適切な電源レギュレータでDCレールノイズを抑え、超音波の画質を向上させる

医療用などの超音波診断装置では、ノイズが性能を制限する要因となっています。もちろん、単に「ノイズ」といっても、医療や患者さんの状況に固有のものもあれば、電子的なものもあり、さまざまな種類があります。患者さんに起因する支配的なノイズは「スペックルノイズ」と呼ばれ、患者さんの組織や臓器の不均一性（非均質性）に大きく起因しています。回路設計者は、患者に起因するノイズについてはほとんど何もできませんが、エレクトロニクスに起因するさまざまな原因や種類を最小限に抑えるためにできることはたくさんあります。

その中でも、DC/DCレギュレータは潜在的にノイズ源となりうるものです。ノイズを最小限に抑えるために、設計者は、効率が向上し続ける小型で低ノイズの低ドロップアウト（LDO）レギュレータを使用することができます。このようなLDOであっても、無駄な電力を消費し、それに伴う熱管理の問題が発生することがよくあります。LDOに代わる効率的な方法としてスイッチングレギュレータがありますが、このデバイスはスイッチングのためノイズが大きくなります。このノイズを軽減しなければ、このようなデバイスを最大限に活用することはできません。

最近の電力変換トポロジの設計革新により、このノイズが低減され、ノイズと効率のバランスのトレードオフが変化しています。例えば、高出力モノリシックスイッチングレギュレータは、低ノイズDCレール、高効率、最小限のスペースでデジタルICに効率よく電源を供給できます。

この記事では、超音波の課題について簡単に説明します。次に、 Analog Devicesの小型Silent Switcher ICファミリを紹介し、 LT8625S を例に、これらの革新的なスイッチングレギュレータが高性能超音波イメージングに必要な1桁台の電圧、10アンペア以下の範囲の負荷に対する複数の目的を達成できることを紹介します。その他のSilent Switcher ICのサンプルは、ファミリの幅を示すために提供されています。

超音波には特有の信号経路の問題があります。

超音波イメージングの動作原理はシンプルですが、高性能なイメージングシステムを開発するには、設計の専門知識、多くの専用部品、微妙な細部への注意が必要です（図1）。

図1：超音波画像診断システムのハイレベルなブロック図は、単純な物理原理に基づくシステムの実装の複雑さを示唆します。（画像提供：Analog Devices）

この画像システムでは、圧電トランスデューサのアレイを使用し、パルスを照射することで音響波面を生成しています。多くの新システムでは、このようなトランスデューサを最大256個搭載し、それぞれを個別に制御する必要があります。送信周波数は、2～20メガヘルツ（MHz）です。

アレイ内のトランスデューサの相対的なタイミングを可変遅延で調整することで、放出されるパルスをビームフォーミングし、特定の場所に向けることができます。周波数が高くなると、空間分解能は高くなりますが、透過性が相対的に悪くなり、画質が劣化します。多くのシステムでは、最適な妥協点として5MHz前後を使用しています。

音響パルスが放射されると、受信モードに切り替わり、異なる種類の組織や臓器の境界など、音響波のエネルギーがインピーダンスバリアにぶつかるたびに生じる音響パルスのエコーを捕らえることができます。送ってから戻ってくるまでの時間遅延で、画像情報を得ることができます。

超音波信号が組織を通過する際、順方向パスと戻りエコーで2回減衰するため、受信信号レベルは広いダイナミックレンジにわたります。1ボルトから数マイクロボルトまで、約120デシベル（dB）の幅があります。

なお、10MHzの超音波信号で浸透深度が5cmの場合、往復の信号は100dB減衰します。したがって、どの場所でも瞬時に約60dBのダイナミックレンジを処理には、ダイナミックレンジとして160dB（電圧ダイナミックレンジは1億対1）必要になります。

広範囲ダイナミックレンジ、低レベルの信号、不十分な信号対雑音比（SNR）に対処する最も簡単な解決策は、放射されるトランスデューサの出力を上げることだと思われるかもしれません。しかし、そのために必要な出力はもちろん、患者の皮膚に接触する超音波プローブの温度にも厳しい制限があります。トランスデューサの表面温度の最大許容値は、IEC規格60601-2-37（Rev.2007）で、トランスデューサが空気中に送信される場合は50℃、適切な人体ファントム中に送信される場合は43℃と規定されています。

この後者の限界は、肌（通常33℃）を最大10℃温めることができることを意味します。そのため、音響出力を抑えるだけでなく、DC/DCレギュレータを含む関連電子機器の損失も最小限に抑える必要があります。

