使用 DCDC 降壓轉(zhuǎn)換器為醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用供電

1、前言

從基于推車(chē)的超聲掃描儀到將圖像直接發(fā)送到智能手機(jī)的便攜式智能探頭，超聲成像領(lǐng)域不斷多樣化。盡管其設(shè)計(jì)在架構(gòu)上存在差異，但每個(gè)超聲系統(tǒng)都需要一個(gè)直流電源，以有效滿足系統(tǒng)的電源需求并避免干擾超聲頻率范圍。在本文中，我將回顧為醫(yī)療超聲系統(tǒng)選擇 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器時(shí)的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

2.與外部時(shí)鐘同步并盡量減少干擾

電源中的降壓穩(wěn)壓器必須能夠與外部時(shí)鐘頻率同步。用于醫(yī)學(xué)成像的超聲頻帶通常在 2 MHz 到 20 MHz 的范圍內(nèi)。因此，在為任何超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)，降壓穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率必須不干擾超聲頻帶。具有低開(kāi)關(guān)頻率的降壓穩(wěn)壓器會(huì)將基頻和早期諧波頻率保持在超聲頻帶之外，但某些諧波仍會(huì)持續(xù)存在。通過(guò)將降壓穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率與外部主時(shí)鐘同步，您可以控制、監(jiān)測(cè)和精確濾除超聲波頻帶之外的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波。

雖然我在談?wù)摳蓴_問(wèn)題，但記住超聲電源中任何降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生的固有電磁干擾 (EMI) 也很重要。即使過(guò)濾掉開(kāi)關(guān)頻率及其諧波，降壓穩(wěn)壓器也會(huì)產(chǎn)生干擾系統(tǒng)其余部分的寬帶頻率。正確的印刷電路板布局可以大大提高 EMI，但要獲得最佳性能，請(qǐng)考慮使用專門(mén)設(shè)計(jì)用于低 EMI 的降壓穩(wěn)壓器。該LMQ61460 例如，除了可最大限度降低 EMI 的其他設(shè)計(jì)功能（如外部頻率同步）之外，還集成了旁路電容器。要確認(rèn)設(shè)備確實(shí)具有低 EMI，請(qǐng)檢查數(shù)據(jù)表的其他常見(jiàn)條件部分中是否包含來(lái)自輻射或傳導(dǎo) EMI 測(cè)試（或兩者）的數(shù)據(jù)。圖 1 顯示了 LMQ61460 的傳導(dǎo) EMI。

圖 1：LMQ61460 與Comité International Spécial des Perturbations Radio 25 的傳導(dǎo) EMI （限制：黃色，峰值信號(hào)；藍(lán)色：平均信號(hào)；F SW = 400 kHz；V OUT = 5 V；I OUT = 5 A）

3.擴(kuò)展到多個(gè)電源軌

可以處理多種電流和電壓要求（包括負(fù)電壓軌）的降壓穩(wěn)壓器可能非常有利。超聲系統(tǒng)通常有多個(gè)電源軌，每個(gè)電源軌都設(shè)計(jì)為處于不同的電壓下并提供不同的電流。您可以使用具有寬輸入電壓范圍、寬輸出電壓范圍和足夠高的電流限制的器件來(lái)將一個(gè)電源解決方案擴(kuò)展到所有需要的電源軌（包括負(fù)輸出軌）。

利用一個(gè)設(shè)備為所有導(dǎo)軌供電可以幫助您優(yōu)化系統(tǒng)的物料清單 (BOM) 并簡(jiǎn)化布局過(guò)程；如果這些好處對(duì)您很重要，請(qǐng)考慮采用模塊方法。圖 2 顯示了可編程超聲電源電路的部分框圖。該LMZ34202 是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器模塊，其在上述參考設(shè)計(jì)用于調(diào)節(jié)正電壓軌，一個(gè)獨(dú)立的模塊，LMZ34002，用于負(fù)電壓軌，VEE集成輸出電感器。這是一個(gè)完全可以接受的設(shè)計(jì)。但是，如果設(shè)計(jì)師想要進(jìn)一步簡(jiǎn)化 BOM 和布局過(guò)程，他或她可以使用具有更高額定電流的設(shè)備，例如TPSM53604. 該降壓電源模塊具有更高的 4A 額定電流，使其能夠調(diào)節(jié) 5V 和 -5V 電壓軌。

圖 2：三個(gè)獨(dú)立的電源軌。兩個(gè)用LMZ34202調(diào)節(jié)，一個(gè)用LMZ34002 調(diào)節(jié)。

4.確保高效率和功率密度

醫(yī)療行業(yè)繼續(xù)推動(dòng)超聲波技術(shù)的普及，讓它們更便攜。對(duì)于便攜式超聲波和智能探頭等電池供電系統(tǒng)，降壓穩(wěn)壓器在所有工作條件下的效率對(duì)于最大限度地延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。便攜式應(yīng)用程序還面臨空間有限的挑戰(zhàn)。盡管這些是固定式超聲波的寶貴功能，但為了提高系統(tǒng)的便攜性，請(qǐng)考慮選擇具有以下功能的降壓穩(wěn)壓器：

· 首選工作開(kāi)關(guān)頻率下的高效率。

· 低靜態(tài)電流可減少空載和輕載條件下的電池消耗。

· 高功率密度以節(jié)省空間。

當(dāng)然，在使用需要額外濾波以最小化噪聲的開(kāi)關(guān)電源時(shí)，可能難以實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。在這種情況下，您可能會(huì)選擇使用專門(mén)的 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，例如低噪聲和低紋波TPS62912或TPS62913 ，它們提供出色的效率和外部時(shí)鐘同步，并使用集成鐵氧體磁珠濾波器補(bǔ)償濾除高頻噪聲。

5.結(jié)論

在設(shè)計(jì)用于超聲的 DC/DC 電源時(shí)，請(qǐng)考慮系統(tǒng)的獨(dú)特需求。與外部時(shí)鐘同步的能力對(duì)于有效減少和控制超聲頻帶中的諧波至關(guān)重要。具有寬輸入電壓、寬輸出電壓和可接受的電流限制的降壓穩(wěn)壓器將使您能夠擴(kuò)展您的解決方案并優(yōu)化您的 BOM。最后，在為便攜式應(yīng)用選擇降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)考慮高功率密度、高效率和低靜態(tài)電流等特性，以最大限度地提高效率。