DC 레일 잡음을 최소화하고 초음파 이미지 품질을 향상하기 위한 올바른 전원 공급 장치 조정기 선택

잡음은 의료 및 기타 초음파 시스템에서 성능을 저해하는 요소 중 하나입니다. 물론 '잡음'이라는 단순한 용어는 여러 유형의 의미를 가집니다. 의료 및 환자 상황에 내재된 잡음도 있고, 본질적으로 전자적인 잡음도 있습니다. 환자가 유발하는 주된 잡음을 '스페클 잡음'라고 하며, 이는 주로 환자의 조직과 기관의 비균일성(비균질성)으로 인해 발생합니다. 회로 설계자는 환자가 유발하는 잡음에 대해서는 할 수 있는 일이 거의 없지만, 전자 장치로 인한 다양한 잡음의 출처와 유형을 최소화하기 위해서는 많은 일을 할 수 있습니다.

이러한 잠재적 잡음의 출처 중에는 DC/DC 조정기가 있습니다. 설계자는 잡음을 최소화하기 위해 효율성이 꾸준히 향상되고 있는 작고 잡음이 적은 LDO(저드롭아웃) 조정기를 사용할 수 있습니다. 하지만 이러한 LDO조차도 열 관리 문제와 관련된 전력 낭비를 초래할 수 있습니다. 스위칭 조정기는 LDO에 비해 열, 전력 효율적인 대안이 되지만, 대신 이 장치는 클록과 스위칭 특성으로 인해 높은 잡음이 발생합니다. 이 장치를 최대한 활용하려면 설계자는 이러한 잡음을 완화해야 합니다.

최근 전력 변환 토폴로지 설계의 혁신으로 이러한 잡음이 감소하여 잡음-효율 균형의 트레이드 오프에 변화가 생겼습니다. 예를 들어 고전력 모놀리식 스위칭 조정기는 저잡음 DC 레일, 고효율, 최소한의 공간 요구 사항으로 디지털 IC에 효율적으로 전력을 공급할 수 있습니다.

이 기사에서는 초음파의 당면 과제에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices의 초소형 Silent Switcher IC 제품군을 소개하고, LT8625S를 중점직인 예로 들어 이러한 혁신적인 스위칭 조정기가 고성능 초음파 이미징에 필요한 한 자릿수 전압, 10암페어(A) 미만 범위 부하에 대한 다양한 요건을 어떻게 충족하는지 보여줍니다. 폭넓은 제품군이 있음을 보여주기 위해 다른 Silent Switcher IC 예제가 제공됩니다.

초음파가 갖는 고유의 신호 경로 문제

초음파 이미징의 작동 원리는 간단하지만 고성능 이미징 시스템을 개발하려면 뛰어난 설계 전문 지식과 많은 특수한 부품, 까다로운 세부 사항에 대한 주의가 필요합니다(그림 1).

그림 1: 초음파 이미징 시스템의 개괄적인 제품 구성도는 간단한 물리학 원리에 기반한 시스템 구현의 복잡성을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이미징 시스템은 음향 파면을 생성하기 위해 펄스가 발생하는 압전 트랜스듀서 어레이를 사용합니다. 대다수의 새로운 시스템에는 최대 256개의 트랜스듀서 소자가 있으며, 각 소자는 독립적으로 제어되어야 합니다. 전송 주파수 범위는 2MHz ~ 20MHz입니다.

가변 지연을 사용하여 어레이에서 트랜스듀서의 상대적인 타이밍을 조정함으로써 방출된 펄스를 빔포밍하여 특정 위치를 조준할 수 있습니다. 주파수가 높을수록 공간의 해상도는 좋지만 투과력이 상대적으로 떨어져 이미지 품질이 저하됩니다. 대부분의 시스템은 최적의 절충안으로 약 5MHz를 사용합니다.

