ตัวควบคุมแหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสมสามารถลดเสียงรบกวนของราง DC และปรับปรุงคุณภาพของภาพอัลตราซาวนด์

เสียงรบกวนเป็นปัจจัยจำกัดประสิทธิภาพในทางการแพทย์และระบบอัลตราซาวนด์อื่นๆ แน่นอน คำว่า "เสียงรบกวน" นั้นอาจหมายถึงเสียงประเภทต่างๆ ที่แตกต่างกัน บางชนิดมีอยู่ในสถานการณ์ทางการแพทย์และผู้ป่วย ในขณะที่บางชนิดมีลักษณะเป็นเสียงทางอิเล็กทรอนิกส์ เสียงที่เกิดจากผู้ป่วยส่วนใหญ่เรียกว่า "เสียงสเปกเคิล" และส่วนใหญ่เกิดจากความไม่สม่ำเสมอ (ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน) ของเนื้อเยื่อและอวัยวะของผู้ป่วย นักออกแบบวงจรสามารถทำอะไรได้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับเสียงรบกวนที่เกิดจากผู้ป่วย แต่มีอีกมากที่พวกเขาสามารถทำได้เพื่อลดแหล่งที่มาและประเภทต่างๆ ที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้เหลือน้อยที่สุด

ในบรรดาแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนเหล่านี้ ได้แก่ ตัวควบคุม DC/DC เพื่อลดเสียงรบกวน นักออกแบบสามารถใช้เครื่องควบคุมแรงดันต่ำ (LDO) ขนาดเล็กและเงียบที่ปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง แม้แต่ LDO เหล่านี้ก็มักจะส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานพร้อมกับปัญหาการจัดการระบายความร้อนที่เกี่ยวข้อง ทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสำหรับ LDO คือสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ แต่อุปกรณ์เหล่านี้มีเสียงรบกวนสูงเนื่องจากลักษณะสวิตชิ่งของมัน เสียงรบกวนนี้จำเป็นต้องลดลงหากนักออกแบบต้องการใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์เหล่านี้อย่างเต็มที่

นวัตกรรมล่าสุดในการออกแบบโทโพโลยีการแปลงพลังงานได้ลดเสียงรบกวนดังกล่าว ส่งผลให้ความสมดุลของประสิทธิภาพเสียงรบกวนเปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมสวิตชิ่งโมโนไลติคกำลังสูงสามารถจ่ายพลังงานให้ IC ดิจิทัลได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยราง DC ที่มีเสียงรบกวนต่ำ ประสิทธิภาพสูง และต้องการพื้นที่น้อยที่สุด

บทความนี้กล่าวถึงความท้าทายของอัลตราซาวนด์โดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำตระกูล Silent Switcher IC ขนาดเล็กจากAnalog Devices , และใช้LT8625S เป็นตัวอย่างที่ไฮไลต์เพื่อแสดงให้เห็นว่าตัวควบคุมสวิตชิ่งที่เป็นนวัตกรรมใหม่เหล่านี้ตอบสนองวัตถุประสงค์หลายประการสำหรับโหลดในแรงดันไฟฟ้าหลักเดียว ช่วงย่อย 10 แอมแปร์ (A) ที่จำเป็นสำหรับการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์ประสิทธิภาพสูงได้อย่างไร มีตัวอย่าง IC ของ Silent Switcher อื่นๆ เพื่อแสดงความกว้างของตระกูล

อัลตราซาวนด์มีปัญหาเส้นทางสัญญาณที่ไม่เหมือนใคร

หลักการทำงานของการถ่ายภาพแบบอัลตราโซนิกนั้นเรียบง่าย แต่การพัฒนาระบบการถ่ายภาพที่มีประสิทธิภาพสูงนั้นต้องการความเชี่ยวชาญด้านการออกแบบอย่างมาก ส่วนประกอบพิเศษมากมาย และความใส่ใจในรายละเอียดปลีกย่อย (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: บล็อกไดอะแกรมระดับสูงของระบบภาพอัลตราซาวนด์บอกใบ้ถึงความซับซ้อนของการนำระบบไปใช้ตามหลักการทางฟิสิกส์อย่างง่าย (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ระบบภาพใช้อาร์เรย์ของตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกที่มีการเต้นเป็นจังหวะเพื่อสร้างหน้าคลื่นอะคูสติก ระบบใหม่ๆ จำนวนมากมีองค์ประกอบทรานสดิวเซอร์มากถึง 256 ชิ้น ซึ่งแต่ละองค์ประกอบต้องควบคุมอย่างอิสระ ความถี่ที่ส่งมีตั้งแต่ 2 ถึง 20 เมกะเฮิรตซ์ (MHz)

