Minimalizacja szumów za pomocą regulatorów prądu stałego w systemach ultradźwiękowych

Szumy ograniczają parametry działania

Tak samo jak w przypadku większości systemów akwizycji danych, szumy są również jednym z czynników ograniczających parametry działania medycznych systemów ultradźwiękowych. Oprócz szumów wywoływanych przez pacjenta, istnieją różne rodzaje szumów obwodów elektronicznych i komponentów:

• Szum gaussowski będący statystycznie losowym szumem „białym”, powodowanym w dużej mierze przez wahania temperatury, czy szumy obwodów elektronicznych z komponentów aktywnych i pasywnych.
• Szum śrutowy (Poissona) wynika z dyskretnego charakteru ładunków elektrycznych.
• Szum impulsowy, czasami nazywany szumem typu „sól i pieprz”, jest czasami widoczny na obrazach cyfrowych. Może być spowodowany ostrymi i nagłymi zakłóceniami sygnału obrazu i jest postrzegany jako rzadko rozsiane piksele białe i czarne piksele, skąd wzięła się jego nieformalna nazwa.

Omawiane źródła szumów wpływają na rozdzielczość i jakość obrazu. Minimalizuje się je poprzez odpowiedni dobór komponentów elektronicznych, takich jak wzmacniacze i rezystory niskoszumowe, a także odpowiednie filtry analogowe i cyfrowe. Ponadto niektóre szumy można zminimalizować na etapie przetwarzania końcowego za pomocą zaawansowanych algorytmów przetwarzania obrazu i sygnału.

Szumy regulatora: kluczowy czynnik

Istnieje również jedna kwestia związana z szumami, którą należy rozwiązać: szumy wynikające z operacji przełączania w obniżających regulatorach prądu stałego, które zasilają głównie cyfrowe układy scalone, takie jak bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) i specjalizowane układy scalone (ASIC). Problem polega na tym, że wpływają one również na czułe analogowe obwody przetwarzania sygnału poprzez promieniowanie elektromagnetyczne (EM), a także przez przewodzenie na szynach zasilających i innych przewodach.

Projektanci starają się zminimalizować te szumy za pomocą elementów ferrytowych, starannego planowania układu komponentów oraz filtrowania szyn zasilających, ale wysiłki te skutkują większą liczbą komponentów, potrzebą zwiększenia powierzchni płytki drukowanej, a przy tym przynoszą tylko częściowy sukces.

Projektanci dążący do zminimalizowania szumów wytwarzanego przez regulatory prądu stałego mogą tradycyjnie sięgnąć po regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) charakteryzujące się z natury niskimi generowanymi szumami, ale stosunkowo niską sprawnością na poziomie ok. 50%. Alternatywą jest zastosowanie regulatora przełączającego o sprawności około 90% lub wyższej, charakteryzującego się jednak wyjściowymi szumami impulsowymi rzędu miliwoltów, wynikającymi z działania zegara przełączającego.

Sytuacja z regulatorami prądu stałego, inaczej niż w przypadku większości decyzji dokonywanych przez inżynierów, pozwalających na osiągnięcie pewnego rodzaju kompromisu, wymaga opowiedzenia się po konkretnej stronie: niskiego poziomu szumów i niskiej sprawności, albo wysokiego poziomu szumów i wysokiej sprawności. Kompromis, np. akceptacja o 20% wyższego poziomu szumów w regulatorze napięcia o niskim spadku (LDO) w zamian za niewielki wzrost jego sprawności, jest niemożliwy.

Niskim poziomom szumów charakterystycznym dla regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO) zagraża jeszcze inny czynnik. Ze względu na stosunkowo duże rozmiary dla wyższych poziomów prądu - głównie ze względu na problemy termiczne - często muszą one być umieszczone w większej odległości od odbiornika. Na skutek tego szyna wyjściowa regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) może przejmować szumy generowane przez komponenty cyfrowe w układzie, co w efekcie pogarsza „czystość" szyn wrażliwych układów analogowych.

Jedną z metod rozwiązywania problemów z umiejscowieniem regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) w związku z kwestiami termicznymi jest zastosowanie pojedynczego regulatora, znajdującego się na boku lub rogu płytki drukowanej. Ułatwia to zarządzanie rozpraszaniem ciepła z regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) i może pomóc w uproszczeniu budowy układu prądu stałego. Jednak z takim prostym rozwiązaniem jest kilka problemów:

• Nieunikniony spadek napięcia spowodowany przepływem prądu przez rezystancję (IR) między regulatorem a odbiornikami, wynikający z odległości i wysokiego natężenia prądu (spadek ΔV = prąd obciążeniowy (I) × rezystancja ścieżki (R)), oznacza, że napięcie na odbiornikach nie osiągnie nominalnej wartości wyjściowej regulatora napięcia o niskim spadku (LDO), a nawet może być inne na każdym z tych odbiorników. Spadek ten można zminimalizować przez zwiększenie szerokości lub grubości ścieżek na płytce drukowanej lub użycie pionowej szyny zbiorczej, choć te rozwiązania zajmują cenną przestrzeń na płytce i wydłużają wykaz materiałów (BOM).
• Do monitorowania napięcia na odbiorniku można wykorzystać zdalny pomiar, ale sprawdza się on tylko w przypadku odbiornika jednopunktowego, nierozproszonego. Ponadto przewody do zdalnego pomiaru mogą zwiększać oscylację na szynach prądu stałego, ponieważ indukcyjność dłuższej szyny zasilającej i przewodów pomiarowych może mieć wpływ na parametry działania regulatora w stanach nieustalonych.
• Wreszcie pojawia się problem, który jest często najtrudniejszy do opanowania - dłuższe szyny zasilające są również bardziej podatne na szumy wynikające z zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI).

