El regulador de alimentación adecuado puede minimizar el ruido del riel de CC y mejorar la calidad de las imágenes de ultrasonidos

El ruido es un factor que limita el rendimiento de los sistemas de ultrasonidos de uso médico y de otro tipo. Por supuesto, el simple término "ruido" se refiere a muchos tipos distintos, algunos de los cuales son inherentes al uso médico y a la situación del paciente, mientras que otros son de naturaleza electrónica. El ruido dominante inducido por el paciente se denomina "ruido de moteado" y se debe en gran medida a la falta de uniformidad (no homogeneidad) de los tejidos y órganos del paciente. Los diseñadores de circuitos pueden hacer poco contra el ruido inducido por el paciente, pero sí pueden hacer mucho para minimizar las diversas fuentes y tipos de ruido debidos a la electrónica.

Entre estas posibles fuentes de ruido se encuentran los reguladores CC/CC. Para minimizar el ruido, los diseñadores pueden utilizar reguladores de caída baja (LDO) pequeños y silenciosos que siguen mejorando su eficiencia. Incluso estos LDO pueden provocar a menudo un derroche de energía con los consiguientes problemas de gestión térmica. La alternativa eficaz al LDO es el regulador de conmutación, pero estos dispositivos tienen un ruido elevado debido a su naturaleza de conmutación. Es necesario mitigar este ruido para que los diseñadores puedan sacar el máximo partido de estos dispositivos.

Las recientes innovaciones en el diseño de topologías de conversión de potencia han reducido ese ruido, lo que ha dado lugar a un cambio en el equilibrio entre ruido y eficiencia. Por ejemplo, los reguladores de conmutación monolíticos de alta potencia pueden alimentar eficazmente CI digitales con rieles de CC de bajo ruido, alta eficiencia y requisitos de espacio mínimos.

Este artículo analiza brevemente los retos que plantean los ultrasonidos. A continuación, presenta las diminutas familias de CI Silent Switcher de Analog Devices y utiliza el LT8625S como ejemplo destacado para mostrar cómo estos innovadores reguladores de conmutación cumplen los múltiples objetivos para cargas en el rango de voltajes de un solo dígito y por debajo de los 10 amperios (A) necesarios para la obtención de imágenes por ultrasonidos de alto rendimiento. Se proporcionan otros ejemplos de CI Silent Switcher para mostrar la amplitud de la familia.

Los ultrasonidos plantean problemas específicos en cuanto a la trayectoria de la señal

El principio de funcionamiento de las imágenes ultrasónicas es sencillo, pero desarrollar un sistema de imágenes de alto rendimiento requiere una considerable experiencia en el diseño, muchos componentes especializados y atención a los detalles más sutiles (Figura 1).

Figura 1: Un diagrama de bloques de alto nivel de un sistema de imágenes por ultrasonidos da una idea de la complejidad de implantar un sistema basado en un principio físico simple. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El sistema de imágenes utiliza una matriz de transductores piezoeléctricos que se activan por impulsos para producir un frente de onda acústico. Muchos sistemas nuevos tienen hasta 256 elementos transductores de este tipo, cada uno de los cuales debe controlarse de forma independiente. Las frecuencias transmitidas oscilan entre 2 y 20 megahercios (MHz).

Ajustando la temporización relativa de los transductores de la matriz mediante retardos variables, los impulsos emitidos pueden formarse en haz y dirigirse a lugares específicos. Las frecuencias más altas proporcionan una buena resolución espacial pero tienen una capacidad de penetración relativamente pobre, lo que se traduce en una calidad de imagen degradada. La mayoría de los sistemas utilizan alrededor de 5 MHz como compromiso óptimo.

Una vez emitido el pulso, el sistema pasa al modo de recepción y capta los ecos del pulso acústico, que se crean siempre que la energía de las ondas acústicas choca con una barrera de impedancia, como en el límite entre distintos tipos de tejidos u órganos. El retardo con el que los ecos llegan de vuelta respecto al momento en que se envían proporciona la información de la imagen.

Debido a la inevitable atenuación de la señal de ultrasonidos al atravesar el tejido dos veces -una para la trayectoria de avance y otra para el eco de Devolución-, el nivel de la señal recibida abarca un amplio rango dinámico. Puede ser desde un voltio hasta unos pocos microvoltios, es decir, unos 120 decibelios (dB).

