使用高效MicroSiP電源模塊助力超聲波智能探頭小型化設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2020-09-16 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】近年來,隨著居民健康意識的提高,超聲檢測的需求越來越多。在傳統(tǒng)的超聲檢測場景下,待檢者須在醫(yī)院超聲機(jī)臺邊排隊(duì)等候。如果出現(xiàn)了待檢者難以抵達(dá)醫(yī)院或者超聲機(jī)臺資源緊張的情況,如何完成對待檢者的檢測就成了一個(gè)難以解決的痛點(diǎn)。超聲波智能探頭的出現(xiàn),重新構(gòu)建了新的超聲檢測場景。超聲波智能探頭的體積通常來說僅有手掌大小,醫(yī)生可直接攜帶智能探頭去待檢者的場景下進(jìn)行檢測,大大提高了超聲檢測設(shè)備在應(yīng)用中的靈活性。
在超聲智能探頭的設(shè)計(jì)中,整體電路的小型化和EMI性能是最為關(guān)鍵的考量點(diǎn),因此電源軌的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。TI是全球第一家成功使用了SiP(System-in-Package)電源模塊封裝技術(shù)并成功量產(chǎn)的公司。在MicroSiP封裝形式中,IC嵌入到基片中,所有的被動元器件(電容,電感)焊接在基片上。緊湊的封裝具備最小化體積的優(yōu)勢外,同時(shí)也使得開關(guān)電源的電流和電壓環(huán)路最小化,提高了整體電源模塊的EMI性能。
圖1是一個(gè)典型的應(yīng)用于電池供電的超聲波智能探頭的整體解決方案。電池供電的方案由于其便攜性逐漸成為智能探頭的主流。
圖 1超聲波智能探頭解決方案
本文主要討論超聲波智能探頭解決方案中TI的產(chǎn)品。
超聲波智能探頭的主信號鏈路由32通道的發(fā)射端芯片TX7332和32通道的接收端芯片接收端芯片AFE5832LP組成,根據(jù)設(shè)備探頭基元通道數(shù)的不同,可以增加發(fā)射端和接收端芯片的數(shù)量,或者用高壓開關(guān)進(jìn)行通道數(shù)的拓展。
TX7332集成了32通道的pulser電路,可以產(chǎn)生3電平的高壓脈沖(最高可達(dá)±100V),每通道的輸出電流可以從0.3A到1.2A自由配置。同時(shí)TX7332集成了T/R開關(guān),在發(fā)送高壓脈沖時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)以保護(hù)低壓端的接收電路,在需要接收反射回來的信號時(shí)導(dǎo)通,使探頭和接收端連通。T/R開關(guān)的導(dǎo)通電阻為24?。同時(shí)TX7332支持對每個(gè)通道的發(fā)波進(jìn)行不同的配置。
AFE5832LP是一款集成模擬前端(AFE),針對醫(yī)療超聲波應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。該器件通過具有兩個(gè)裸片的多芯片模塊(MCM) 進(jìn)行實(shí)現(xiàn):一個(gè)壓控放大器(VCA) 裸片和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 裸片。AFE5832LP還支持各種功率和噪聲組合選項(xiàng),從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。作為一種極低功耗的AFE解決方案,AFE5832LP每通道的功耗為18.5mW,因此適用于具有嚴(yán)格的電池壽命要求的系統(tǒng)。
對于TX7332和AFE5832LP的詳細(xì)應(yīng)用報(bào)告可以參考下述技術(shù)文章。
https://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/zhca983
下述這篇應(yīng)用文章提供了一個(gè)低壓輸入,最高可產(chǎn)生TX7332中的pulser電源軌的±80V電壓的解決方案。每路高壓的最大功率為2W。整體電路基于PWM控制器LM3488,電路拓?fù)溥x擇了SEPIC架構(gòu),如圖2所示。
https://www.ti.com/lit/pdf/sloa284
圖 2 SEPIC架構(gòu)示意圖
