Il giusto regolatore di alimentazione può ridurre al minimo il rumore di un rail c.c. e migliorare la qualità dell'immagine ecografica

Il rumore è un fattore che limita le prestazioni dei sistemi medicali e di altri sistemi ecografici. Naturalmente, il semplice termine "rumore" si riferisce a molti disturbi, alcuni dei quali sono inerenti alla situazione medica e del paziente, mentre altri sono di natura elettronica. Il rumore dominante indotto dal paziente è chiamato "interferenza" ed è in gran parte dovuto alla non uniformità (disomogeneità) dei tessuti e degli organi del paziente. I progettisti di circuiti possono fare ben poco contro il rumore indotto dal paziente, ma possono fare molto per ridurre al minimo le varie fonti e i tipi di rumore dovuti all'elettronica.

Tra queste potenziali fonti di rumore vi sono i regolatori c.c./c.c. Per ridurre al minimo il rumore, i progettisti possono utilizzare regolatori a bassa caduta di tensione (LDO), piccoli e silenziosi, che continuano a migliorare in fatto di efficienza. Anche questi LDO spesso comportano uno spreco di potenza con relativi problemi di gestione termica. L'alternativa efficiente a un LDO è il regolatore a commutazione, ma questi dispositivi presentano un rumore elevato a causa della funzione di commutazione. Questo rumore deve essere attenuato per trarre il massimo vantaggio da questi dispositivi.

Le recenti innovazioni nella progettazione delle topologie di conversione di potenza hanno ridotto il rumore, con conseguente ribilanciamento del compromesso rumore-efficienza. Ad esempio, i regolatori a commutazione monolitici ad alta potenza possono alimentare in modo efficiente i CI digitali con rail c.c. a basso rumore, alta efficienza e requisiti di spazio minimi.

Questo articolo illustra brevemente le sfide legate agli ultrasuoni. Presenta quindi le famiglie di CI Silent Switcher di Analog Devices e utilizza il modello LT8625S come esempio per dimostrare come questi innovativi regolatori a commutazione soddisfino i molteplici obiettivi per carichi nell'intervallo di tensioni sotto i 10 A necessari per l'imaging a ultrasuoni ad alte prestazioni. Sono forniti altri esempi di CI Silent Switcher per mostrare l'ampiezza della famiglia.

Gli ultrasuoni presentano problemi di percorso del segnale unici

Il principio di funzionamento dell'imaging a ultrasuoni è semplice, ma lo sviluppo di un sistema di imaging ad alte prestazioni richiede una grande esperienza di progettazione, molti componenti specializzati e attenzione ai minimi dettagli (Figura 1).

Figura 1: Diagramma a blocchi di alto livello di un sistema di imaging a ultrasuoni che evidenzia la complessità dell'implementazione di un sistema basato su un semplice principio fisico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il sistema di imaging utilizza un array di trasduttori piezoelettrici pulsati per produrre un fronte d'onda acustico. Molti nuovi sistemi hanno fino a 256 elementi trasduttore, ognuno dei quali deve essere controllato in modo indipendente. Le frequenze trasmesse vanno da 2 a 20 MHz.

Regolando la temporizzazione relativa dei trasduttori nell'array mediante ritardi variabili, gli impulsi emessi possono essere formati in fascio e indirizzati a punti specifici. Le frequenze più alte forniscono una buona risoluzione spaziale ma hanno una capacità di penetrazione relativamente scarsa, con conseguente deterioramento della qualità dell'immagine. La maggior parte dei sistemi utilizza circa 5 MHz come compromesso ottimale.

Una volta emesso l'impulso, il sistema passa alla modalità di ricezione e acquisisce gli echi dell'impulso acustico, che si creano ogni volta che l'energia dell'onda acustica colpisce una barriera di impedenza, ad esempio al confine tra diversi tipi di tessuti o organi. Il ritardo con cui gli echi tornano indietro rispetto al momento di invio fornisce le informazioni di imaging.

A causa dell'inevitabile attenuazione del segnale ultrasonico che attraversa il tessuto due volte - una per il percorso di andata e una per l'eco di ritorno - il livello del segnale ricevuto copre un'ampia gamma dinamica. Il valore può variare da un volt a pochi microvolt, pari a una gamma di circa 120 dB.