ด้วยการปรับเวลาสัมพัทธ์ของทรานสดิวเซอร์ในอาร์เรย์โดยใช้การหน่วงเวลาแบบแปรผัน พัลส์ที่ปล่อยออกมาสามารถสร้างรูปแบบลำแสงและเล็งไปที่ตำแหน่งเฉพาะได้ ความถี่ที่สูงขึ้นจะให้ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ดี แต่มีความสามารถในการเจาะทะลุได้ค่อนข้างต่ำ ส่งผลให้คุณภาพของภาพลดลง ระบบส่วนใหญ่ใช้ประมาณ 5 MHz เป็นการประนีประนอมที่ดีที่สุด

เมื่อปล่อยพัลส์ ระบบจะสลับไปที่โหมดรับและจับเสียงสะท้อนของอะคูสติกพัลส์ ซึ่งสร้างขึ้นเมื่อใดก็ตามที่พลังงานคลื่นอะคูสติกกระทบกับสิ่งกีดขวางอิมพีแดนซ์ เช่น ที่รอยต่อระหว่างเนื้อเยื่อหรืออวัยวะประเภทต่างๆ การหน่วงเวลาซึ่งเสียงสะท้อนกลับมาตามเวลาที่ส่งจะให้ข้อมูลภาพ

เนื่องจากการลดทอนสัญญาณอัลตราซาวนด์โดยหลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อผ่านเนื้อเยื่อสองครั้ง ครั้งแรกสำหรับเส้นทางไปข้างหน้าและอีกครั้งสำหรับเสียงสะท้อนกลับ ระดับสัญญาณที่ได้รับจึงครอบคลุมช่วงไดนามิกที่กว้าง สามารถสูงได้ถึง 1 โวลต์ ต่ำถึง 2-3 ไมโครโวลต์ ซึ่งเป็นช่วงประมาณ 120 เดซิเบล (dB)

โปรดทราบว่าสำหรับสัญญาณอัลตราซาวนด์ 10 MHz และความลึกของการเจาะ 5 เซนติเมตร (ซม.) สัญญาณไป-กลับจะลดลง 100 dB ดังนั้น เพื่อจัดการกับช่วงไดนามิกทันทีประมาณ 60 เดซิเบลที่ตำแหน่งใดๆ ช่วงไดนามิกที่ต้องการจะเป็น 160 เดซิเบล (ช่วงไดนามิกของแรงดันไฟฟ้า 100 ล้านถึง 1)

อาจดูเหมือนวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายที่สุดในการจัดการกับช่วงไดนามิกกว้าง สัญญาณระดับต่ำ และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่ไม่เพียงพอคือการเพิ่มกำลังของทรานสดิวเซอร์ที่ปล่อยออกมา อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากความต้องการพลังงานที่ชัดเจนแล้ว ยังมีข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับอุณหภูมิของโพรบอัลตราโซนิกที่สัมผัสกับผิวหนังของผู้ป่วย อุณหภูมิพื้นผิวของทรานสดิวเซอร์สูงสุดที่อนุญาตระบุไว้ในมาตรฐาน IEC 60601-2-37 (Rev 2007) ที่ 50°C เมื่อทรานส์ดิวเซอร์ไปในอากาศ และ 43°C เมื่อส่งเข้าสู่ Phantom ร่างกายมนุษย์ที่เหมาะสม