Obsérvese que para una señal de ultrasonidos de 10 MHz y una profundidad de penetración de 5 centímetros (cm), la señal de ida y vuelta se atenúa en 100 dB. Por lo tanto, para manejar un rango dinámico instantáneo de unos 60 dB en cualquier ubicación, el rango dinámico necesario sería de 160 dB (un rango dinámico de voltaje de 100 millones a 1).

Puede parecer que la solución más sencilla para tratar con un amplio rango dinámico, señales de bajo nivel y una relación señal/ruido (SNR) inadecuada es simplemente aumentar la potencia del transductor emitido. Sin embargo, además de las evidentes demandas de potencia que esto impone, existen límites estrictos en cuanto a la temperatura de la sonda ultrasónica que está en contacto con la piel del paciente. Las temperaturas máximas permitidas de la superficie del transductor se especifican en la norma IEC 60601-2-37 (Rev 2007) en 50 °C cuando el transductor transmite al aire y 43 °C cuando transmite a un maniquí adecuado de cuerpo humano.

Este último límite implica que la piel (normalmente a 33 °C) puede calentarse 10 °C como máximo. Por tanto, no solo hay que limitar la potencia acústica, sino también minimizar la disipación de los componentes electrónicos asociados, incluidos los reguladores CC/CC.

Para mantener un nivel de señal relativamente constante y maximizar la SNR, se utiliza una forma especial de control de ganancia automático (AGC) denominada compensación de ganancia en el tiempo (TGC). El amplificador TGC compensa el decaimiento exponencial de la señal amplificándola mediante un factor exponencial que viene determinado por el tiempo que el receptor ha estado esperando el impulso de retorno.

Tenga en cuenta que existen diferentes tipos de modos de imagen por ultrasonidos, como se muestra en la (Figura 2):

• La escala de grises produce una imagen básica en blanco y negro. Puede resolver artefactos tan pequeños como un milímetro (mm).
• Los modos Doppler detectan la velocidad de un objeto en movimiento rastreando el desplazamiento de frecuencia de la señal de retorno y mostrándola en falso color. Se utiliza para examinar la sangre u otros fluidos que circulan por el organismo. El modo Doppler requiere transmitir una onda continua al cuerpo y producir una transformación rápida de Fourier (FFT) de la señal de retorno.

Figura 2: Aspecto en escala de grises (A) y Doppler color (B) de las arterias carótidas extracraneales a nivel de la bifurcación carotídea. Obsérvese que las ramas del TCE (asterisco, abajo a la izquierda de cada imagen) se ven mejor en las imágenes Doppler en color. (CCA: arteria carótida común; ICA: arteria carótida interna y ECA: arteria carótida externa (ECA). (Fuente de la imagen: Radiologic Clinics of North America)

• Los modos venoso y arterial utilizan Doppler junto con el modo de escala de grises. Se utilizan para mostrar en detalle el flujo sanguíneo arterial y venoso.

El diagrama de bloques simplificado deja fuera algunos componentes clave, mientras que un diagrama más detallado revela funciones adicionales (Figura 3).

Figura 3: Un diagrama de bloques más detallado de un sistema de ultrasonidos moderno hace más evidente su complejidad, así como las numerosas funciones digitales integradas en el diseño. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En primer lugar, está la función de fuente de alimentación. Tanto si el sistema está alimentado por línea de CA como por batería, necesita múltiples reguladores CC/CC para desarrollar los distintos voltajes de los rieles. Estos voltajes van desde unos pocos voltios para algunas funciones hasta voltajes mucho más altos para los transductores piezoeléctricos.

Además, dado que los sistemas de ultrasonidos modernos son en gran medida digitales, salvo sus front-end analógicos para las rutas de transmisión y recepción, incluyen FPGA para implementar la formación de haces controlada digitalmente y otras funciones. Estas FPGA requieren una cantidad de corriente relativamente importante, de hasta 10 A.

