緊湊的四輸出降壓型穩壓器解決方案 加速采用數字內窺鏡

自古以來(lái)，醫生就一直在尋求更好的方式，以診斷和治療遭受身體內部疾病或外傷折磨的病人。自 19 世紀以來(lái)，以微創(chuàng )方式和使病人承受最少的不適，從身體內部檢查和治療病人，這一直是醫療實(shí)踐的重要部分。目前的內窺鏡發(fā)展趨勢推進(jìn)了數字成像方法的采用，因而在圖像分辨率、組織識別、以及向病人及其家屬解釋治療過(guò)程方面都有了極大進(jìn)步。不過(guò)，這需要多種數字處理器處理和分配圖像數據。另外還出現了新的設計挑戰，即如何將所有電子組件及有關(guān)電源穩壓器放進(jìn)與以前安裝的內窺鏡攝像機控制單元 (CCU) 大小相同的空間中，以最大限度地減小安裝和采用成本。

內窺鏡發(fā)展歷史

大多數歷史學(xué)家都認為，Bozzini 的 Lichleiter 是第一個(gè)與我們今天所知的內窺鏡相似的設備。該設備于 19 世紀初發(fā)明，它很不靈活，用傾斜的鏡子將圖像投射到醫生眼中，只用一根蠟燭照明，圖像質(zhì)量很差。之后大約在 20 世紀，照明方法有了改進(jìn)，幾位發(fā)明家發(fā)明了一種方法，用攝像機捕獲內窺鏡靜止圖像。到了 20 世紀 50 年代，日本的先驅者 Mori 和 Yamadori 用內窺鏡在世界上首次記錄了運動(dòng)影像，記錄的是生產(chǎn)過(guò)程。那個(gè)時(shí)代的攝影和運動(dòng)影像記錄技術(shù)的缺點(diǎn)是，圖像不能共享，不能實(shí)時(shí)處理。我們不斷沿著(zhù)這些先驅們開(kāi)拓的道路前進(jìn)?，F在，現代數字成像技術(shù)支持這些功能，而且分辨率比以往任何時(shí)候都高。

邁進(jìn)采用數字內窺鏡

21 世紀，CMOS 圖像傳感器已經(jīng)達到了醫療專(zhuān)業(yè)人員尋求的圖像分辨率和低功耗規格。這類(lèi)圖像傳感器以高達全 HD (1980 x 1080 像素) 及更高的分辨率提供高質(zhì)量圖像。有些公司超越了標準 2D HD 圖像技術(shù)，推出了 3D 立體內窺鏡。功耗 (及其導致的溫度上升) 也是一個(gè)重要因素，因為 CMOS 傳感器常常置于內窺鏡末端的攝像頭內，其大小設計為方便手術(shù)團隊人手操作，以定位鏡頭，呈現想要的圖像?，F代 CMOS 傳感器的高圖像分辨率和低功耗是人們對數字內窺鏡產(chǎn)生濃厚興趣的基礎。

數字內窺鏡在如下幾方面使醫生和患者受益：1) 實(shí)時(shí)數字圖像 (或視頻) 使醫生及其同行無(wú)論處于什么地方都能夠相互協(xié)作，有助于更有效地治療患者和使患者更快地恢復;2) 可以即時(shí)變換各種角度查看圖像，因此手術(shù)人員能夠更容易地識別各種不同的組織結構;3) 可以非常容易地記錄和解說(shuō)手術(shù)過(guò)程，方便了培訓;4) 3D 內窺鏡為外科醫生提供了更高的可視性和深度感知性，以更好地定位組織，進(jìn)行治療;5) 圖像便捷地存儲在患者的電子醫療記錄中，以供患者及其家屬查看以及更透徹地解釋診斷、治療及治愈過(guò)程。這五個(gè)好處當然要配備一個(gè)要求和足夠的處理能力以處理所有數據。

