un choix : faible bruit avec faible rendement contre bruit élevé avec haut rendement. Il n'y a pas de compromis, comme accepter un bruit supérieur de 20 % dans un LDO en échange d'une augmentation modeste de son rendement.

Le faible bruit inhérent du LDO peut être affecté par un autre facteur. En raison de sa taille relativement grande pour des niveaux de courant plus élevés — principalement pour des raisons thermiques — il doit souvent être placé à une plus grande distance de sa charge. Cela permet au rail de sortie LDO de capter le bruit rayonné par les composants numériques du système, altérant le rail propre des circuits analogiques sensibles.

Une solution au placement du LDO en raison de problèmes de gestion thermique consiste à utiliser un seul régulateur, situé sur le côté ou dans le coin de la carte à circuit imprimé. Cela permet de gérer les problèmes de dissipation du LDO et éventuellement de simplifier l'architecture niveau système CC/CC. Cependant, cette solution apparemment simple présente de nombreux problèmes :

• La chute IR inévitable entre le régulateur et les charges en raison de la distance et des niveaux de courant élevés (chute ΔV = courant de charge (I) × résistance de piste (R)) signifie que la tension aux charges ne sera pas à la valeur de sortie LDO nominale, et peut même être différente à chaque charge. Cette chute peut être minimisée par une augmentation de la largeur ou de l'épaisseur de la piste du circuit imprimé ou par l'utilisation d'une barre bus, mais celles-ci utilisent un espace carte précieux et augmentent la nomenclature (BOM).
• La détection à distance peut être utilisée pour surveiller la tension au niveau de la charge, mais cela ne fonctionne bien que pour une charge en un seul point et non dispersée. De plus, les câbles de détection à distance peuvent contribuer à l'oscillation du rail CC, car l'inductance du rail d'alimentation plus long et des sorties de détection peut affecter les performances transitoires du régulateur.
• Enfin, et c'est souvent le problème le plus difficile à gérer, les rails d'alimentation plus longs sont également exposés à une plus grande captation de bruit EMI (interférences électromagnétiques) ou RFI (perturbations radioélectriques).

Surmonter le problème EMI/RFI commence généralement par l'utilisation de condensateurs de découplage supplémentaires, de perles de ferrite en ligne et d'autres mesures. Cependant, le problème persiste souvent. De plus, ce bruit représente un défi supplémentaire lorsqu'il s'agit de satisfaire aux différentes exigences réglementaires en matière d'émissions sonores, selon son amplitude et sa fréquence.

Les régulateurs Silent Switcher résolvent le dilemme du compromis

Une solution alternative, généralement meilleure, consiste à utiliser des régulateurs CC/CC individuels placés aussi près que possible de leurs circuits intégrés de charge. Cela minimise la chute IR, l'empreinte carte et le captage et le rayonnement du bruit de rail. Cependant, pour que cette approche soit viable, il est essentiel d'avoir de petits régulateurs efficaces à faible bruit qui peuvent être placés à côté de la charge tout en répondant à toutes les exigences de courant.

C'est là que les nombreux régulateurs Silent Switcher d'Analog Devices permettent de résoudre les problèmes. Non seulement ces régulateurs fournissent des sorties en tension à un seul chiffre à des niveaux de courant s'étendant de quelques ampères à 10 A, mais ils le font avec un bruit extrêmement faible, un exploit accompli grâce à de multiples innovations de conception.

Ces régulateurs ne sont pas un compromis ou une solution intermédiaire entre les caractéristiques de faible bruit des LDO et le rendement des régulateurs à découpage. Au contraire, leur conception innovante permet aux ingénieurs de bénéficier de tous les avantages de rendement des dispositifs avec des niveaux de bruit très faibles et proches de ceux d'un LDO. En fait, ils permettent aux concepteurs de tirer le meilleur parti de ces deux attributs en termes de bruit et de rendement.

Ces régulateurs éliminent la vision conventionnelle de l'écart entre les régulateurs LDO et les régulateurs à découpage. Ils sont disponibles dans les dispositifs Silent Switcher 1 (première génération), Silent Switcher 2 (deuxième génération) et Silent Switcher 3 (troisième génération). Les concepteurs de ces dispositifs ont identifié les différentes sources de bruit et imaginé des moyens d'atténuer chacune d'entre elles, et chaque génération suivante a apporté d'autres améliorations (Figure 4).

Figure 4 : Les régulateurs CC/CC Silent Switcher couvrent trois générations, chaque nouvelle génération s'appuyant sur les performances de la génération précédente et les améliorant. (Source de l'image : Analog Devices)

Les avantages des dispositifs Silent Switcher 1 incluent de faibles EMI, un haut rendement et une fréquence de commutation élevée qui éloigne une grande partie du bruit restant des parties du spectre où il interférerait avec le fonctionnement du système ou poserait des problèmes de réglementation. Les avantages de Silent Switcher 2 incluent toutes les fonctionnalités de la technologie Silent Switcher 1, plus des condensateurs de précision intégrés, une empreinte réduite et l'élimination de la sensibilité à la configuration du circuit imprimé. Enfin, la série Silent Switcher 3 affiche des caractéristiques de bruit ultrafaible dans la bande basse fréquence de 10 Hertz (Hz) à 100 kHz, particulièrement critique pour les applications à ultrasons.

En raison de leur facteur de forme miniature de seulement quelques millimètres carrés et de leur rendement inhérent, ces dispositifs peuvent être placés très près de l'ASIC ou du FPGA de charge. Cela maximise les performances et élimine les disparités entre les performances de la fiche technique et la réalité dans la pratique.