Si noti che per un segnale ultrasonico a 10 MHz e una profondità di penetrazione di 5 cm, il segnale di andata e ritorno è attenuato di 100 dB. Pertanto, per gestire una gamma dinamica istantanea di circa 60 dB in qualsiasi posizione, la gamma dinamica richiesta sarebbe di 160 dB (una gamma dinamica di tensione di 100 milioni a 1).

Potrebbe sembrare che la soluzione più semplice per gestire un'ampia gamma dinamica, segnali di basso livello e un rapporto segnale/rumore (SNR) inadeguato consista nell'aumentare la potenza del trasduttore emesso. Tuttavia, oltre agli ovvi requisiti di potenza che questo impone, ci sono limiti severi sulla temperatura della sonda a ultrasuoni a contatto con la pelle del paziente. Le temperature superficiali massime consentite del trasduttore sono specificate nella norma IEC 60601-2-37 (Rev. 2007) a 50 °C quando il trasduttore trasmette nell'aria e a 43 °C quando trasmette in un fantoccio adeguato (un simulatore del corpo umano).

Quest'ultimo limite implica che la pelle (tipicamente a 33 °C) può essere riscaldata al massimo di 10 °C. Pertanto, deve essere limitata non solo la potenza acustica, ma anche la dissipazione dell'elettronica associata, compresi i regolatori c.c./c.c., deve essere ridotta al minimo.

Per mantenere un livello di segnale relativamente costante e massimizzare l'SNR, si utilizza una forma speciale di controllo automatico del guadagno (AGC) chiamata compensazione del guadagno temporale (TGC). L'amplificatore TGC compensa il decadimento esponenziale del segnale amplificando il segnale con un fattore esponenziale determinato dal tempo di attesa dell'impulso di ritorno da parte del ricevitore.

Si noti che esistono diversi tipi di modalità di imaging a ultrasuoni, come mostra la Figura 2:

• la scala di grigi produce un'immagine di base in bianco e nero. È in grado di risolvere artefatti di un millimetro.
• Le modalità Doppler rilevano la velocità di un oggetto in movimento tracciando lo spostamento di frequenza del segnale di ritorno e visualizzandolo in falsi colori. Viene utilizzato per esaminare il sangue o altri fluidi all'interno del corpo umano. La modalità Doppler richiede la trasmissione di un'onda continua nel corpo e la produzione di una trasformata di Fourier veloce (FFT) del segnale di ritorno.

Figura 2: Aspetto in scala di grigi (A) e color Doppler (B) delle arterie carotidi extracraniche a livello della biforcazione carotidea. Si noti che i rami dell'ECA (asterisco, in basso a sinistra di ciascuna immagine) sono meglio visibili con l'imaging color Doppler. CCA: arteria carotide comune; ICA: arteria carotide interna; ECA: arteria carotide esterna (ECA). (Immagine per gentile concessione di Radiologic Clinics of North America)

• Le modalità venosa e arteriosa utilizzano il Doppler in combinazione con la modalità a scala di grigi. Sono utilizzate per mostrare in dettaglio il flusso sanguigno arterioso e venoso.

Lo schema a blocchi semplificato tralascia alcuni componenti chiave, mentre uno schema più dettagliato rivela ulteriori funzioni (Figura 3).

Figura 3: Uno schema a blocchi più dettagliato di un moderno sistema ecografico rende più evidente la sua complessità e le numerose funzioni digitali incorporate nel progetto. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In primo luogo, c'è la funzione di alimentazione. Sia che il sistema sia alimentato a corrente alternata o a batteria, richiede più regolatori c.c./c.c. per sviluppare le varie tensioni di rail. Queste tensioni variano da pochi volt per alcune funzioni a tensioni molto più elevate per i trasduttori piezoelettrici.

Inoltre, poiché i moderni sistemi ecografici sono in gran parte digitali, ad eccezione dei front-end analogici per i percorsi di trasmissione e ricezione, includono FPGA per implementare la formazione del fascio controllata digitalmente e altre funzioni. Questi FPGA richiedono una quantità di corrente relativamente significativa, che può arrivare fino a 10 A.

Prestazioni dei limiti di rumore

Come per la maggior parte dei sistemi di acquisizione dati, anche il rumore è tra i fattori che limitano le prestazioni dei sistemi medicali ecografici. Oltre l'interferenza indotta dal paziente, esistono vari tipi di rumore dei circuiti elettronici e dei componenti.

