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

1、前言

從基于推車的超聲掃描儀到將圖像直接發(fā)送到智能手機的便攜式智能探頭，超聲成像領(lǐng)域不斷多樣化。盡管其設(shè)計在架構(gòu)上存在差異，但每個超聲系統(tǒng)都需要一個直流電源，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)壓器時的主要設(shè)計挑戰(zhàn)。

2.與外部時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)計開關(guān)模式電源時，降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率必須不干擾超聲頻帶。具有低開關(guān)頻率的降壓穩(wěn)壓器會將基頻和早期諧波頻率保持在超聲頻帶之外，但某些諧波仍會持續(xù)存在。通過將降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率與外部主時鐘同步，您可以控制、監(jiān)測和精確濾除超聲波頻帶之外的開關(guān)頻率及其諧波。

雖然我在談?wù)摳蓴_問題，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。即使過濾掉開關(guān)頻率及其諧波，降壓穩(wěn)壓器也會產(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，請考慮使用專門設(shè)計用于低 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)計功能（如外部頻率同步）之外，還集成了旁路電容器。要確認設(shè)備確實具有低 EMI，請檢查數(shù)據(jù)表的其他常見條件部分中是否包含來自輻射或傳導(dǎo) EMI 測試（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；藍色：平均信號；F SW = 400 kHz；V OUT = 5 V；I OUT = 5 A）

3.擴展到多個電源軌

可以處理多種電流和電壓要求（包括負電壓軌）的降壓穩(wěn)壓器可能非常有利。超聲系統(tǒng)通常有多個電源軌，每個電源軌都設(shè)計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將一個電源解決方案擴展到所有需要的電源軌（包括負輸出軌）。

利用一個設(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) 并簡化布局過程；如果這些好處對您很重要，請考慮采用模塊方法。圖 2 顯示了可編程超聲電源電路的部分框圖。該LMZ34202 是一個降壓轉(zhuǎn)換器模塊，其在上述參考設(shè)計用于調(diào)節(jié)正電壓軌，一個獨立的模塊，LMZ34002，用于負電壓軌，VEE集成輸出電感器。這是一個完全可以接受的設(shè)計。但是，如果設(shè)計師想要進一步簡化 BOM 和布局過程，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 2：三個獨立的電源軌。兩個用LMZ34202調(diào)節(jié)，一個用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)推動超聲波技術(shù)的普及，讓它們更便攜。對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于最大限度地延長電池壽命至關(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，請考慮選擇具有以下功能的降壓穩(wěn)壓器：

· 首選工作開關(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關(guān)電源時，可能難以實現(xiàn)高效率和高功率密度。在這種情況下，您可能會選擇使用專門的 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鐘同步，并使用集成鐵氧體磁珠濾波器補償濾除高頻噪聲。

5.結(jié)論

在設(shè)計用于超聲的 DC/DC 電源時，請考慮系統(tǒng)的獨特需求。與外部時鐘同步的能力對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，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。