Rendimiento de los límites de ruido

Como ocurre con la mayoría de los sistemas de adquisición de datos, el ruido también es uno de los factores que limitan el rendimiento de los sistemas de ultrasonidos de uso médico. Además del ruido de moteado inducido por el paciente, existen varios tipos de ruido de circuitos y componentes electrónicos:

• El ruido gaussiano es un ruido "blanco" estadísticamente aleatorio que se debe en gran medida a las fluctuaciones térmicas o al ruido de los circuitos electrónicos de componentes activos y pasivos.
• El ruido de disparo (Poisson) se debe a la naturaleza discreta de las cargas eléctricas.
• El ruido de impulsos, a veces llamado ruido de sal y pimienta, se observa a veces en las imágenes digitales. Puede deberse a perturbaciones bruscas y repentinas en la señal de la imagen y se observa en forma de píxeles blancos y negros dispersos, de ahí su nombre informal.

Estas fuentes de ruido afectan a la resolución y la calidad de la imagen. Se reducen al mínimo mediante la elección adecuada de componentes electrónicos, como amplificadores de bajo ruido y resistencias, así como filtros analógicos y digitales apropiados. Además, parte del ruido puede minimizarse en el postprocesado mediante sofisticados algoritmos de procesamiento de imágenes y señales.

El ruido de los reguladores: un factor clave

También hay un problema relacionado con el ruido que debe abordarse: el ruido de conmutación de los reguladores CC/CC reductores (buck) que suministran alimentación principalmente a CI digitales, como FPGA y ASIC. El problema es que también afectan a los circuitos sensibles de procesamiento de señales analógicas a través de la radiación electromagnética (EM), así como a la conducción a través de los rieles de alimentación y otros conductores.

Los diseñadores intentan minimizar este ruido mediante perlas de ferrita, diseños cuidadosos y filtrado de los rieles de alimentación, pero estos esfuerzos aumentan el número de componentes, incrementan el espacio ocupado por la placa de circuito impreso (PC) y, a menudo, solo tienen un éxito parcial.

Tradicionalmente, los diseñadores que se esfuerzan por minimizar el ruido creado por los reguladores CC/CC pueden elegir un LDO con su salida inherentemente de bajo ruido, pero con una eficiencia relativamente pobre de alrededor del 50%. La alternativa es utilizar un regulador de conmutación con un rendimiento en torno al 90% o superior, pero con ruido de impulsos en la salida del orden de milivoltios debido al reloj de conmutación.

A diferencia de la mayoría de las decisiones de ingeniería, en las que hay compensaciones a lo largo de un continuo, la situación de los reguladores CC/CC exige elegir un lado u otro: poco ruido con poca eficiencia frente a mucho ruido con alta eficiencia. No hay compromisos, como aceptar un 20% más de ruido en un LDO a cambio de un modesto aumento de su eficiencia.

El bajo ruido inherente del LDO puede verse comprometido por otro factor. Debido a su tamaño relativamente grande para niveles de corriente más altos -principalmente por cuestiones térmicas-, a menudo debe colocarse a gran distancia de su carga. Esto ofrece una oportunidad para que el carril de salida del LDO capte ruido radiado de los componentes digitales del sistema, corrompiendo el carril limpio de los circuitos analógicos sensibles.

Una solución para la colocación de LDO debido a problemas de gestión térmica es utilizar un único regulador, situado a un lado o en una esquina de la placa de PC. Esto ayuda a gestionar los problemas de disipación de LDO y posiblemente simplifica la arquitectura del sistema CC/CC. Sin embargo, esta solución aparentemente sencilla tiene muchos problemas:

• La inevitable caída de IR entre el regulador y las cargas debido a la distancia y a los altos niveles de corriente (caída de ΔV = corriente de carga (I) × resistencia de traza (R)) significa que la tensión en las cargas no estará en el valor nominal de salida del LDO, e incluso puede ser diferente en cada carga. Esta caída puede minimizarse aumentando la anchura o el grosor de la traza de la placa de PC o empleando una barra colectora de pie, pero estas medidas ocupan un valioso espacio en la placa y aumentan la lista de materiales (BOM).
• La teledetección puede utilizarse para controlar el voltaje en la carga, pero solo funciona bien para una carga no dispersa de un solo punto. Además, los terminales de detección remota pueden contribuir a la oscilación del riel de CC, ya que la inductancia del riel de alimentación más largo y los terminales de detección pueden afectar al rendimiento transitorio del regulador.
• Por último, y si bien el problema suele ser más difícil de gestionar, los rieles de alimentación más largos también están sujetos a una mayor captación de ruido de interferencia electromagnética (EMI) o interferencia de radiofrecuencia (RFI).