펄스가 방출되면 시스템은 수신 모드로 전환하고 음파 에너지가 서로 다른 유형의 조직 또는 기관 사이의 경계와 같은 임피던스 장벽에 부딪힐 때마다 생성되는 음향 펄스의 에코를 포착합니다. 에코가 처음 전송된 시점을 기준으로 에코가 다시 되돌아오는 시간 지연에 따라 이미지 정보가 제공됩니다.

초음파 신호는 조직을 두 번(순방향 경로에 대해 한 번, 반사 에코에 대해 한 번) 통과할 때 불가피하게 감쇠되므로 수신된 신호 레벨은 넓은 작동 범위에 걸쳐 있습니다. 그 작동 범위는 최대 1볼트에서 최저 수 마이크로볼트에 달하며, 이는 약 120데시벨(dB)의 범위입니다.

10MHz 초음파 신호로 5cm 깊이를 침투하는 경우, 왕복 신호가 100dB 감쇠됩니다. 따라서 어느 위치에서든 약 60dB의 즉각적인 작동 범위를 처리하려면 필요한 작동 범위는 160dB(1억 대 1의 전압 작동 범위)이 되어야 합니다.

넓은 작동 범위, 낮은 레벨 신호 및 부적합한 신호 대 잡음비(SNR)에 대해 대처하는 가장 쉬운 해결책은 방출되는 트랜스듀서 출력을 높이는 것일 수 있습니다. 하지만 이로 인해 발생하는 명백한 전력 수요 외에도, 환자의 피부와 접촉하는 초음파 프로브의 온도에 대한 엄격한 제한이 있습니다. 허용되는 최대 트랜스듀서 표면 온도는 IEC 표준 60601-2-37(Rev 2007)에 트랜스듀서가 공기 중으로 전송되는 경우 50°C이며, 적절하게 인체에 해당하는 조직을 투과하는 경우 43°C로 명시되어 있습니다.

이 후자의 제한 온도는 인체 피부(통상적으로 33°C)가 최대 10°C만큼 더 가열될 수 있음을 의미합니다. 따라서 음향 전력을 제한해야 할 뿐만 아니라 DC/DC 조정기를 포함한 관련 전자 장치의 방열도 최소화해야 합니다.

비교적 일정한 신호 레벨을 유지하고 SNR을 최대화하기 위해 시간 이득 보상(TGC)이라는 특수한 형태의 자동 이득 제어(AGC)가 사용됩니다. TGC 증폭기는 수신기가 리턴 펄스를 대기 중인 시간에 따라 결정되는 지수 인자를 사용하여 신호를 증폭함으로써 지수 신호 감쇠를 보상합니다.

그림 2와 같이 다양한 유형의 초음파 진단기 모드가 있습니다.

• 그레이 스케일은 기본 흑백 이미지를 생성합니다. 1밀리미터(mm)만큼의 작은 허상도 표시할 수 있습니다.
• 도플러 모드는 되돌아오는 신호의 주파수 변화를 추적하고 이를 허위 색상으로 표시하여 움직이는 물체의 속도를 감지합니다. 이는 신체 내에서 흐르는 혈액이나 기타 체액을 검사하는 데 사용됩니다. 도플러 모드는 신체에 지속파를 전송하고 반환 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)해야 합니다.

그림 2: 경동맥 분기부 레벨에서 두 개외 경동맥의 그레이 스케일(A) 및 컬러 도플러(B) 모습. ECA의 분기(별표, 각 이미지의 왼쪽 아래)는 컬러 도플러 이미징에서 가장 잘 보입니다. (CCA: 총경동맥, ICA: 내경동맥, ECA: 외경동맥(ECA). (이미지 출처: 북미 방사선 클리닉)

• 정맥 및 동맥 모드는 그레이 스케일 모드와 함께 도플러를 사용합니다. 동맥 및 정맥 혈류를 자세히 보여주는 데 사용됩니다.

