ZHCACV3 july 2023 TPSM82903 , TPSM82913 , TPSM843620 , TPSM843B22
醫療成像設備（包括 X 射線系統、超聲掃描儀和 MRI 系統）廣泛用于無創提供體內器官和其他結構的圖像。一般而言，所有這些應用都使用 X 射線、聲波或無線電波來生成圖像。例如，超聲波傳感器中使用的換能器可產生大于 20kHz 的聲波，產生的聲波轉換為對干擾敏感的電信號。因此，系統的電源設計必須能夠降低噪聲和紋波，以提高性能和圖像分辨率。本文將論述成像設備設計難題以及負載點降壓穩壓器如何解決這些難題。
表 1 列出了在超聲掃描儀電源管理方面性能突出的器件，其中包括分立式與模塊式的數字和模擬設計。數字設計包括用于電壓調節和遙測的 PMBus，而模塊是有集成電感器的器件。
| GPN | Vin | 輸出電流 | 特性 | 模塊選項 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 高效率 | TPS543320 | 4 V - 18 V | 3A | 市場上的高效率 12V/6A 轉換器，引腳兼容 3A、6A、8A 系列，可選 Fsw：500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz 和 2.2MHz | TPSM843320 |
| TPS543620 | 4 V - 18 V | 6A | TPSM843620 | ||
| TPS543820 | 4 V - 18 V | 8A | TPSM843820 | ||
| TPS543A22 | 4 V - 18 V | 12A | 在 12V->1V 的情況下效率為 90%，1MHz，15A 負載，固定頻率且無外部補償 = 無源器件更少，引腳兼容 12A、16A、20A、25A 系列，可選 Fsw：500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz 和 2.2MHz | ||
| TPS543A26 | 4 V - 18 V | 16A | TPSM843B22 | ||
| TPS543B22 | 4 V - 18 V | 20A | TPSM843A26 | ||
| TPS543B25 | 4 V - 18 V | 25A | TPSM843A22 | ||
| 數字 | TPS546B24S | 2.95 V - 16 V | 10A | 可堆疊 4 個，固定頻率運行并且可同步，PMBus 命令豐富，效率超過 90%，12 VIN、1 Vout、500kHz (6-12A) | |
| TPS546A24S | 2.95 V - 16 V | 20A | |||
| TPS546D24S | 2.95 V - 16 V | 40A | |||
| 低噪聲 | TPS62912 | 3 V - 17 V | 2A | 無需 LDO 和無源后濾波，展頻降低雜散噪聲和 EMI，低 1/f 噪聲使得相位噪聲性能出色 | TPSM82912 |
| TPS62913 | 3 V - 17 V | 3A | TPSM82913 | ||
| 低 IQ | TPS62901 | 3 V - 17 V | 1A | 4μA 靜態電流，優化電池壽命和能量預算，1% 精度而且在強制 PWM 配置中紋波輸出低 | TPSM82901 |
| TPS62902 | 3 V - 17 V | 2A | TPSM82902 | ||
| TPS62903 | 3 V - 17 V | 3A | TPSM82903 | ||
| TPS62932 | 3.8 V - 30 V | 2A | 可通過 RT 引腳調節開關頻率：300kHz-2.2MHz，12uA 典型靜態電流，EMI 友好特性 | ||
| TPS62933 | 3.8 V - 30 V | 3A |
挑戰
外形緊湊的高效率設計
高效率功率密集設計有利于各種成像系統。人們不斷要求設計小型化，以使超聲掃描儀等成像系統更加便攜，但隨之而來的難題就是創建高效緊湊的設計。某些設備中的布板空間有限，因此需要更加注重小型化電源設計。TPSM843620 和 TPSM843B22 系列模塊是適合用來應對這一挑戰的關鍵器件系列。在比較模塊與轉換器時，務必要注意，模塊因集成了電感器而優化了封裝尺寸。TPSM843620 和 TPSM843B22 模塊為固定頻率，可選開關頻率范圍為 500kHz 至 2.2MHz，這也有助于更大限度地減少噪聲和紋波。這些器件的主要特性是能夠提供高效率，同時在所述的開關頻率范圍內運行，如圖 1 所示。TPSM843620 采用 MicroSiP 封裝，由于 3D 結構和轉換器直接嵌入在 PCB 內，所以這種封裝非常適合空間受限的應用。TPSM843B22 采用超模壓 QFN 封裝，這種封裝可提高對引線框的粘附力并減少內部器件的暴露。在此封裝中，裸片和無源器件放置在引線框上并進行超模壓。
圖 1 TPSM843A26 效率圖（1.8 Vout、12 Vin、Fsw = 1MHz）低噪聲排放
醫療設備面臨的另一個關鍵難題是降低電源噪聲和紋波，這些噪聲和紋波可影響敏感 ADC、DAC、AFE 和時鐘器件的性能。在噪聲敏感型應用中，開關直流/直流轉換器和模塊后通常是 LDO 和鐵氧體磁珠濾波器。LDO 需要 300mV 至 500mV 的壓降才能實現低噪聲性能。當負載較小時，功耗和熱量是可控的。對于 2A 及以上的較大負載，TPS62913 和 TPSM82913 等器件允許在不犧牲性能的情況下移除 LDO。通過采用 NRSS 引腳來過濾內部帶隙，使得轉換器和控制器的噪聲頻譜密度低于 20uVrms。通過對鐵氧體磁珠濾波器實施內部補償，可使輸出電壓紋波低于 10uVrms，如圖 2 圖 3 所示。TPSM82913 模塊的設計尺寸也很小，集成了無源器件而且效率高，因而還支持其他成像要求。
圖 2 使用低噪聲和低紋波直流/直流轉換器的噪聲敏感型系統示例
圖 3 TPSM82913 第二個 L-C 濾波器后的 VOUT 紋波 FFT低靜態電流
IQ 或空載靜態電流是周期性運行低功耗系統必須克服的一個難題。低 IQ 電源設計可延長電池壽命并降低功耗。就便攜和手持成像設備而言，低 IQ 是一項必備的重要特性，因為它們大部分時間都處于待機/睡眠模式，這往往是設備電池壽命的限制因素。降低 IQ 時，就要在瞬態噪聲性能、裸片封裝面積和輸出功率范圍上進行權衡。通過審慎地權衡來優化電池壽命時，請務必注意，某些電源軌并非始終處于通電狀態，因此可能不需要這種特性。TPSM82903 模塊系列是低電流選件，為要求低 IQ 的設備而設計，采用小巧的緊湊型 uSIP 封裝，支持 1A/2A/3A。此系列的靜態電流為 4μA，可以滿足便攜或手持掃描儀的需求。TPSM82903 的 IQ 圖如圖 4 所示。
圖 4 TPSM82903 典型靜態電流與 VIN 間的關系結論
在研究醫療成像系統的電源管理設計時，需要考慮幾個相關的關鍵要求，以選擇優化的器件。功率密集的降壓轉換器和模塊不僅對設備有幫助，還會優化您的器件。上述出色的低噪聲器件可減少和控制設備中產生的諧波，還允許在某些應用中移除 LDO。最后，采用低 IQ 的器件可以延長電池壽命，并能夠更大限度地提高便攜或手持設備的效率。