信号レベルを比較的一定に保ち、SNRを最大化するために、タイムゲイン補正（TGC）と呼ばれる特殊な形態の自動利得制御（AGC）が使用されます。TGCアンプは、受信機が戻りパルスを待っている時間によって決まる指数関数的な係数を用いて信号を増幅することにより、指数関数的な信号の減衰を補正します。

なお、超音波のイメージングモードには、（図2）に示すような種類があります。

• グレースケール は、基本的な白黒画像を生成します。1ミリメータ（mm）程度のアーチファクトも解像できます。
• ドップラーモード は、戻ってくる信号の周波数変化を追跡し、擬似色で表示することによって、動いている物体の速度を検出します。体内を流れる血液や体液の検査に使用します。ドップラーモードでは、連続波を体内に送信し、戻ってきた信号の高速フーリエ変換（FFT）を行う必要があります。

図2：頸動脈分岐部レベルの頭蓋外頸動脈のグレースケール（A）およびカラードプラー（B）の様子を示します。なお、ECA（アスタリスク、各画像の左下）の枝は、カラードップラー画像で最もはっきりと見えます。(CCA：総頸動脈、ICA：内頸動脈、ECA：外頸動脈）。(画像出典：Radiologic Clinics of North America）。

• 静脈および動脈モード は、ドップラーとグレースケールモードを併用しています。動脈や静脈の血流を詳細に示すために使用されます。

簡略化されたブロック図では重要な構成要素が省かれ、より詳細な図では追加機能が明らかになります（図3）。

図3：最新の超音波診断システムのブロック図をより詳細に見ると、その複雑さと、設計に組み込まれた多くのデジタル機能がより明らかになります。（画像提供：Analog Devices）

まず、電源機能です。ACライン駆動でもバッテリ駆動でも、さまざまなレール電圧を開発するために複数のDC/DCレギュレータが必要になります。これらの電圧は、ある機能では数ボルトから、圧電トランスデューサではかなり高い電圧まであります。

さらに、最近の超音波診断システムでは、送受信経路のアナログフロントエンドを除き、大部分がデジタル化されているため、デジタル制御されたビームフォーミングなどの機能を実現するためにFPGAを搭載しています。これらのFPGAは、最大で10Aという比較的大きな電流を必要とします。

ノイズ抑制性能

また、多くのデータ収集システムと同様に、ノイズは医療用超音波システムの性能を制限する要因の1つでもあります。患者さんに起因するスペックルノイズのほか、電子回路や部品のノイズなど、さまざまな種類のノイズが存在します。

• ガウスノイズとは、統計的にランダムな「白色」ノイズのことで、熱揺らぎや、能動および受動部品による電子回路ノイズが主な原因となっています。
• ショット（ポアソン）ノイズは、電荷の離散的な性質に起因するものです。
• デジタル画像には、インパルスノイズ（ごま塩ノイズと呼ばれることがある）が見られることがあります。画像信号の急激な乱れによって発生し、白と黒の画素がまばらに発生するように見えるため、このような俗称があります。

これらのノイズ源は、画像の解像度や画質に影響を及ぼします。低ノイズアンプや抵抗器などの電子部品や、アナログまたはデジタルフィルタを適切に選択することで、最小限に抑えることができます。また、高度な画像および信号処理アルゴリズムにより、後処理でノイズを最小限に抑えることができる場合もあります。

主要な要因となるレギュレータノイズ

また、ノイズ関連として、FPGAやASICなどのデジタルICに主に電源を供給する降圧型DC/DCレギュレータのスイッチングノイズにも対応しなければならないという問題もあります。問題は、それらのノイズが電磁波や電源レールなどの導体を通して、繊細なアナログ信号処理回路にも影響を及ぼすことです。

設計者は、フェライトビーズ、慎重なレイアウト、電源レールフィルタリングなどを用いてこのノイズを最小限に抑えようとしますが、部品点数が増え、プリント基板の面積が増え、部分的にしか成功しないことも少なくありません。

従来、DC/DCレギュレータで発生するノイズを最小限に抑えようとする設計者は、本質的に低ノイズ出力を持つLDOを選ぶことができますが、効率は50%程度と比較的悪いものでした。そのため、効率が約90％以上となるスイッチングレギュレータを使用しますが、スイッチングクロックによるミリボルトオーダーのインパルスノイズが出力に発生することになります。

DC/DCレギュレータの場合、連続的なトレードオフがある一般的なエンジニアリングの意思決定とは異なり、低ノイズで低効率と高ノイズで高効率のどちらか一方を選択しなければなりません。LDOの効率を多少上げる代わりに、ノイズが20%高くなることを受け入れるといった妥協はありません。