• Il rumore gaussiano è un rumore "bianco" statisticamente casuale, dovuto in gran parte a fluttuazioni termiche o al rumore dei circuiti elettronici dovuto a componenti attivi e passivi.
• Il rumore shot (Poisson) è dovuto alla natura discreta delle cariche elettriche.
• Il rumore impulsivo, talvolta chiamato rumore sale e pepe, è talvolta presente nelle immagini digitali. Può essere causato da disturbi bruschi e improvvisi nel segnale dell'immagine e si manifesta con una scarsa presenza di pixel bianchi e neri, da cui il nome informale.

Queste fonti di rumore influiscono sulla risoluzione e sulla qualità dell'immagine. I disturbi sono ridotti al minimo grazie alla scelta di componenti elettronici appropriati, come amplificatori e resistori a basso rumore e filtri analogici e digitali adeguati. Inoltre, alcuni disturbi possono essere mitigati in post-elaborazione grazie a sofisticati algoritmi di elaborazione delle immagini e dei segnali.

Il rumore del regolatore: un fattore chiave

Vi è anche un problema di rumore da affrontare: il rumore di commutazione dei regolatori c.c./c.c. buck (step-down) che alimentano principalmente i CI digitali, come FPGA e ASIC. Il problema è che influiscono anche sui sensibili circuiti di elaborazione del segnale analogico attraverso le radiazioni elettromagnetiche (EM) e la conduzione attraverso i rail di alimentazione e altri conduttori.

I progettisti tentano di ridurre al minimo questo rumore utilizzando perline di ferrite, layout accurati e filtraggio delle linee di alimentazione, ma questi sforzi aumentano il numero di componenti, la superficie del CS e spesso riescono solo in parte.

Tradizionalmente, i progettisti che cercano di ridurre al minimo il rumore creato dai regolatori c.c./c.c. possono scegliere un LDO con la sua uscita intrinsecamente a basso rumore, ma con un'efficienza relativamente scarsa, intorno al 50%. L'alternativa è utilizzare un regolatore a commutazione con un'efficienza del 90% circa o superiore, ma con un rumore impulsivo in uscita dell'ordine di alcuni millivolt dovuto al clock di commutazione.

A differenza della maggior parte delle decisioni tecniche che prevedono costanti compromessi, nel caso dei regolatori c.c./c.c. è necessario scegliere tra un lato o l'altro: basso rumore e bassa efficienza contro alto rumore e alta efficienza. Non esistono compromessi, come accettare un rumore del 20% superiore in un LDO in cambio di un modesto aumento dell'efficienza.

Il rumore intrinsecamente basso dell'LDO può essere compromesso da un altro fattore. A causa delle sue dimensioni relativamente grandi per i livelli di corrente più elevati, soprattutto per motivi termici, spesso deve essere collocato a una distanza elevata dal carico. In questo modo, il rail di uscita dell'LDO può captare il rumore irradiato dai componenti digitali del sistema, che può danneggiare il rail pulito della sensibile circuiteria analogica.

Una soluzione per il posizionamento degli LDO, dovuta a problemi di gestione termica, è quella di utilizzare un singolo regolatore, posizionato lateralmente o in un angolo della scheda CS. Questo aiuta a gestire i problemi di dissipazione dell'LDO ed eventualmente a semplificare l'architettura c.c./c.c. a livello di sistema. Tuttavia, questa semplice soluzione ha i suoi problemi:

• l'inevitabile caduta di IR tra il regolatore e i carichi a causa della distanza e degli alti livelli di corrente (caduta di ΔV = corrente di carico (I) × resistenza di traccia (R)) significa che la tensione ai carichi non sarà pari al valore nominale dell'uscita LDO e potrebbe persino essere diversa per ciascun carico. È possibile ridurre questa caduta con l'aumento della larghezza o dello spessore delle tracce della scheda CS o l'utilizzo di un condotto sbarra, ma queste soluzioni utilizzano spazio prezioso sulla scheda e aumentano la distinta base.
• Il telerilevamento può essere utilizzato per monitorare la tensione sul carico, ma funziona bene solo per un carico singolo e non disperso. Inoltre, i cavi di telerilevamento possono contribuire all'oscillazione del rail c.c., poiché l'induttanza del rail di alimentazione e dei cavi può influire sulle prestazioni transitorie del regolatore.
• Infine, e questo è il problema spesso più difficile da gestire, i rail di alimentazione più lunghi sono anche soggetti a un maggior numero di interferenze elettromagnetiche (EMI) o di interferenze in radiofrequenza (RFI).