TX7332的-5V電源軌由LM27762提供。LM27762是一個(gè)低噪聲的電荷泵,可以同時(shí)產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的正負(fù)電壓,調(diào)節(jié)范圍在±1.5V~±5V之間。LM27762的輸入電壓范圍在2.7V~5.5V之間,最大輸出電流可支持±250mA,LM27762工作頻率為2MHz以減小輸出阻抗和電壓紋波。正常工作的靜態(tài)電流僅為390uA,關(guān)斷電流僅為0.5uA。LM27762可以為大電流,低噪聲的負(fù)壓電壓應(yīng)用場景提供理想的偏置。
圖 3 LM27762簡化示意圖
TPS7A88是一個(gè)雙通道,低噪聲,高電源抑制比的LDO,最大輸出電流可達(dá)1A,同時(shí)僅有200mV的壓降。TPS7A88最低可工作在1.4V輸入電壓,0.8V輸出電壓的環(huán)境下。每個(gè)通道的線性調(diào)整器均集成了一個(gè)低噪聲的0.8V的電壓基準(zhǔn)。同時(shí)內(nèi)部的保護(hù)電路(比如欠壓保護(hù)鎖定)可以防止器件在輸入電壓不夠高的時(shí)候啟動,這樣的設(shè)計(jì)可以保證輸出電壓具有良好的精度。折返電流限制會在輸出短路的情況下限制輸出電流。內(nèi)部的power good檢測電路可以讓用戶在多個(gè)LDO級聯(lián)的情況下設(shè)置時(shí)序,而且當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置的閾值時(shí)會有alert信號產(chǎn)生。
圖 4 TPS7A8801簡化示意圖
TPS82140最高可支持17V的電壓輸入,最大輸出電流為2A,整體尺寸為3.0mm x 2.8mm x 1.5mm。TPS82140 MicroSiP電源模塊采用了DCS-Control™ (Direct Control with Seamless transition into Power Save Mode)的工作模式。這種工作模式結(jié)合了遲滯控制和電壓控制的優(yōu)點(diǎn),在中到重載的時(shí)候工作在PWM(Pulse Width Modulation)模式,輕載的時(shí)候工作在PSM(Power Save Mode)模式。在PWM工作模式下,開關(guān)電源的開關(guān)頻率為2MHz,當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí),開關(guān)電源進(jìn)入PSM模式,降低了開關(guān)頻率以減小IC的靜態(tài)電流,從而實(shí)現(xiàn)輕載高效。DCS-Control™同時(shí)支持這兩種模式,可以在不影響輸出電壓的前提下完成從PWM到PSM模式的無縫切換。TPS82140提供出色的直流電壓調(diào)制以及快速的瞬態(tài)負(fù)載相應(yīng),同時(shí)具備極低的輸出電壓紋波,適用于射頻,醫(yī)療等應(yīng)用場景。
TPSM82822電源模塊集成了同步降壓轉(zhuǎn)換器和電感器,可簡化設(shè)計(jì)、減少外部元件并節(jié)省印刷電路板 (PCB) 面積。該器件采用緊湊的薄型封裝,面積僅為2.0mm x 2.5mm,適用于通過標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝設(shè)備進(jìn)行自動組裝。為了最大限度地提高效率,該轉(zhuǎn)換器以4MHz 的標(biāo)稱開關(guān)頻率在脈寬調(diào)制(PWM)模式下工作,并且會在輕負(fù)載電流條件下自動進(jìn)入節(jié)能工作模式。在節(jié)能模式下,器件的工作靜態(tài)電流典型值為4µA。通過使用 DCS-Control 拓?fù)?,該器件可?shí)現(xiàn)出色的負(fù)載瞬態(tài)性能和精確的輸出穩(wěn)壓。器件的 EN 和 PG 引腳支持順序配置,可帶來靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。集成的軟啟動功能降低了輸入電源需要提供的浪涌電流。過溫保護(hù)和斷續(xù)短路保護(hù)功能使得該解決方案穩(wěn)健且可靠。
圖 5 TPSM82822簡化示意圖
TI可以提供應(yīng)用于超聲波智能探頭的整體解決方案,上述高性能的便攜式方案同時(shí)也可以為設(shè)計(jì)者帶來便利。
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