ขีดจำกัดหลังนี้หมายความว่าผิวหนัง (โดยทั่วไปอยู่ที่ 33°C) สามารถให้ความร้อนได้สูงสุด 10°C ดังนั้น ไม่เพียงต้องจำกัดกำลังเสียงเท่านั้น แต่ยังต้องลดการกระจายเสียงจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้อง รวมถึงตัวควบคุม DC/DC ด้วย

เพื่อรักษาระดับสัญญาณที่ค่อนข้างคงที่และเพิ่ม SNR ให้สูงสุด จะใช้รูปแบบพิเศษของการควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ (AGC) ที่เรียกว่าการชดเชยอัตราขยายเวลา (TGC) แอมพลิฟายเออร์ TGC ชดเชยการลดลงของสัญญาณเอกซ์โพเนนเชียลโดยการขยายสัญญาณโดยใช้แฟกเตอร์เอกซ์โพเนนเชียลที่กำหนดโดยระยะเวลาที่เครื่องรับรอสัญญาณพัลส์ย้อนกลับ

โปรดทราบว่ามีโหมดการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์หลายประเภทตามที่แสดงใน (รูปที่ 2):

• ระดับสีเทา สร้างภาพขาวดำพื้นฐาน สามารถแก้ไขสิ่งประดิษฐ์ที่มีขนาดเล็กเพียงหนึ่งมิลลิเมตร (mm)
• โหมด Doppler ตรวจจับความเร็วของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่โดยติดตามการเลื่อนความถี่ของสัญญาณย้อนกลับและแสดงเป็นสีเท็จ ใช้สำหรับตรวจเลือดหรือของเหลวอื่นๆ ที่ไหลเวียนภายในร่างกาย โหมด Doppler ต้องการการส่งคลื่นต่อเนื่องเข้าสู่ร่างกายและสร้างการแปลงฟูริเยร์อย่างรวดเร็ว (FFT) ของสัญญาณย้อนกลับ

รูปที่ 2: ระดับสีเทา (A) และลักษณะ Doppler สี (B) ของหลอดเลือดแดงนอกกะโหลกศีรษะที่ระดับของการแยกไปสองทางของ carotid โปรดทราบว่ากิ่งก้านของ ECA (เครื่องหมายดอกจัน ด้านล่างซ้ายของแต่ละภาพ) จะมองเห็นได้ดีที่สุดในภาพ Doppler สี (CCA: หลอดเลือดแดง carotid ทั่วไป; ICA: หลอดเลือดแดง carotid ภายใน และ ECA: หลอดเลือดแดง carotid ภายนอก (ECA) (แหล่งรูปภาพ: คลินิกรังสีวิทยาแห่งอเมริกาเหนือ)

• โหมดหลอดเลือดดำและหลอดเลือดแดง ใช้ Doppler ร่วมกับโหมดสเกลสีเทา ใช้เพื่อแสดงรายละเอียดการไหลเวียนของเลือดแดงและเลือดดำ

แผนภาพบล็อกแบบง่ายจะแยกองค์ประกอบหลักบางส่วนออก ในขณะที่แผนภาพที่มีรายละเอียดมากขึ้นจะแสดงฟังก์ชันเพิ่มเติม (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: บล็อกไดอะแกรมที่มีรายละเอียดมากขึ้นของระบบอัลตราซาวนด์สมัยใหม่ทำให้ความซับซ้อนชัดเจนยิ่งขึ้น รวมถึงฟังก์ชันดิจิทัลมากมายที่ฝังอยู่ในการออกแบบ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ประการแรก มีฟังก์ชันแหล่งจ่ายไฟ ไม่ว่าระบบจะใช้สายไฟฟ้ากระแสสลับหรือใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ก็จำเป็นต้องมีตัวควบคุม DC/DC หลายตัวเพื่อพัฒนาแรงดันไฟฟ้าของรางต่างๆ แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้มีตั้งแต่ไม่กี่โวลต์สำหรับบางฟังก์ชันไปจนถึงแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ามากสำหรับทรานสดิวเซอร์แบบเพียโซ