增加數字處理功能占用空間就會(huì )減少負載點(diǎn)穩壓器的 PCB 面積

不足為怪的是，建立、顯示、操作、分配和存儲這些 CMOS 傳感器產(chǎn)生的大量數據，需要大量數字處理能力，這種能力常常由攝像機控制單元 (CCU) 提供。典型內窺鏡系統的主要組件包括圖像處理器、一個(gè)或多個(gè) FPGA、存儲器、A/D 轉換器、視頻顯示端口和以太網(wǎng)控制器，這些組件必須集成在一起，以支持上述功能。接下來(lái)，這些器件大部分需要多個(gè)輸入電壓工作。這就給設計工程師帶來(lái)了挑戰，即如何在更小的空間中支持顯著(zhù)增加的電源軌。

為了方便所有這些數字組件的集成，使患者和醫生同樣受益，凌力爾特推出了節省空間的 LTM4644，這是一款 14VIN 四輸出降壓型微型模塊 (μModule) 穩壓器。LTM4644 在雙面 PCB 上占用 2.3cm x 1.5cm 空間 (參見(jiàn)圖 1)，可調節四個(gè)輸出電壓，每個(gè)電壓提供高達 4A 電流，以滿(mǎn)足數字內窺鏡系統中 FPGA 以及其他數字處理器的功率要求 (參見(jiàn)圖 2)。相比之下，其他廠(chǎng)商所提供類(lèi)似可比的降壓型模塊解決方案需要的 PCB 面積則是 LTM4644 的 4 倍。此外，憑借可均流輸出，這款降壓型微型模塊穩壓器使工程師能夠靈活配置穩壓器，配置為單 (16A)、雙 (12A、4A 或 8A、8A)、三 (8A、4A、4A) 或四 (每個(gè) 4A) 輸出。這種靈活性使內窺鏡系統工程師僅用一個(gè)簡(jiǎn)單和緊湊的微型模塊穩壓器就能夠滿(mǎn)足 FPGA、ASIC、微處理器和電路板上其他電路的各種電壓和負載電流要求。

圖 1：四輸出、4A 降壓型微型模塊穩壓器解決方案所占用的 PCB面積

整個(gè) LTM4644 解決方案在雙面 PCB (背面有一個(gè)電容器和四個(gè)電阻器) 上占用 3.5cm2 面積

圖 2：LTM4644 支持多達四個(gè)單獨的 FPGA 電源軌

LTM4644 微型模塊穩壓器在 4V 至 14V (或有外部偏置時(shí)為 2.375V 至 14V) 輸入范圍內，支持多達四個(gè)單獨的輸出電壓軌，每輸出提供高達 4A 電流，以支持 FPGA、其他數字處理器、存儲器和支持性模擬電路的功率需求。構成一個(gè)完整的解決方案僅需要 6 個(gè)外部陶瓷電容器 (1206 外殼尺寸) 和4 個(gè)電阻器。

為了節省空間和設計時(shí)間，LTM4644 四輸出穩壓器在 9mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝中納入了 DC/DC 控制器、功率開(kāi)關(guān)、電感器和補償電路。4V 至 14V 輸入電源 (或當使用外部偏置電源時(shí)為 2.375V 至 14V) 為每個(gè)穩壓器通道供電，提供可在 0.6V 至 5.5V 范圍內調節的穩定輸出電壓，在電壓、負載和溫度范圍內，其準確度為 ±1.5%。無(wú)論輸出均流與否，單獨的輸入電源引腳允許工程師為滿(mǎn)足功率預算要求，用不同的電源軌為四個(gè)通道供電。還可以采取另一種措施減小解決方案占板面積和成本。LTM4644 中的四個(gè)開(kāi)關(guān)以相同頻率和 90 度相差工作，可將輸入電容減小一半的情況下得到相同的輸入紋波性能。因此，當用相同的輸入電源工作時(shí)，四輸出配置僅需要 6 個(gè)外部陶瓷電容器 (1206 外殼尺寸) 和 4 個(gè)反饋電阻 (0603 外殼尺寸或更小)。LTM4644 采用小型 BGA 封裝，所需外部組件非常少，可構成目前最小的四輸出 4A DC/DC 降壓型解決方案。