단순화된 제품 구성도에는 몇 가지 주요 부품이 생략되어 있으며, 더 자세한 구성도에는 추가 기능이 표시되어 있습니다(그림 3).

그림 3: 최신 초음파 시스템의 보다 세밀한 제품 구성도는 그 복잡성과 설계에 내장된 많은 디지털 기능을 더욱 분명하게 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

첫째, 전원 공급 장치 기능이 있습니다. 시스템이 AC 라인이든 배터리 전원이든 관계없이 다양한 레일 전압을 개발하려면 여러 개의 DC/DC 조정기가 필요합니다. 이러한 전압 범위는 일부 기능의 경우 몇 볼트부터 압전 트랜스듀서의 경우 훨씬 더 높은 전압까지 다양합니다.

또한 최신 초음파 시스템은 전송 및 수신 경로를 위한 아날로그 프런트 엔드를 제외하고 대부분 디지털이므로, 이러한 시스템은 디지털로 제어되는 빔포밍 및 기타 기능을 구현하기 위해 FPGA를 포함하고 있습니다. 이러한 FPGA는 최대 10A 범위의 비교적 많은 양의 전류가 필요합니다.

성능을 제한하는 요소로 작용하는 잡음

대부분의 데이터 획득 시스템과 마찬가지로 잡음도 의료용 초음파 시스템의 성능을 저해하는 요인 중 하나입니다. 환자가 유발하는 스펙클 잡음 외에도 다양한 유형의 전자 회로 및 부품 잡음이 있습니다.

• 가우시안 잡음은 통계적으로 무작위적인 '백색' 잡음으로, 이는 주로 열 변동 또는 능동 및 수동 부품의 전자 회로 잡음으로 인해 발생합니다.
• 샷(포아송) 잡음은 전하의 이산 소자 특성으로 인해 발생합니다.
• 소금과 후추 잡음이라고도 알려진 임펄스 잡음은 디지털 영상에서 간혹 볼 수 있습니다. 이는 이미지 신호의 날카롭고 갑작스러운 교란으로 인해 발생할 수 있으며, 흰색과 검은색 픽셀이 간헐적으로 발생하는 것처럼 보이기 때문에 위와 같은 비공식적인 이름으로 불립니다.

이러한 잡음의 출처는 이미지 해상도와 품질에 영향을 미칩니다. 이러한 잡음은 저잡음 증폭기 및 저항기와 같은 전자 부품과 최적의 아날로그 및 디지털 필터를 선택하면 최소화됩니다. 또한 정교한 이미지 및 신호 처리 알고리즘을 통해 후처리 과정에서 일부 잡음이 최소화될 수 있습니다.

조정기 잡음이 핵심 요소

해결해야 할 잡음 관련 문제가 또 하나 있는데, 바로 FPGA 및 ASIC과 같은 디지털 IC에 주로 전력을 공급하는 강압(벅) DC/DC 조정기에서 발생하는 스위칭 잡음입니다. 문제는 파워 레일 및 기타 전도체를 통한 전도뿐 아니라 전자기(EM) 복사를 통해 민감한 아날로그 신호 처리 회로망에도 스위칭 잡음이 영향을 미친다는 것입니다.

설계자는 페라이트 비드, 신중한 레이아웃 및 전력 레일 필터링을 사용하여 이러한 잡음을 최소화하려고 시도하지만, 이러한 노력은 부품의 수를 늘리고 인쇄 회로(PC) 기판 공간을 늘려서 부분적으로만 성공하는 경우가 많습니다.

일반적으로 DC/DC 조정기에서 생성되는 잡음을 최소화하려는 설계자는 자체적으로 잡음 출력이 낮지만 효율이 상대적으로 약 50%로 떨어지는 LDO를 선택할 수 있습니다. 대안으로는 효율이 약 90% 이상이지만 스위칭 클록으로 인해 출력에서 ​​밀리볼트 정도의 임펄스 잡음이 있는 스위칭 조정기를 사용하는 방법이 있습니다

연속적으로 트레이드 오프가 발생하는 대부분의 엔지니어링 결정 문제와는 달리, DC/DC 조정기의 상황에서는 저효율 저잡음이거나 고효율 고잡음 중 한 쪽만을 선택해야 합니다. 효율성을 약간 높이는 대신 LDO에서 20% 더 높은 잡음을 수용하는 것과 같은 타협은 없습니다.