Para superar el problema de EMI/RFI se suelen utilizar condensadores de derivación adicionales, perlas de ferrita en línea y otras medidas. Sin embargo, el problema suele ser persistente. Además, este ruido se suma al reto de cumplir los distintos mandatos normativos sobre emisiones sonoras en función de su magnitud y frecuencia.

Los reguladores de Silent Switcher resuelven el dilema de la compensación.

Una solución alternativa y normalmente mejor es utilizar reguladores CC/CC individuales situados lo más cerca posible de sus CI de carga. Esto minimiza la caída de IR, la huella de la placa de PC y la captación y radiación de ruido del riel. Sin embargo, para que este enfoque sea viable, es esencial contar con reguladores pequeños, eficientes y silenciosos que puedan colocarse junto a la carga y seguir cumpliendo todos sus requisitos actuales.

Aquí es donde los numerosos reguladores Silent Switcher de Analog Devices resuelven los problemas. Estos reguladores no solo proporcionan salidas de tensión de un solo dígito a niveles de corriente desde unos pocos amperios hasta 10 A, sino que lo hacen con un ruido extremadamente bajo, una hazaña lograda gracias a múltiples innovaciones de diseño.

Estos reguladores no son un "compromiso" o una compensación situada en algún punto entre los atributos de bajo ruido de los LDO y la eficiencia de los reguladores de conmutación. En cambio, su innovador diseño permite a los ingenieros obtener todas las ventajas de eficiencia de los conmutadores con niveles de ruido muy bajos y cercanos a los de un LDO. En efecto, permiten a los diseñadores tener lo mejor de ambos atributos en lo que se refiere a ruido y eficiencia.

Estos reguladores eliminan el pensamiento convencional de la brecha entre LDO y regulador de conmutación. Están disponibles en los dispositivos Silent Switcher 1 (primera generación), Silent Switcher 2 (segunda generación) y Silent Switcher 3 (tercera generación). Los diseñadores de estos dispositivos identificaron las distintas fuentes de ruido e idearon formas de atenuar cada una de ellas, y cada generación posterior ha aportado nuevas mejoras (Figura 4).

Figura 4: Los reguladores CC/CC Silent Switcher abarcan tres generaciones, cada una de las cuales mejora y amplía las prestaciones de su predecesora. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las ventajas de los dispositivos Silent Switcher 1 incluyen una baja EMI (interferencia electromagnética), una alta eficiencia y una elevada frecuencia de conmutación que aleja gran parte del ruido restante de las partes del espectro en las que interferiría con el funcionamiento del sistema o plantearía problemas de regulación. Las ventajas de Silent Switcher 2 incluyen todas las características de la tecnología Silent Switcher 1, además de condensadores de precisión integrados, una huella más pequeña y la eliminación de la sensibilidad al diseño de la placa de PC. Por último, la serie Silent Switcher 3 presenta características de ruido ultrabajo en la banda de baja frecuencia de 10 Hertz (Hz) a 100 kHz, especialmente crítica para aplicaciones de ultrasonidos.

Gracias a su minúsculo factor de forma de apenas unos milímetros cuadrados, junto con su eficiencia inherente, estos conmutadores pueden situarse muy cerca de la carga FPGA o ASIC. Esto maximiza el rendimiento y elimina las disparidades entre el rendimiento de la hoja de datos y la realidad en uso.

En la Figura 5 se presenta un resumen de los atributos térmicos y de ruido de los dispositivos Silent Switcher.

Figura 5: Los usuarios de estos reguladores obtienen ventajas tangibles en cuanto a ruido y temperatura gracias al diseño de los Silent Switcher. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Muchas opciones en la matriz de Silent Switcher

Los reguladores Silent Switcher están disponibles en muchos grupos, versiones y modelos con diferentes valores nominales de voltaje y corriente para satisfacer los requisitos específicos del diseño de un sistema, así como en una variedad de diminutos paquetes (Figura 6).

