緊湊的四輸出降壓型穩(wěn)壓器解決方案 加速采用數(shù)字內(nèi)窺鏡

自古以來，醫(yī)生就一直在尋求更好的方式，以診斷和治療遭受身體內(nèi)部疾病或外傷折磨的病人。自 19 世紀(jì)以來，以微創(chuàng)方式和使病人承受最少的不適，從身體內(nèi)部檢查和治療病人，這一直是醫(yī)療實(shí)踐的重要部分。目前的內(nèi)窺鏡發(fā)展趨勢推進(jìn)了數(shù)字成像方法的采用，因而在圖像分辨率、組織識(shí)別、以及向病人及其家屬解釋治療過程方面都有了極大進(jìn)步。不過，這需要多種數(shù)字處理器處理和分配圖像數(shù)據(jù)。另外還出現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，即如何將所有電子組件及有關(guān)電源穩(wěn)壓器放進(jìn)與以前安裝的內(nèi)窺鏡攝像機(jī)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(nèi)窺鏡發(fā)展歷史

大多數(shù)歷史學(xué)家都認(rèn)為，Bozzini 的 Lichleiter 是第一個(gè)與我們今天所知的內(nèi)窺鏡相似的設(shè)備。該設(shè)備于 19 世紀(jì)初發(fā)明，它很不靈活，用傾斜的鏡子將圖像投射到醫(yī)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(jì)，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(jī)捕獲內(nèi)窺鏡靜止圖像。到了 20 世紀(jì) 50 年代，日本的先驅(qū)者 Mori 和 Yamadori 用內(nèi)窺鏡在世界上首次記錄了運(yùn)動(dòng)影像，記錄的是生產(chǎn)過程。那個(gè)時(shí)代的攝影和運(yùn)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。我們不斷沿著這些先驅(qū)們開拓的道路前進(jìn)?，F(xiàn)在，現(xiàn)代數(shù)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(shù)字內(nèi)窺鏡

21 世紀(jì)，CMOS 圖像傳感器已經(jīng)達(dá)到了醫(yī)療專業(yè)人員尋求的圖像分辨率和低功耗規(guī)格。這類圖像傳感器以高達(dá)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(biāo)準(zhǔn) 2D HD 圖像技術(shù)，推出了 3D 立體內(nèi)窺鏡。功耗 (及其導(dǎo)致的溫度上升) 也是一個(gè)重要因素，因?yàn)?CMOS 傳感器常常置于內(nèi)窺鏡末端的攝像頭內(nèi)，其大小設(shè)計(jì)為方便手術(shù)團(tuán)隊(duì)人手操作，以定位鏡頭，呈現(xiàn)想要的圖像?，F(xiàn)代 CMOS 傳感器的高圖像分辨率和低功耗是人們對數(shù)字內(nèi)窺鏡產(chǎn)生濃厚興趣的基礎(chǔ)。

數(shù)字內(nèi)窺鏡在如下幾方面使醫(yī)生和患者受益：1) 實(shí)時(shí)數(shù)字圖像 (或視頻) 使醫(yī)生及其同行無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(fù);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(shí)別各種不同的組織結(jié)構(gòu);3) 可以非常容易地記錄和解說手術(shù)過程，方便了培訓(xùn);4) 3D 內(nèi)窺鏡為外科醫(yī)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(chǔ)在患者的電子醫(yī)療記錄中，以供患者及其家屬查看以及更透徹地解釋診斷、治療及治愈過程。這五個(gè)好處當(dāng)然要配備一個(gè)要求和足夠的處理能力以處理所有數(shù)據(jù)。

增加數(shù)字處理功能占用空間就會(huì)減少負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的 PCB 面積

不足為怪的是，建立、顯示、操作、分配和存儲(chǔ)這些 CMOS 傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，需要大量數(shù)字處理能力，這種能力常常由攝像機(jī)控制單元 (CCU) 提供。典型內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的主要組件包括圖像處理器、一個(gè)或多個(gè) FPGA、存儲(chǔ)器、A/D 轉(zhuǎn)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，這些器件大部分需要多個(gè)輸入電壓工作。這就給設(shè)計(jì)工程師帶來了挑戰(zhàn)，即如何在更小的空間中支持顯著增加的電源軌。