Il problema delle EMI/RFI viene solitamente risolto con l'uso di condensatori di bypass aggiuntivi, perline di ferrite in linea e altre misure. Tuttavia, il problema spesso persiste. Inoltre, questo rumore aumenta la sfida di soddisfare i vari obblighi normativi sulle emissioni acustiche, a seconda della loro entità e frequenza.

I regolatori Silent Switcher risolvono il dilemma

Una soluzione alternativa, di solito migliore, consiste nell'utilizzare regolatori c.c./c.c. individuali collocati il più vicino possibile ai rispettivi CI di carico. In questo modo si riducono al minimo la caduta ohmica, l'ingombro sulla scheda, la captazione e l'irradiazione rail-rumore. Tuttavia, affinché questo approccio sia praticabile, è essenziale che i regolatori siano piccoli, efficienti e a basso rumore e che possano essere collocati accanto al carico per soddisfare tutti i requisiti attuali.

È qui che i numerosi regolatori Silent Switcher di Analog Devices risolvono i problemi. Questi regolatori non solo forniscono uscite di tensione a livelli di corrente da pochi ampere a 10 A, ma lo fanno anche con un rumore estremamente basso, grazie all'impiego di diverse innovazioni progettuali.

Questi regolatori non sono un "compromesso" a metà strada tra le caratteristiche di basso rumore degli LDO e l'efficienza dei regolatori a commutazione. Il loro design innovativo consente invece ai progettisti di ottenere tutti i vantaggi di efficienza dei commutatori con livelli di rumore molto bassi e vicini a quelli di un LDO. In realtà, danno ai progettisti il meglio di tutti gli attributi quando si tratta di rumore ed efficienza.

Questi regolatori eliminano l'idea convenzionale del divario tra LDO e regolatori a commutazione. Sono disponibili nei dispositivi Silent Switcher 1 (prima generazione), Silent Switcher 2 (seconda generazione) e Silent Switcher 3 (terza generazione). I progettisti di questi dispositivi hanno identificato le varie sorgenti di rumore ed escogitato modi per attenuarle, e ogni generazione successiva ha apportato ulteriori miglioramenti (Figura 4).

Figura 4: I regolatori c.c./c.c. Silent Switcher sono offerti in tre generazioni, ognuna con le prestazioni della precedente, migliorate. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I vantaggi dei dispositivi Silent Switcher 1 includono un basso livello di EMI, un'elevata efficienza e un'alta frequenza di commutazione che allontana gran parte del rumore residuo dalle parti dello spettro in cui potrebbe interferire con il funzionamento del sistema o incorrere in problemi normativi. I vantaggi di Silent Switcher 2 includono tutte le caratteristiche della tecnologia Silent Switcher 1, con in più condensatori di precisione integrati, un ingombro ridotto e l'eliminazione dei problemi legati al layout della scheda CS. Infine, la serie Silent Switcher 3 presenta caratteristiche di bassissimo rumore nella banda di bassa frequenza da 10 Hz a 100 kHz, particolarmente critiche per le applicazioni ecografiche.

Grazie al loro fattore di forma compatto pari a pochi millimetri quadrati e alla loro efficienza intrinseca, questi commutatori possono essere collocati molto vicino all'FPGA o all'ASIC di carico. Così si massimizzano le prestazioni e si eliminano le disparità tra le prestazioni riportate nella scheda tecnica e quelle dell'uso reale.

Nella Figura 5 è riportato un riepilogo delle caratteristiche acustiche e termiche dei dispositivi Silent Switcher.

Figura 5: Gli utenti di questi regolatori ottengono vantaggi tangibili in termini di rumore e calore grazie al design dei dispostivi Silent Switcher. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Molte scelte nella matrice Silent Switcher

I regolatori Silent Switcher sono disponibili in molti gruppi, versioni e modelli con diversi valori nominali di tensione e corrente per soddisfare i requisiti specifici di un progetto di sistema, nonché in una varietà di contenitori compatti (Figura 6).