Figura 6: Los numerosos dispositivos que utilizan la tecnología Silent Switcher ofrecen muchas permutaciones de voltaje, corriente, ruido y otros atributos. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los dispositivos de primera y segunda generación incluyen, entre otros, unidades de 5 voltios con salidas de 3, 4, 6 y 10 A, como el:

• LTC3307: Silent Switcher reductor síncrono de 5 voltios y 3 A en un encapsulado LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: Silent Switcher reductor síncrono de 5 voltios y 4 A en un encapsulado LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: Silent Switcher reductor síncrono de 5 voltios y 6 A en un encapsulado LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310: Silent Switcher 2 reductor síncrono de 5 voltios y 10 A en un encapsulado LQFN de 3 mm × 3 mm

Cada una de ellas está disponible, a su vez, en varias versiones. Por ejemplo, el LTC3310 está disponible en cuatro versiones básicas, incluidas algunas que cuentan con la certificación AEC-Q100 para automoción. Tenga en cuenta que tanto los dispositivos de primera generación (SS1) -el LTC3310 y el LTC3310-1- como los de segunda generación (SS2) -el LTC3310S y el LTC3310S-1-están disponibles como dispositivos de salida fija y ajustable.

Un análisis más detallado de un dispositivo de tercera generación, el LT8625S, pone de relieve las características de los diseños Silent Switcher 3, subrayadas por el extraordinario bajo nivel de ruido de este dispositivo de 2,7 a 18 voltios de entrada y 8 A de salida (Figura 7).

Figura 7: El LT8625S solo requiere unos pocos componentes externos estándar (se muestra su hermano de 4 A, el LTC8624S, que es idéntico). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Características del LT8625S:

• Respuesta de transiente ultrarrápida gracias a su amplificador de error de alta ganancia.
• Tiempo mínimo de conexión del interruptor de solo 15 nanosegundos (ns)
• Una referencia de precisión con ±0.8% de desviación en función de la temperatura
• Funcionamiento polifásico que admite hasta 12 fases para una mayor salida de corriente agregada.
• Reloj ajustable y sincronizable de 300 kHz a 4 MHz
• Indicador programable del estado de la alimentación
• Disponible en un encapsulado LQFN de 20 terminales de 4 mm × 3 mm (LT8625SP) o de 24 terminales de 4 mm × 4 mm (LT8625SP-1)

Sus especificaciones de rendimiento acústico demuestran por qué es especialmente adecuado para aplicaciones de ultrasonidos (Figura 8):

• Ruido cuadrático medio (RMS) ultrabajo (10 Hz a 100 kHz): 4 microvoltios RMS (_μVRMS)
• Ruido puntual ultrabajo: 4 nanovoltios por raíz Hz (nV/√Hz) a 10 kHz
• Emisiones EMI (interferencia electromagnética) ultrabajas en cualquier placa de PC
• Los capacitores de derivación interna reducen la EMI radiada

Figura 8: Los gráficos muestran que tanto la densidad espectral de ruido de baja frecuencia (izquierda) como la de banda ancha (derecha) del LT8625S son mínimas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este bajo nivel de ruido se consigue junto con un alto rendimiento y una baja pérdida de potencia en todo el rango de carga (Figura 9).

Figura 9: La alta eficiencia operativa y el bajo impacto térmico del LT8625S facilitan el diseño del sistema. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El diseño con el LT8625S de 20 terminales se acelera con la disponibilidad de la placa de demostración/evaluación DC3219A (Figura 10). La configuración por defecto de la placa es de 1.0 voltios a una corriente de salida CC máxima de 8 A. El usuario puede cambiar el ajuste de voltaje según sus necesidades.

Figura 10: Para permitir la exploración y acelerar el diseño, la placa de evaluación DC3291A admite el LT8625S. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conclusión:

Los sistemas de imágenes por ultrasonidos son una herramienta de diagnóstico médico indispensable y sin riesgos. Para lograr la claridad de imagen, la resolución y otros parámetros de rendimiento requeridos, es fundamental reconocer que las señales recibidas pueden estar a niveles extremadamente bajos, con un amplio rango dinámico. Esto exige que los ingenieros elijan componentes de bajo ruido, empleen técnicas de diseño prudentes y se aseguren de que los rieles de alimentación de CC sean lo menos ruidosos posible.

La familia Silent Switcher de Analog Devices ofrece la alta eficiencia inherente de los reguladores de conmutación CC/CC y, al mismo tiempo, un nivel de ruido comparable al de los LDO mucho menos eficientes. Además, su reducido tamaño de apenas unos milímetros cuadrados permite colocarlos cerca de las cargas que soportan, minimizando la posibilidad de captar ruido radiado de los circuitos.