良好控制的上電排序

LTM4644 具有為需要特定上電和斷電順序的負載供電所必需的功能。每個(gè)輸出都有自己的使能 (RUN) 邏輯引腳、跟蹤 (TRACK/SS) 引腳和電源良好 (PGOOD) 邏輯標記。跟蹤引腳允許工程師用一個(gè)模擬輸入，控制上電和斷電時(shí)的輸出電壓轉換率。當輸出電壓進(jìn)入目標穩定值的 ±10% 范圍時(shí)，電源良好標記引腳發(fā)出指示。因為有些電壓軌的供電先于其他電壓軌，可能引起反饋，或者當啟動(dòng)前電壓被保持時(shí)，有些負載的電源軌也許在穩壓器啟動(dòng)時(shí)被預偏置。預偏置輸出可能給有些同步開(kāi)關(guān)穩壓器造成問(wèn)題，因為有些同步開(kāi)關(guān)穩壓器的控制環(huán)路在啟動(dòng)時(shí)會(huì )立即將負載放電到地，即使 FPGA 正確工作需要單調上升的電源。除了提供必要的控制和指示引腳，LTM4644 即使面對預偏置的負載時(shí)，也提供單調上升的電壓 (圖 3)。

圖 3：LTM4644 的啟動(dòng)進(jìn)入預偏置輸出

即使負載預偏置 (2.5V) 時(shí)，LTM4644 也為 FPGA 的正確工作提供一個(gè)平滑單調上升的輸出電壓至 5V 標稱(chēng)值　。

另一種更小的解決方案適用于任何遺漏的電源軌

為了幫助工程師應對最后一分鐘的設計變更，凌力爾特提供了 LTM4644 的單輸出版本 LTM4624，該器件采用纖巧的 6.25mm x 6.25mm x 5.01mm BGA 封裝，高度與 LTM4644 相同。整個(gè) LTM4624 解決方案僅需要兩個(gè)外部電容器和一個(gè)反饋電阻，在單面 PCB 上僅占用令人難以置信的一平方厘米面積 (圖 4)。LTM4624 所支持的工作輸入、輸出電壓和上電排序功能，與之前“良好控制的上電排序”一節所述相同。

圖 4：LTM4624：14VIN、4A 降壓型微型模塊穩壓器解決方案的建議 PCB 布局

LTM4624 僅需要兩個(gè)外部陶瓷電容器 (1206 外殼尺寸) 和一個(gè)電阻 (0603 外殼尺寸或更小)，可構成單輸出 4A 降壓型穩壓器解決方案，在單面 PCB 上占用 1cm2面積，在雙面 PCB 上則占用 0.5cm2 面積。尺寸優(yōu)勢使 LTM4624 成為應對最后一分鐘設計變更或遺漏電源軌的卓越選擇。

結論

越來(lái)越多地使用數字內窺鏡可為患者及醫生帶來(lái)極大的好處。CMOS 圖像傳感器以足夠低的工作溫度，于人體內建立圖像分辨率足夠高的數字圖像和視頻，適合手術(shù)團隊用來(lái)捕獲所需部位的圖像。這些圖像和視頻可以非常容易地存儲、增強和共享，幫助實(shí)現更有效、更快速和成本更低的治療，使患者及其家屬和醫療團隊受益。完成這三大任務(wù)需要一組數字處理器、存儲器、A/D 轉換器、視頻顯示端口和一個(gè)以太網(wǎng)控制器，這些組件增大了所占用的 PCB 面積。因此，負載點(diǎn)穩壓器必須在占用更小空間的同時(shí)，支持更多的電壓軌，以保持內窺鏡系統尺寸不變。LTM4644 和 LTM4624 降壓型微型模塊穩壓器提供了一種簡(jiǎn)單、緊湊的解決方案，專(zhuān)為應對上述挑戰而設計。

圖 5：數字內窺鏡