LDOが本来持っている低ノイズは、別の要因で損なわれることがあります。大電流を流すとサイズが大きくなるため、熱的な問題から、負荷から離れた場所に配置することが多くなります。このため、LDOの出力レールがシステム内のデジタルコンポーネントから放射されるノイズを拾い、敏感なアナログ回路のクリーンなレールを汚染してしまう可能性があります。

熱管理上の問題からLDOを配置する場合、レギュレーターを1つにして、プリント基板の横や隅に離して配置する方法があります。そうすることで、LDOの消費電力の問題を解決し、DC/DCシステムレベルのアーキテクチャを簡素化できる可能性があります。しかし、この単純に聞こえるソリューションにも次のような多くの問題があります。

• 距離と大電流により、レギュレータと負荷の間に避けられないIR電圧降下（ΔV電圧降下＝負荷電流（I）×配線抵抗（R））があるため、負荷での電圧はLDOの公称出力値にはならず、負荷ごとに異なることもあります。この電圧降下は、プリント基板の配線幅や厚みを増やしたり、スタンドアップバスバーを使用することよって最小限に抑えることは可能ですが、これらは貴重な基板面積を使い、構成部品（BOM）を増やすことになります。
• リモートセンシングで負荷の電圧を監視することもできますが、これは一点集中で分散していない負荷にしか有効ではありません。さらに、長い電源レールとセンシングリードのインダクタンスがレギュレータの過渡性能に影響を与えるため、リモートセンシングリードがDCレールの発振を引き起こす可能性があります。
• 最後に、最も管理が難しい問題ですが、電源レールが長くなると、EMI（電磁干渉）やRFI（無線周波数干渉）のノイズのピックアップも多くなります。

EMI/RFI問題の克服は、通常、バイパスコンデンサやインラインフェライトビーズなどの追加使用から始まります。しかし、その悩みは尽きることがありません。さらに、このノイズは、その大きさや周波数に応じて、ノイズエミッションに関するさまざまな規制を満たすという課題を追加します。

トレードオフのジレンマを解消するSilent Switcherレギュレータ

代わりのソリューションであり、通常、より優れた解決策となるのが、DC/DCレギュレータを負荷ICのできるだけ近くに配置する方法です。これにより、IRによる電圧降下、プリント基板のフットプリント、レールノイズのピックアップと放射を最小化することができます。しかし、この方法を実現するには、負荷の横に置いても電流の要件をすべて満たすことができる、小型で効率的な低ノイズのレギュレータが必要です。

これで、数多くのSilent Switcherレギュレータが問題を解決できます。数アンペアから10Aまでの電流レベルで1桁の電圧出力を実現するだけでなく、複数の設計革新により極めて低いノイズを実現しています。

このレギュレータは、LDOの低ノイズ特性とスイッチングレギュレータの効率性の間に位置する「妥協」またはトレードオフではありません。その代わりに、革新的な設計により、LDOに近い非常に低いノイズレベルで、スイッチャーの効率的な利点を最大限に引き出すことができるようになりました。事実上、ノイズと効率に関して設計者は、両方の特性の長所を手に入れることができるのです。

従来のLDOとスイッチングレギュレータのギャップを解消したレギュレータです。Silent Switcher 1（第1世代）、Silent Switcher 2（第2世代）、Silent Switcher 3（第3世代）のデバイスが用意されています。これらの機器の設計者は、さまざまなノイズの発生源を特定し、それぞれを減衰させる方法を考案し、その後の世代ごとにさらなる改良を加えてきました（図4）。

図4：Silent Switcher DC/DCレギュレータは3世代に渡り、それぞれの世代が先代の性能を引き継ぎ、さらに進化しています。（画像提供：Analog Devices）

Silent Switcher 1の利点は、低EMI、高効率、高いスイッチング周波数により、残りのノイズの多くを、システム動作の妨げになったり規制上の問題になったりするスペクトル部分から遠ざけられることです。Silent Switcher 2は、Silent Switcher 1の技術特長に加え、高精度コンデンサの内蔵、フットプリントの縮小、プリント基板レイアウトの影響を受けにくいなどの利点を備えています。また、Silent Switcher 3シリーズは、特に超音波用途に重要な10ヘルツ（Hz）から100kHzの低周波帯域で超低ノイズ特性を実現しています。

わずか数ミリメートル四方の小さなフォームファクタと固有の効率性により、これらのスイッチャーは負荷となるFPGAやASICのごく近くに配置することができます。これにより、性能を最大限に引き出し、データシート上の性能と使用時の現実との格差をなくすことができます。