為了方便所有這些數(shù)字組件的集成，使患者和醫(yī)生同樣受益，凌力爾特推出了節(jié)省空間的 LTM4644，這是一款 14VIN 四輸出降壓型微型模塊 (μModule) 穩(wěn)壓器。LTM4644 在雙面 PCB 上占用 2.3cm x 1.5cm 空間 (參見圖 1)，可調(diào)節(jié)四個(gè)輸出電壓，每個(gè)電壓提供高達(dá) 4A 電流，以滿足數(shù)字內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中 FPGA 以及其他數(shù)字處理器的功率要求 (參見圖 2)。相比之下，其他廠商所提供類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(wěn)壓器使工程師能夠靈活配置穩(wěn)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(nèi)窺鏡系統(tǒng)工程師僅用一個(gè)簡單和緊湊的微型模塊穩(wěn)壓器就能夠滿足 FPGA、ASIC、微處理器和電路板上其他電路的各種電壓和負(fù)載電流要求。

圖 1：四輸出、4A 降壓型微型模塊穩(wěn)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(dá)四個(gè)單獨(dú)的 FPGA 電源軌

LTM4644 微型模塊穩(wěn)壓器在 4V 至 14V (或有外部偏置時(shí)為 2.375V 至 14V) 輸入范圍內(nèi)，支持多達(dá)四個(gè)單獨(dú)的輸出電壓軌，每輸出提供高達(dá) 4A 電流，以支持 FPGA、其他數(shù)字處理器、存儲(chǔ)器和支持性模擬電路的功率需求。構(gòu)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(jié)省空間和設(shè)計(jì)時(shí)間，LTM4644 四輸出穩(wěn)壓器在 9mm x 15mm x 5.01mm BGA 封裝中納入了 DC/DC 控制器、功率開關(guān)、電感器和補(bǔ)償電路。4V 至 14V 輸入電源 (或當(dāng)使用外部偏置電源時(shí)為 2.375V 至 14V) 為每個(gè)穩(wěn)壓器通道供電，提供可在 0.6V 至 5.5V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定輸出電壓，在電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)，其準(zhǔn)確度為 ±1.5%。無論輸出均流與否，單獨(dú)的輸入電源引腳允許工程師為滿足功率預(yù)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(dāng)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(gòu)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(fù)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(biāo)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(zhuǎn)換率。當(dāng)輸出電壓進(jìn)入目標(biāo)穩(wěn)定值的 ±10% 范圍時(shí)，電源良好標(biāo)記引腳發(fā)出指示。因?yàn)橛行╇妷很壍墓╇娤扔谄渌妷很墸赡芤鸱答?，或者?dāng)啟動(dòng)前電壓被保持時(shí)，有些負(fù)載的電源軌也許在穩(wěn)壓器啟動(dòng)時(shí)被預(yù)偏置。預(yù)偏置輸出可能給有些同步開關(guān)穩(wěn)壓器造成問題，因?yàn)橛行┩介_關(guān)穩(wěn)壓器的控制環(huán)路在啟動(dòng)時(shí)會(huì)立即將負(fù)載放電到地，即使 FPGA 正確工作需要單調(diào)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(yù)偏置的負(fù)載時(shí)，也提供單調(diào)上升的電壓 (圖 3)。

圖 3：LTM4644 的啟動(dòng)進(jìn)入預(yù)偏置輸出

即使負(fù)載預(yù)偏置 (2.5V) 時(shí)，LTM4644 也為 FPGA 的正確工作提供一個(gè)平滑單調(diào)上升的輸出電壓至 5V 標(biāo)稱值　。

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(yīng)對最后一分鐘的設(shè)計(jì)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(jié)所述相同。

圖 4：LTM4624：14VIN、4A 降壓型微型模塊穩(wěn)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(gòu)成單輸出 4A 降壓型穩(wěn)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(yīng)對最后一分鐘設(shè)計(jì)變更或遺漏電源軌的卓越選擇。

結(jié)論

越來越多地使用數(shù)字內(nèi)窺鏡可為患者及醫(yī)生帶來極大的好處。CMOS 圖像傳感器以足夠低的工作溫度，于人體內(nèi)建立圖像分辨率足夠高的數(shù)字圖像和視頻，適合手術(shù)團(tuán)隊(duì)用來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(chǔ)、增強(qiáng)和共享，幫助實(shí)現(xiàn)更有效、更快速和成本更低的治療，使患者及其家屬和醫(yī)療團(tuán)隊(duì)受益。完成這三大任務(wù)需要一組數(shù)字處理器、存儲(chǔ)器、A/D 轉(zhuǎn)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(fù)載點(diǎn)穩(wěn)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(nèi)窺鏡系統(tǒng)尺寸不變。LTM4644 和 LTM4624 降壓型微型模塊穩(wěn)壓器提供了一種簡單、緊湊的解決方案，專為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。

圖 5：數(shù)字內(nèi)窺鏡