นอกจากนี้ เนื่องจากระบบอัลตราซาวนด์สมัยใหม่ส่วนใหญ่เป็นระบบดิจิทัล ยกเว้นส่วนหน้าแบบอะนาล็อกสำหรับเส้นทางการส่งและรับ จึงรวม FPGA เพื่อใช้การปรับรูปแบบลำแสงที่ควบคุมด้วยระบบดิจิทัลและฟังก์ชันอื่นๆ FPGA เหล่านี้ต้องการกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่ค่อนข้างมีนัยสำคัญ ตั้งแต่ 10 A

ประสิทธิภาพขอบเขตเสียงรบกวน

เช่นเดียวกับระบบรับข้อมูลส่วนใหญ่ เสียงก็เป็นหนึ่งในปัจจัยจำกัดประสิทธิภาพสำหรับระบบอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์ นอกจากเสียงจุดที่เกิดจากผู้ป่วยแล้ว ยังมีเสียงวงจรอิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบอีกหลายประเภท:

• เสียงแบบเกาส์เซียนเป็นสัญญาณรบกวน "สีขาว" แบบสุ่มทางสถิติ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากความผันผวนของความร้อน หรือสัญญาณรบกวนวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากส่วนประกอบแบบแอกทีฟและพาสซีฟ
• เสียงช็อต (ปัวซอง) เกิดจากลักษณะที่ไม่ต่อเนื่องของประจุไฟฟ้า
• อิมพัลส์นอยส์ (Impulse noise) ซึ่งบางครั้งเรียกว่าเสียงเกลือและพริกไทย บางครั้งอาจพบเห็นได้บนภาพดิจิทัล อาจเกิดจากการรบกวนสัญญาณภาพที่คมชัดและกะทันหัน และเห็นเป็นพิกเซลสีขาวและดำเกิดขึ้นประปราย ตามชื่อเรียกที่ไม่เป็นทางการ

แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนเหล่านี้ส่งผลต่อความละเอียดและคุณภาพของภาพ พวกมันถูกย่อให้เล็กลงด้วยตัวเลือกชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสม เช่น แอมพลิฟายเออร์และตัวต้านทานสัญญาณรบกวนต่ำ รวมถึงตัวกรองอนาล็อกและดิจิตอลที่เหมาะสม นอกจากนี้ สัญญาณรบกวนบางส่วนอาจลดลงในขั้นตอนหลังการประมวลผลด้วยอัลกอริธึมการประมวลผลภาพและสัญญาณที่ซับซ้อน

เสียงควบคุม: ปัจจัยสำคัญ

นอกจากนี้ยังมีปัญหาเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนที่ต้องแก้ไข: การเปลี่ยนสัญญาณรบกวนจากตัวควบคุม DC/DC แบบ step-down (บัค) ที่จ่ายพลังงานให้กับ IC ดิจิทัลเป็นหลัก เช่น FPGA และ ASIC ปัญหาคือพวกมันยังส่งผลกระทบต่อวงจรประมวลผลสัญญาณแอนะล็อกที่มีความละเอียดอ่อนผ่านการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) เช่นเดียวกับการนำไฟฟ้าผ่านรางไฟฟ้าและตัวนำอื่นๆ

นักออกแบบพยายามลดเสียงรบกวนนี้โดยใช้เฟอร์ไรต์บีด การจัดวางอย่างระมัดระวัง และการกรองรางไฟฟ้า แต่ความพยายามเหล่านี้จะเพิ่มจำนวนส่วนประกอบ เพิ่มพื้นที่ของแผงวงจรพิมพ์ (pc) และมักประสบความสำเร็จเพียงบางส่วนเท่านั้น

ตามหลักแล้ว นักออกแบบที่พยายามลดเสียงรบกวนที่เกิดจากตัวควบคุม DC/DC สามารถเลือก LDO ที่มีเอาต์พุตสัญญาณรบกวนต่ำโดยเนื้อแท้ แต่ประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำประมาณ 50% ทางเลือกคือการใช้สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ที่มีประสิทธิภาพประมาณ 90% หรือสูงกว่า แต่มีสัญญาณรบกวนอิมพัลส์ที่เอาต์พุตตามลำดับมิลลิโวลต์เนื่องจากนาฬิกาสวิตชิ่ง