Silent Switcherデバイスのノイズと熱属性の概要を図5に示します。

図5：このレギュレータのユーザーは、Silent Switchersの設計により、具体的なノイズと熱のメリットを実感しています。（画像提供：Analog Devices）。

Silent Switcherのマトリックスには多くの選択肢があります。

Silent Switcherのレギュレータは、システム設計の特定の要件を満たすために、電圧と電流の定格が異なる多くのグループ、バージョン、モデル、およびさまざまな小さなパッケージが用意されています（図6）。

図6：Silent Switcher技術を用いた多くのデバイスにより、電圧、電流、ノイズ、その他の属性について多くの置き換えが可能です。（画像提供：Analog Devices）

第1世代および第2世代のデバイスには、以下のような3、4、6、および10Aの出力を持つ5ボルトユニットなどが含まれますが、これらに限定されるものではありません。

• LTC3307：2mm x 2mm LQFNパッケージの5V、3A同期式降圧Silent Switcher
• LTC3308A：2mm x 2mm LQFNパッケージの5V、4A同期式降圧Silent Switcher
• LTC3309A：2mm x 2mm LQFNパッケージの5V、6A同期式降圧Silent Switcher
• LTC3310：3mm x 3mm LQFNパッケージの5V、10A同期式降圧Silent Switcher 2

それぞれ、順次、複数のバージョンを用意しています。例えば、LTC3310では、AEC-Q100の車載対応品を含む4種類の基本バージョンを用意しています。なお、第1世代（SS1）デバイスのLTC3310、LTC3310-1と第2世代（SS2）デバイスの LTC3310S および LTC3310S-1には、出力調節型と出力固定型があります。

第3世代デバイスであるLT8625Sは、2.7～18V入力、8A出力の優れた低ノイズ性能によって、Silent Switcher 3デザインの特徴を際立たせています（図7）。

図7：LT8625Sが必要とする標準的な外付け部品はわずかです（図には、同じ4AであるLTC8624Sが示されています）。（画像提供：Analog Devices）

LT8625Sの特長は以下のとおりです。

• 高ゲインエラーアンプによる超高速過渡応答
• わずか15ナノ秒（ns）の高速スイッチオン時間
• 温度範囲において±0.8%ドリフトの精密リファレンス
• 最大12相のポリフェーズ動作により、より高い総電流出力を実現
• 300kHz〜4MHzのクロックを調整および同期可能
• プログラム可能パワーグッドインジケータ
• 4mm x 3mmの20リード（LT8625SP）または4mm x 4mmの24リードLQFN（LT8625SP-1）パッケージで提供可能

そのノイズ性能の仕様により、特に超音波用途に適していることを示しています（図8）

• 超低RMS（Root Mean Square）ノイズ（10Hz～100kHz）：4マイクロボルトRMS (μV_RMS)
• 超低スポットノイズ：4ナノボルト/ルートHz（nV/√Hz）/10kHz
• あらゆるプリント基板で超低EMIエミッションを実現
• 内部バイパスコンデンサは、放射EMIを低減

図8：グラフから、LT8625Sの低周波（左）と広帯域（右）のノイズスペクトル密度がともに最小であることがわかります。（画像提供：Analog Devices）

この低ノイズ性能は、全負荷範囲における高効率および低電力損失とともに実現されています（図9）。

図9：LT8625Sの高い動作効率と低い熱影響により、システム設計上の懸念が緩和されます。（画像提供：Analog Devices）

20リードのLT8625Sは、専用の DC3219A デモ回路/評価ボード（図10）を使用することで、デザインインが加速されます。基板の初期設定は、1.0ボルト、最大DC出力電流8Aです。ユーザーは必要に応じて、設定電圧を変更することができます。

図10：探索とデザインインの加速を可能にするため，DC3291A評価ボードはLT8625Sをサポートしています。（画像提供：Analog Devices）

まとめ

超音波画像診断システムは、リスクのない医療診断ツールとして欠かすことのできない存在です。必要な画像の鮮明さ、解像度、その他の性能指標を達成するためには、受信信号が極めて低いレベルで、広いダイナミックレンジを持つことができることを認識することが重要です。そのため、エンジニアは低ノイズ部品を選択し、堅実な設計技術を採用し、DC電源レールを可能な限り低ノイズ化する必要があります。

Analog DevicesのSilent Switcherファミリは、スイッチングDC/DCレギュレータ特有の高効率を実現しながら、効率の悪いLDOに匹敵するノイズレベルを実現しています。また、数ミリ角という小型のため、負荷の近くに配置することができ、放射される回路ノイズを拾う可能性を最小限に抑えることができます。