LDO의 고유하게 낮은 잡음은 다른 요인에 의해 손상될 수 있습니다. 보다 높은 전류 수준에 비해 상대적으로 큰 크기 때문에(주로 열 문제로 인해) 부하에서 멀리 떨어진 곳에 배치해야 하는 경우가 많습니다. 이로 인해 LDO 출력 레일은 시스템의 디지털 부품에서 방사된 잡음을 포착하여 민감한 아날로그 회로망의 깨끗한 레일을 손상할 수 있습니다.

열 관리 문제로 인한 LDO 배치에 대한 한 가지 해결책은 PC 기판의 측면이나 모서리에 위치하는 단일 조정기를 사용하는 방법입니다. 이렇게 하면 LDO 손실 문제를 관리하는 데 도움이 되고 DC/DC 시스템 수준 아키텍처를 간소화할 수 있습니다. 하지만 간단하게 들리는 이 솔루션에는 많은 문제가 있습니다.

• 거리와 높은 전류 레벨로 인해 조정기와 부하 사이의 불가피한 IR 강하(ΔV 강하 = 부하 전류(I) × 트레이스 저항(R))는 부하에서 전압이 공칭 LDO 출력 값이 아니며 부하마다 다를 수도 있음을 뜻합니다. PC 기판 트레이스 너비 또는 두께를 늘리거나 스탠드업 버스바를 사용하면 이 감소를 최소화할 수 있지만, 그러면 귀중한 기판 공간을 차지하고 부품 명세서(BOM)에 품목이 추가됩니다.
• 원격 감지를 사용하여 부하에서 전압을 모니터링할 수 있지만 이는 이 방법은 분산되지 않은 단일 지점 부하에만 적용됩니다. 또한 더 긴 공급 레일과 감지 리드의 유도 용량이 조정기의 과도 성능에 영향을 줄 수 있으므로 원격 감지 리드는 DC 레일 발진의 원인으로 작용할 수 있습니다.
• 마지막으로 관리하기 가장 어려운 문제는 전원 레일이 길수록 EMI(전자파 장해) 또는 RFI(무선 주파수 전파 방해) 잡음 픽업이 더 많이 발생한다는 것입니다.

일반적으로 추가 바이패스 커패시터, 인라인 페라이트 비드 및 기타 조치를 통해 EMI/RFI 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 문제는 지속되는 경우가 많습니다. 또한 이러한 잡음은 그 크기와 빈도에 따라 잡음 배출에 대한 다양한 규제 요건을 충족해야 하는 과제가 추가됩니다.

Silent Switcher 조정기가 트레이드 오프 문제 해결

일반적으로 더 나은 대체 솔루션은 개별 DC/DC 조정기를 부하 IC에 최대한 가깝게 배치하여 사용하는 것입니다. 그러면 IR 강하, PC 기판 실장 면적, 레일 잡음 픽업, 방사가 최소화됩니다. 하지만 이 접근 방식이 실행 가능하려면 부하 옆에 배치될 수 있으면서 현재 요구 사항을 모두 충족할 수 있는 작고 효율적인 저잡음 조정기가 필요합니다.

이 경우 Analog Devices의 다양한 Silent Switcher 조정기가 해결책이 될 수 있습니다. 이 조정기는 몇 암페어에서 10A까지의 전류 레벨에서 한 자릿수 전압 출력을 제공할 뿐만 아니라 다양한 설계 혁신을 통해 달성한 매우 낮은 잡음으로 작동합니다.