ซึ่งแตกต่างจากการตัดสินใจทางวิศวกรรมส่วนใหญ่ที่มีการแลกเปลี่ยนระหว่างความต่อเนื่อง สถานการณ์ของตัวควบคุม DC/DC จำเป็นต้องเลือกด้านใดด้านหนึ่ง: สัญญาณรบกวนต่ำที่มีประสิทธิภาพต่ำ เทียบกับ สัญญาณรบกวนสูงที่มีประสิทธิภาพสูง ไม่มีการประนีประนอม เช่น การรับเสียงรบกวนที่สูงขึ้น 20% ใน LDO เพื่อแลกกับการเพิ่มประสิทธิภาพเล็กน้อย

เสียงรบกวนต่ำโดยเนื้อแท้ของ LDO อาจถูกลดทอนได้ด้วยปัจจัยอื่น เนื่องจากขนาดที่ค่อนข้างใหญ่สำหรับระดับกระแสที่สูงขึ้น โดยสาเหตุหลักมาจากปัญหาเรื่องความร้อน จึงต้องวางเครื่องนี้ให้ห่างจากโหลดมาก นี่เป็นโอกาสสำหรับรางเอาท์พุต LDO ในการรับสัญญาณรบกวนที่แผ่ออกมาจากส่วนประกอบดิจิทัลในระบบ ทำให้รางสะอาดของวงจรอะนาล็อกที่ละเอียดอ่อนเสียหาย

ทางออกหนึ่งในการจัดวาง LDO เนื่องจากปัญหาการจัดการระบายความร้อนคือการใช้เรกูเลเตอร์ตัวเดียว ซึ่งอยู่ด้านข้างหรือมุมของบอร์ดพีซี การทำเช่นนี้ช่วยจัดการปัญหาการกระจาย LDO และอาจทำให้สถาปัตยกรรมระดับระบบ DC/DC ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม วิธีแก้ปัญหาที่ฟังง่ายนี้มีปัญหามากมาย:

• การลดลงของ IR ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ระหว่างเรกูเลเตอร์และโหลดเนื่องจากระยะทางและระดับกระแสไฟฟ้าสูง (ΔV ดรอป = กระแสโหลด (I) × ความต้านทานร่องรอย (R)) หมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่โหลดจะไม่อยู่ที่ค่าเอาท์พุต LDO ที่ระบุ และอาจแตกต่างกันในแต่ละโหลด การลดลงนี้สามารถลดลงได้โดยการเพิ่มความกว้างหรือความหนาของรอยบอร์ด pc หรือการใช้บัสบาร์แบบตั้งพื้น แต่สิ่งเหล่านี้ใช้อสังหาริมทรัพย์ของบอร์ดที่มีค่าและเพิ่มลงในรายการวัสดุ (BOM)
• สามารถใช้การรับรู้จากระยะไกลเพื่อตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่โหลดได้ แต่วิธีนี้ใช้ได้ดีกับโหลดแบบจุดเดียวที่ไม่มีการกระจาย นอกจากนี้ สายวัดจากระยะไกลอาจมีส่วนทำให้เกิดการสั่นของราง DC เนื่องจากการเหนี่ยวนำของรางจ่ายไฟและสายวัดที่ยาวขึ้นอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานชั่วคราวของเรกูเลเตอร์
• ประการสุดท้าย และปัญหาที่มักจัดการได้ยากที่สุด รางไฟฟ้าที่ยาวขึ้นยังอาจถูกรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) หรือสัญญาณรบกวนจากคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) มากขึ้น

การเอาชนะปัญหา EMI/RFI มักเริ่มต้นด้วยการใช้ตัวเก็บประจุแบบบายพาสเพิ่มเติม เม็ดเฟอร์ไรต์แบบอินไลน์ และมาตรการอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ปัญหามักจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ เสียงดังกล่าวยังเพิ่มความท้าทายในการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบต่างๆ เกี่ยวกับการปล่อยเสียง โดยขึ้นอยู่กับขนาดและความถี่

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า Silent Switcher ช่วยแก้ปัญหาที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก

อีกทางเลือกหนึ่งและมักจะดีกว่าคือการใช้ตัวควบคุม DC/DC แต่ละตัวซึ่งวางตำแหน่งไว้ใกล้กับไอซีโหลดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สิ่งนี้ช่วยลดการลดลงของ IR, ขนาดของบอร์ดพีซี และการรับสัญญาณรบกวนและการแผ่รังสีจากราง อย่างไรก็ตาม เพื่อให้แนวทางนี้ใช้งานได้จริง จำเป็นต้องมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพและมีสัญญาณรบกวนต่ำซึ่งสามารถวางไว้ข้างโหลดและยังคงเป็นไปตามข้อกำหนดทางด้านกระแสไฟฟ้าทั้งหมด

นี่คือจุดที่ตัวควบคุม Silent Switcher จำนวนมากจาก Analog Devices, เป็นตัวช่วยแก้ปัญหา เรกูเลเตอร์เหล่านี้ไม่เพียงแต่ให้เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าเลขหลักเดียวที่ระดับกระแสตั้งแต่ไม่กี่แอมแปร์ไปจนถึง 10 A เท่านั้น แต่ยังให้สัญญาณรบกวนที่ต่ำมากอีกด้วย ซึ่งเป็นผลงานที่ประสบความสำเร็จผ่านนวัตกรรมการออกแบบที่หลากหลาย

อุปกรณ์ควบคุมเหล่านี้ไม่ใช่ "การประนีประนอม" หรือการแลกเปลี่ยนในตำแหน่งที่ใดที่หนึ่งตามเส้นแบ่งระหว่างคุณลักษณะที่มีสัญญาณรบกวนต่ำของ LDO และประสิทธิภาพของตัวควบคุมการสลับ แต่การออกแบบที่เป็นนวัตกรรมของพวกเขาช่วยให้วิศวกรได้รับประโยชน์เต็มประสิทธิภาพจากสวิตช์ที่มีระดับเสียงที่ต่ำมากและใกล้เคียงกับ LDO ผลที่ได้คือช่วยให้นักออกแบบมีคุณลักษณะที่ดีที่สุดทั้งสองอย่างในด้านเสียงรบกวนและประสิทธิภาพ

ตัวควบคุมเหล่านี้ลบความคิดแบบเดิมๆ ของ LDO เทียบกับช่องว่างของสวิตช์ควบคุม มีอยู่ในอุปกรณ์ Silent Switcher 1 (รุ่นแรก), Silent Switcher 2 (รุ่นที่สอง) และ Silent Switcher 3 (รุ่นที่สาม) ผู้ออกแบบอุปกรณ์เหล่านี้ได้ระบุแหล่งที่มาของเสียงต่างๆ และคิดค้นวิธีการลดทอนแต่ละแหล่ง และแต่ละรุ่นต่อมาก็มีการปรับปรุงเพิ่มเติม (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: เรกูเลเตอร์ DC/DC Silent Switcher ครอบคลุมสามเจเนอเรชัน โดยแต่ละเจเนอเรชันที่ตามมาจะสร้างและขยายประสิทธิภาพการทำงานของรุ่นก่อน (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ประโยชน์ของอุปกรณ์ Silent Switcher 1 ได้แก่ EMI ต่ำ ประสิทธิภาพสูง และความถี่สวิตชิ่งสูง ซึ่งจะนำสัญญาณรบกวนที่เหลือส่วนใหญ่ออกจากส่วนต่างๆ ของสเปกตรัม ที่อาจจะรบกวนการทำงานของระบบหรือมีปัญหาด้านการควบคุม ประโยชน์ของ Silent Switcher 2 ประกอบด้วยคุณสมบัติทั้งหมดของเทคโนโลยี Silent Switcher 1 รวมถึงตัวเก็บประจุที่มีความแม่นยำในตัว รอยขนาดเล็กลง และการกำจัดความไวต่อเค้าโครงบอร์ด pc ประการสุดท้าย Silent Switcher 3 ซีรีส์แสดงคุณลักษณะของสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษในย่านความถี่ต่ำตั้งแต่ 10 เฮิรตซ์ (Hz) ถึง 100 กิโลเฮิรตซ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานอัลตราซาวนด์