Pierwszym krokiem jeśli chodzi o rozwiązywanie problemów z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) oraz zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (RFI) zazwyczaj jest zastosowanie dodatkowych kondensatorów obejściowych, liniowych elementów ferrytowych oraz innych środków. Problem jednak często nie ustępuje. Dodatkowo wspomniane szumy komplikują spełnienie obowiązków prawnych w zakresie emisji zakłóceń w zależności od ich wielkości i częstotliwości.

Regulatory w technologii Silent Switcher jako rozwiązanie dylematu kompromisu

Alternatywnym i zazwyczaj lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie pojedynczych regulatorów prądu stałego umieszczonych jak najbliżej swoich obciążeniowych układów scalonych. Minimalizuje to spadek napięcia spowodowany przepływem prądu przez rezystancję (IR), powierzchnię płytki drukowanej oraz zbieranie i oddawanie szumów szyny. Jednak aby to podejście było opłacalne, konieczne jest zastosowanie małych, wydajnych, regulatorów niskoszumowych w pobliżu obciążenia i nadal spełnianie wszystkich wymagań prądowych.

To właśnie w takich sytuacjach z pomocą przychodzą regulatory z technologią Silent Switcher firmy Analog Devices. Regulatory te nie tylko zapewniają napięcie wyjściowe rzędu kilku woltów przy natężeniu prądu od kilku do 10A, ale dzięki zastosowaniu wielu innowacji konstrukcyjnych robią to przy wyjątkowo niskim poziomie szumów.

Omawiane regulatory nie stanowią „kompromisu” ani rozwiązania pośredniego gdzieś pomiędzy korzystnym niskim poziomem szumów, charakterystycznym dla regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO), a wysoką sprawnością regulatorów przełączających. Jenak ich innowacyjna konstrukcja umożliwia inżynierom czerpanie pełnych korzyści ze sprawności przełączników o bardzo niskim poziomie szumów zbliżonym do poziomu szumów regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO). W rezultacie projektanci otrzymują to, co najlepsze z obu wspomnianych rozwiązań, jeśli chodzi o szumy i sprawność.

Omawiane regulatory wypełniają lukę, jaka powstawała w przypadku konwencjonalnego sposobu myślenia w kategoriach wyboru pomiędzy regulatorem napięcia o niskim spadku (LDO) i regulatorem przełączającym. Są one dostępne jako urządzenia z technologią Silent Switcher 1 (pierwszej generacji), Silent Switcher 2 (drugiej generacji) oraz Silent Switcher 3 (trzeciej generacji). Projektanci wspomnianych urządzeń zidentyfikowali różne źródła szumów i opracowali sposoby ich tłumienia, a każda kolejna generacja niosła ze sobą dalsze ulepszenia (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Istnieją trzy generacje regulatorów prądu stałego z technologią Silent Switcher, przy czym każda kolejna bazuje na poprzedniej i rozszerza jej możliwości. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Zalety stosowania urządzeń w technologii Silent Switcher 1 obejmują niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), wysoką sprawność i wysoką częstotliwość przełączania, która przenosi znaczną część pozostałych szumów z dala od części widma potencjalnie zakłócającego działanie systemu lub powodującego problemy zgodności z przepisami. Zalety technologii Silent Switcher 2 obejmują wszystkie cechy technologii Silent Switcher 1 oraz zintegrowane kondensatory precyzyjne, mniejszą powierzchnią zajmowaną przez rozwiązanie i eliminację zależności od układu płytki drukowanej. I wreszcie urządzenia z technologią Silent Switcher 3 wykazują ultraniski poziom szumów w zakresie niskich częstotliwości od 10Hz do 100kHz, szczególnie w przypadku zastosowań ultradźwiękowych.

Dzięki niewielkim rozmiarom sięgającym zaledwie kilku milimetrów kwadratowych oraz specyficznej sprawności, przełączniki te można instalować bardzo blisko odbiorczych bezpośrednio programowalnych macierzy bramek (FPGA), czy specjalizowanych układów scalonych (ASIC). Niweluje to różnice między parametrami działania podawanymi w arkuszach danych a rzeczywistymi.

Podsumowanie parametrów szumów i parametrów termicznych w urządzeniach z technologią Silent Switcher przedstawiono na ilustracji 5.

Ilustracja 5: Użytkownicy korzystający z tych regulatorów zdają sobie sprawę z wyraźnych korzyści pod względem szumów i parametrów termicznych, płynących z zastosowania technologii Silent Switcher. (Źródło ilustracji: Analog Devices)