이러한 조정기는 LDO의 저잡음 특성과 스위칭 조정기의 고효율성 중간에 있는 '타협점'이나 트레이드 오프가 아닙니다. 이 대신 엔지니어는 혁신적인 설계를 통해 잡음 수준이 매우 낮고 LDO에 가까운 스위칭 조정기의 고효율성 이점을 최대한 활용할 수 있습니다. 이는 실제로 설계자가 잡음과 효율성이라는 두 가지 특성을 모두 최대한 활용할 수 있도록 해줍니다.

이러한 조정기는 LDO와 스위칭 조정기의 격차에 대한 기존의 통념을 뒤집습니다. Silent Switcher 1(1세대), Silent Switcher 2(2세대) 및 Silent Switcher 3(3세대) 장치를 통해 제공됩니다. 이러한 장치의 설계자는 다양한 잡음 출처를 식별하고 각 잡음을 감쇠시키는 방법을 고안했으며, 이후 세대를 거듭할 때마다 더욱 개선된 결과를 얻었습니다(그림 4).

그림 4: Silent Switcher DC/DC 조정기는 3세대에 걸쳐 있으며 각 후속 세대는 이전 세대의 성능을 기반으로 기능이 향상되었습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Silent Switcher 1 장치는 EMI가 낮고 효율성과 스위칭 주파수가 높아서 시스템 작동을 방해하거나 규제 문제가 있는 스펙트럼 부분에서 나머지 잡음의 대부분을 제거할 수 있다는 이점이 있습니다. Silent Switcher 2 장치는 Silent Switcher 1 기술의 모든 기능과 통합 정밀 커패시터를 포함하고, 실장 면적이 작으며, PC 기판 레이아웃에 대한 민감성을 제거했다는 이점이 있습니다. 마지막으로 Silent Switcher 3 계열은 특히 초음파 응용 분야에서 중요한 10kHz ~ 100kHz의 냦은 주파수 대역에서 초저잡음 특성을 보여줍니다.

이 스위처는 몇 밀리미터에 불과한 소형의 정사각형 폼 팩터로 제공되고 본래 효율성이 탁월해 부하 FPGA 또는 ASIC에 매우 가깝게 배치할 수 있습니다. 이를 통해 성능을 극대화하고 규격서상 성능에 대한 실제 사용 환경에서의 불일치를 해소할 수 있습니다.

Silent Switcher 장치의 잡음과 열 특성에 대한 요약은 그림 5에 정리되어 있습니다.

그림 5: 이러한 조정기의 사용자는 Silent Switcher의 설계를 통해 잡음 및 열에 대한 실질적인 이득을 얻을 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Silent Switcher 매트릭스의 다양한 선택

Silent Switcher 조정기는 시스템 설계의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 전압 및 정격 전류가 다른 다양한 그룹, 버전 및 모델뿐 아니라 다양한 소형 패키지로도 제공됩니다(그림 6).

그림 6: Silent Switcher 기술을 사용하는 수많은 장치는 여러 종류의 전압, 전류, 잡음 및 기타 다양한 특성의 조합을 제공됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

1세대 및 2세대 장치에는 다음과 같은 3A , 4A , 6A 및 10A 출력을 지원하는 5V 장치가 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.

• LTC3307: 5V, 3A 동기식 강압 Silent Switcher, 2mm × 2mm LQFN 패키지
• LTC3308A: 5V, 4A 동기식 강압 Silent Switcher, 2mm × 2mm LQFN 패키지
• LTC3309A: 5V, 6A 동기식 강압 Silent Switcher, 2mm × 2mm LQFN 패키지
• LTC3310: 5V, 10A 동기식 강압 Silent Switcher 2, 3mm × 3mm LQFN 패키지

위의 제품군은 각각 여러 버전으로 제공됩니다. 예를 들어, LTC3310은 AEC-Q100 자동차 인증을 받은 버전을 포함하여 4가지 기본 버전으로 제공됩니다. 1세대(SS1) 장치인 LTC3310 및 LTC3310-1과 2세대(SS2) 장치인 LTC3310S 및 LTC3310S-1은 모두 가변 및 고정 출력 장치로 제공됩니다.