ด้วยฟอร์มแฟคเตอร์ที่เล็กเพียงไม่กี่ตารางมิลลิเมตร พร้อมด้วยประสิทธิภาพโดยธรรมชาติ สวิตช์เหล่านี้จึงสามารถวางใกล้กับโหลด FPGA หรือ ASIC ได้มาก สิ่งนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดและขจัดความแตกต่างระหว่างประสิทธิภาพของแผ่นข้อมูลกับความเป็นจริงในการใช้งาน

ข้อมูลสรุปเกี่ยวกับคุณสมบัติด้านเสียงและความร้อนของอุปกรณ์ Silent Switcher แสดงไว้ในรูปที่ 5

รูปที่ 5: ผู้ใช้ตัวควบคุมเหล่านี้ตระหนักถึงประโยชน์ด้านเสียงและความร้อนที่จับต้องได้จากการออกแบบของ Silent Switchers (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ตัวเลือกมากมายในเมทริกซ์ Silent Switcher

เรกูเลเตอร์ Silent Switcher มีอยู่หลายกลุ่ม เวอร์ชัน และหลายรุ่นที่มีระดับแรงดันและกระแสต่างกัน เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะของการออกแบบระบบ เช่นเดียวกับแพ็คเกจขนาดเล็กที่หลากหลาย (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: อุปกรณ์จำนวนมากที่ใช้เทคโนโลยี Silent Switcher มีการสลับสับเปลี่ยนของแรงดัน กระแส สัญญาณรบกวน และคุณสมบัติอื่นๆ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

อุปกรณ์รุ่นแรกและรุ่นที่สองรวมถึงแต่ไม่จำกัดเฉพาะหน่วย 5 โวลต์ที่มีเอาต์พุต 3, 4, 6 และ 10 A เช่น:

• LTC3307 : Silent Switcher ลดแรงดันแบบซิงโครนัส 5 V, 3 A ในแพ็คเกจ LQFN ขนาด 2 mm × 2 mm
• LTC3308A : Silent Switcher ลดแรงดันแบบซิงโครนัส 5 V, 4 A ในแพ็คเกจ LQFN ขนาด 2 mm x 2 mm
• LTC3309A : Silent Switcher ลดแรงดันแบบซิงโครนัส 5 V, 6 A ในแพ็คเกจ LQFN ขนาด 2 mm × 2 mm
• LTC3310 : 5 โวลต์ 10 A ซิงโครนัส step-down Silent Switcher 2 ในแพ็คเกจ LQFN 3 mm × 3 mm

ในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้มีให้เลือกใช้หลายเวอร์ชัน ตัวอย่างเช่น LTC3310 มีจำหน่ายในสี่รุ่นพื้นฐาน รวมถึงบางรุ่นที่มีคุณสมบัติยานยนต์ AEC-Q100 โปรดทราบว่าทั้งอุปกรณ์รุ่นแรก (SS1) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ LTC3310 และ LTC3310-1 และอุปกรณ์รุ่นที่ 2 (SS2)LTC3310S และLTC3310S-1 — มีจำหน่ายเป็นอุปกรณ์เอาต์พุตแบบปรับได้และคงที่

LT8625S เป็นอุปกรณ์รุ่นที่สามที่มองใกล้ขึ้น เน้นคุณลักษณะของการออกแบบ Silent Switcher 3 โดยเน้นที่ประสิทธิภาพเสียงรบกวนต่ำที่โดดเด่นของอุปกรณ์อินพุต 2.7 ถึง 18 โวลต์ 8 A เอาต์พุต (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: LT8625S ต้องการส่วนประกอบภายนอกมาตรฐานเพียงไม่กี่ชิ้น (แสดงว่าเป็น LTC8624S ที่เหมือนกันทุกประการ ซึ่งเป็นพี่น้อง 4 A) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

คุณสมบัติ LT8625S ประกอบด้วย:

• การตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็วเป็นพิเศษเนื่องจากแอมพลิฟายเออร์ข้อผิดพลาดสูง
• เวลาเปิดสวิตช์ขั้นต่ำที่รวดเร็วเพียง 15 นาโนวินาที (ns)
• ค่าอ้างอิงแม่นยำ ±0.8% เหนืออุณหภูมิ
• การทำงานของ PolyPhase รองรับสูงสุด 12 เฟสสำหรับเอาต์พุตกระแสรวมที่สูงขึ้น
• นาฬิกาปรับและซิงโครไนซ์ได้ตั้งแต่ 300 kHz ถึง 4 MHz
• ตัวบ่งชี้พลังงานที่ดีที่ตั้งโปรแกรมได้
• มีจำหน่ายในแพ็คเกจ 20-lead 4 mm × 3 mm (LT8625SP) หรือ 24-lead 4 mm × 4 mm LQFN (LT8625SP-1)

ข้อมูลจำเพาะด้านประสิทธิภาพเสียงรบกวนแสดงให้เห็นว่าเหตุใดจึงเหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานอัลตราซาวนด์ (รูปที่ 8):

• สัญญาณรบกวนค่าเฉลี่ยกำลังสองรูทต่ำมาก (RMS) (10 Hz ถึง 100 kHz): 4 ไมโครโวลต์ RMS (μV_RMS )
• สัญญาณรบกวนเฉพาะจุดต่ำมาก: 4 นาโนโวลต์ต่อรูท Hz (nV/√Hz) ที่ 10 kHz
• การปล่อย EMI ต่ำมากบนบอร์ด pc ใดๆ
• ตัวเก็บประจุบายพาสภายในช่วยลด EMI ที่แผ่ออกมา

รูปที่ 8: กราฟแสดงว่าความหนาแน่นสเปกตรัมสัญญาณรบกวนทั้งความถี่ต่ำ (ซ้าย) และแถบกว้าง (ขวา) ของ LT8625S มีค่าน้อยที่สุด (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ประสิทธิภาพการทำงานที่มีสัญญาณรบกวนต่ำนี้เกิดขึ้นได้พร้อมกับประสิทธิภาพสูงและการสูญเสียพลังงานต่ำตลอดช่วงโหลดทั้งหมด (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: ประสิทธิภาพการทำงานสูงและผลกระทบทางความร้อนต่ำของ LT8625S ช่วยลดความกังวลในการออกแบบระบบ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การออกแบบโดยใช้ 20-lead LT8625S นั้นเร่งขึ้นด้วยความพร้อมใช้งานของตัวช่วยDC3219A วงจรสาธิต/กระดานประเมินผล (รูปที่ 10) การตั้งค่าเริ่มต้นของบอร์ดคือ 1.0 โวลต์ที่กระแสเอาต์พุต DC สูงสุด 8 A ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนการตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าได้ตามต้องการ

รูปที่ 10: เพื่อเปิดใช้งานการสำรวจและการออกแบบความเร็ว คณะกรรมการประเมิน DC3291A รองรับ LT8625S (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สรุป

ระบบภาพอัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์ที่จำเป็นและปราศจากความเสี่ยง เพื่อให้ได้ภาพที่มีความคมชัด ความละเอียด และเมตริกประสิทธิภาพอื่นๆ ที่จำเป็น สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักว่าสัญญาณที่ได้รับอาจอยู่ในระดับที่ต่ำมากโดยมีช่วงไดนามิกกว้าง สิ่งนี้ต้องการให้วิศวกรเลือกส่วนประกอบที่มีเสียงรบกวนต่ำ ใช้เทคนิคการออกแบบที่รอบคอบ และตรวจสอบให้แน่ใจว่ารางไฟฟ้ากระแสตรงมีเสียงรบกวนต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ตระกูล Silent Switcher จาก Analog Devices นำเสนอการสลับเรกูเลเตอร์ DC/DC ที่มีประสิทธิภาพสูงในขณะที่ยังมีระดับเสียงรบกวนเทียบได้กับ LDO ที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่ามาก นอกจากนี้ ขนาดที่เล็กเพียงไม่กี่ตารางมิลลิเมตรทำให้สามารถวางใกล้กับโหลดที่รองรับ ลดความเป็นไปได้ในการเก็บเสียงรบกวนจากวงจรที่แผ่ออกมา