Un résumé des attributs de bruit et thermiques des dispositifs Silent Switcher est présenté à la Figure 5.

Figure 5 : Les utilisateurs de ces régulateurs obtiennent des avantages sonores et thermiques tangibles grâce à la conception des dispositifs Silent Switcher. (Source de l'image : Analog Devices)

Nombreux choix dans la matrice Silent Switcher

Les régulateurs Silent Switcher sont disponibles dans de nombreux groupes, versions et modèles avec différentes tensions et intensités nominales pour répondre aux exigences de conception spécifiques, et dans une variété de boîtiers miniatures (Figure 6).

Figure 6 : Les multiples dispositifs utilisant la technologie Silent Switcher offrent de nombreuses permutations de tension, de courant, de bruit et d'autres attributs. (Source de l'image : Analog Devices)

Les dispositifs de première et de deuxième génération incluent, mais sans s'y limiter, des unités de 5 volts (V) avec des sorties de 3 A, 4 A, 6 A et 10 A, par exemple :

• LTC3707 : Silent Switcher abaisseur synchrone de 5 V, 3 A en boîtier LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A : Silent Switcher abaisseur synchrone de 5 V, 4 A en boîtier LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A : Silent Switcher abaisseur synchrone de 5 V, 6 A en boîtier LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310 : Silent Switcher 2 abaisseur synchrone de 5 V, 10 A en boîtier LQFN de 3 mm × 3 mm

Chacun de ces dispositifs est, à son tour, disponible en plusieurs versions. Par exemple, le LTC3310 est disponible en quatre versions de base, dont certaines sont qualifiées automobiles AEC-Q100. Notez que les dispositifs de première génération (SS1) — le LTC3310 et le LTC3310-1 — et les dispositifs de deuxième génération (SS2) — le LTC3310S et le LTC3310S-1 — sont disponibles en tant que dispositifs à sortie ajustable et à sortie fixe.

Un examen plus approfondi d'un dispositif de troisième génération, le LT8625S, met en évidence les caractéristiques des conceptions Silent Switcher 3, soulignées par les performances de faible bruit exceptionnelles de ce dispositif à entrée de 2,7 V à 18 V et sortie de 8 A (Figure 7).

Figure 7 : Le LT8625S ne requiert que quelques composants externes standard (le LTC8624S, un modèle identique de 4 A, est illustré ici). (Source de l'image : Analog Devices)

Les fonctionnalités du LT8625S incluent :

• Réponse transitoire ultrarapide grâce à l'amplificateur d'erreur de gain élevé
• Temps d'activation minimum rapide de seulement 15 nanosecondes (ns)
• Référence de précision avec dérive de ±0,8 % en fonction de la température
• Fonctionnement PolyPhase prenant en charge jusqu'à 12 phases pour une sortie en courant total plus élevée
• Horloge ajustable et synchronisable de 300 kHz à 4 MHz
• Indicateur Power Good programmable
• Disponibilité en boîtier LQFN à 20 broches de 4 mm × 3 mm (LT8625SP) ou à 24 broches de 4 mm × 4 mm (LT8625SP-1)

Ses spécifications de performances de bruit montrent pourquoi il est particulièrement bien adapté aux applications ultrasonores (Figure 8) :

• Bruit RMS ultrafaible (10 Hz à 100 kHz) : 4 μV_RMS
• Bruit à bande étroite ultrafaible : 4 nV/√Hz à 10 kHz
• Émissions EMI ultrafaibles sur tout circuit imprimé
• Condensateurs de découplage internes réduisant les EMI rayonnées

Figure 8 : Les graphiques montrent que la densité spectrale de bruit basse fréquence (à gauche) et large bande (à droite) du LT8625S est minimale. (Source de l'image : Analog Devices)

Ces performances de faible bruit sont obtenues avec un rendement élevé et une faible perte de puissance sur toute la plage de charges (Figure 9).

Figure 9 : Le haut rendement de fonctionnement et le faible impact thermique du LT8625S réduisent les problèmes de conception système. (Source de l'image : Analog Devices)

L'intégration avec le LT8625S à 20 broches est accélérée grâce à la disponibilité du circuit de démonstration/carte d'évaluation compagnon DC3219A (Figure 10). Le réglage par défaut de la carte est de 1,0 V à un courant de sortie CC maximum de 8 A. L'utilisateur peut modifier le réglage de la tension selon ses besoins.

Figure 10 : Pour permettre l'exploration et accélérer l'intégration, la carte d'évaluation DC3219A prend en charge le LT8625S. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les systèmes d'imagerie par ultrasons constituent un outil de diagnostic médical indispensable et sans risque. Pour atteindre la netteté d'image, la résolution et les autres indicateurs de performance requis, il est essentiel de reconnaître que les signaux reçus peuvent être à des niveaux extrêmement bas, avec une large gamme dynamique. Les ingénieurs doivent donc sélectionner des composants à faible bruit, utiliser des techniques de conception prudentes et s'assurer que les rails d'alimentation CC génèrent le moins de bruit possible.

La famille Silent Switcher d'Analog Devices offre le haut rendement inhérent des régulateurs CC/CC à découpage tout en ayant un niveau de bruit comparable à celui des LDO beaucoup moins efficaces. De plus, leur format compact de quelques millimètres carrés seulement leur permet d'être placés à proximité des charges qu'ils supportent, minimisant la possibilité de capter le bruit rayonné du circuit.