3세대 장치인 LT8625S를 자세히 살펴보면 2.7V ~ 18V 입력, 8A 출력 장치의 뛰어난 저잡음 성능이 강조되는 Silent Switcher 3 설계의 특징을 잘 보여줍니다(그림 7).

그림 7: LT8625S에는 몇 가지 일반적인 외부 부품만 필요합니다(표시된 것은 4A 형제 제품으로, 일부 외부 부품을 제외하고는 동일한 LTC8624S임). (이미지 출처: Analog Devices)

LT8625S 특징은 다음과 같습니다.

• 고이득 오차 증폭기로 구현되는 초고속 과도 응답
• 15나노초(ns)에 불과한 빠른 최소 스위치 온타임
• 온도에 대해 ±0.8% 오차 수준의 정밀한 레퍼런스
• 더 높은 총 전류 출력을 위해 최대 12개 위상을 지원하는 PolyPhase 작동
• 300kHz ~ 4MHz의 조정 및 동기화 가능한 클록
• 프로그래밍 가능한 전력 양호 표시기
• 20리드 4mm × 3mm(LT8625SP) 또는 24리드 4mm × 4mm LQFN(LT8625SP-1) 패키지로 제공

잡음 성능 사양을 통해 이 제품이 초음파 응용 분야에 특히 적합한 이유를 보여줍니다(그림 8).

• 초저 RMS(제곱 평균 제곱근) 잡음(10Hz ~ 100kHz): 4마이크로볼트 RMS(μV_RMS)
• 초저 스폿 잡음: 10kHz에서 루트 Hz당 4나노볼트(nV/√Hz)
• 모든 PC 기판에서 초저 EMI 방출
• 내부 바이패스 커패시터가 방사성 EMI를 감소시킴

그림 8: 그래프는 LT8625S의 저주파(왼쪽) 및 광대역(오른쪽) 잡음 스펙트럼 밀도가 모두 최소임을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

전체 부하 범위에 걸쳐 고효율, 낮은 전력 손실의 장점과 더불어 이러한 저잡음의 장점까지 제공됩니다(그림 9).

그림 9: LT8625S의 높은 작동 효율과 낮은 열 영향은 시스템 설계의 어려움을 덜어줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

20리드 LT8625S를 사용하는 설계는 함께 제공되는 DC3219A 데모 회로/평가 기판의 출시로 설계가 더 빨라졌습니다(그림 10). 기판의 기본 설정은 8A 최대 DC 출력 전류에서 1.0볼트입니다. 사용자는 필요에 따라 전압 설정을 변경할 수 있습니다.

그림 10: DC3291A 평가 기판은 LT8625S를 지원하여 탐색 및 설계 속도를 높일 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

초음파 이미징 시스템은 꼭 필요하며 안전한 의료용 진단 도구입니다. 필요한 이미지 선명도, 해상도 및 기타 성능 지표를 달성하려면 수신된 신호가 넓은 작동 범위와 함께 매우 약한 수준일 수 있다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 이를 위해서 엔지니어는 저잡음 부품을 선택하고, 신중한 설계 기법을 채택하며, DC 전력 레일이 가능한 한 저잡음인지 확인해야 합니다.

Analog Devices의 Silent Switcher 제품군은 스위칭 DC/DC 조정기 고유의 고효율 특성을 제공하는 동시에 효율이 훨씬 낮은 LDO와 비슷한 잡음 수준을 가지고 있습니다. 또한 크기가 몇 밀리미터에 불과하고 정사각형 모양이므로 지원하는 부하에 가깝게 배치할 수 있어 방사형 회로 잡음이 발생할 가능성을 최소화할 수 있습니다.