Figura 6: I numerosi dispositivi che utilizzano la tecnologia Silent Switcher offrono numerose permutazioni di tensione, corrente, rumore e altri attributi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I dispositivi di prima e seconda generazione comprendono, a titolo esemplificativo, unità a 5 V con uscite a 3, 4, 6 e 10 A, come i modelli:

• LTC3307: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 3 A in un contenitore LQFN di 2 × 2 mm
• LTC3308A: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 4 A in un contenitore LQFN di 2 × 2 mm
• LTC3309A: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 6 A in un contenitore LQFN di 2 × 2 mm
• LTC3310: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 10 A in un contenitore LQFN di 3 × 3 mm

Ognuno è a sua volta disponibile in più versioni. Ad esempio, LTC3310 è disponibile in quattro versioni di base, tra cui alcune qualificate AEC-Q100 per il settore automotive. Si noti che sia i dispositivi di prima generazione (SS1) - LTC3310 e LTC3310-1 - sia quelli di seconda generazione (SS2) - LTC3310S e LTC3310S-1 - sono disponibili come dispositivi di uscita regolabili e fissi.

Un'analisi più approfondita di un dispositivo di terza generazione, LT8625S, mette in evidenza le caratteristiche dei progetti Silent Switcher 3, sottolineate dalle eccezionali prestazioni a basso rumore di questo dispositivo con ingresso da 2,7 a 18 V e uscita da 8 A (Figura 7).

Figura 7: LT8625S richiede solo pochi componenti esterni standard (in figura LTC8624S da 4 A). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le caratteristiche di LT8625S includono:

• Risposta ai transitori ultraveloce grazie all'amplificatore di errore ad alto guadagno
• Tempo di accensione minimo di soli 15 ns
• Riferimento di precisione con deriva di ±0,8% sulla temperatura
• Funzionamento polifase che supporta fino a 12 fasi per una maggiore corrente aggregata in uscita
• Clock regolabile e sincronizzabile da 300 kHz a 4 MHz
• Indicatore di alimentazione programmabile
• Disponibile in un contenitore LQFN a 20 conduttori di 4 × 3 mm (LT8625SP) o a 24 conduttori di 4 × 4 mm (LT8625SP-1)

Le sue specifiche prestazionali in fatto di rumore mostrano perché è particolarmente adatto alle applicazioni ecografiche (Figura 8):

• Rumore quadratico medio (RMS) ultrabasso (da 10 Hz a 100 kHz): 4 μV_RMS
• Rumore spot bassissimo: 4 nV/√Hz a 10 kHz
• Emissioni EMI bassissime su qualsiasi scheda CS
• Condensatori di bypass interni per ridurre le EMI irradiate

Figura 8: I grafici mostrano che la densità spettrale del rumore a bassa frequenza (sinistra) e a banda larga (destra) di LT8625S è minima. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Queste prestazioni a basso rumore sono costanti, insieme a un'elevata efficienza e a una bassa perdita di potenza, nell'intero intervallo di carico (Figura 9).

Figura 9: L'elevata efficienza operativa e il basso impatto termico di LT8625S facilitano la progettazione del sistema. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La progettazione con LT8625S a 20 conduttori è accelerata dalla disponibilità della scheda dimostrativa/di valutazione DC3219A (Figura 10). L'impostazione predefinita della scheda è di 1,0 V con una massima corrente di uscita di 8 A c.c. L'utente può modificare l'impostazione della tensione a scelta.

Figura 10: Per consentire l'esplorazione e velocizzare la progettazione, la scheda di valutazione DC3291A supporta LT8625S. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

I sistemi di imaging a ultrasuoni sono uno strumento diagnostico medico indispensabile e privo di rischi. Per la chiarezza dell'immagine, la risoluzione e altri parametri di prestazione richiesti, è fondamentale riconoscere che i segnali ricevuti possono essere a livelli estremamente bassi, con un'ampia gamma dinamica. Ciò richiede che gli ingegneri scelgano componenti a basso rumore, impieghino tecniche di progettazione prudenti e si assicurino che i rail di alimentazione c.c. siano il più possibile a basso rumore.

La famiglia Silent Switcher di Analog Devices offre l'elevata efficienza intrinseca dei regolatori c.c./c.c. a commutazione, pur avendo un livello di rumore paragonabile a quello di LDO molto meno efficienti. Inoltre, le loro piccole dimensioni, pari a pochi millimetri quadrati, consentono di posizionarli vicino ai carichi che supportano, riducendo al minimo la possibilità di captare i disturbi irradiati dai circuiti.