T 기술기고문

저잡음 사일런트 스위처 마이크로모듈과 LDO 레귤레이터를 활용한 초음파 잡음 및 이미지 품질 향상 기법

글: 위루(Yu Lu) FAE, 휴 위(Hugh Yu) 헬스케어 시스템 애플리케이션 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

 

개요

이 글에서는 초음파 영상 시스템에 대해서 간략히 소개하고, 초음파 시스템용 전원장치 설계의 과제와 솔루션에 대해 알아본다. 이러한 설계에서 중요하게 고려해야 할 4가지 요인이 있다. 시스템 잡음, 스위칭 잡음, 전자기 간섭(EMI), 전원부와 관련된 초음파 열 손실이 그것이다. 아나로그디바이스(ADI)의 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 마이크로모듈(mModule®)과 저잡음 LDO 레귤레이터가 어떻게 이러한 과제를 해결하고 시스템 잡음과 이미지 품질을 향상시키는지 설명한다.
 

머리말

초음파 시장은 지난 2000년 GE가 최초의 디지털 초음파를 도입한 이후 빠르게 성장하고 있다. 초음파 기술은 정적 기반에서 동적 기반으로, 흑백 도플러에서 컬러 도플러로 진화하고 있다. 초음파 애플리케이션이 점점 성장하면서 프로브, 아날로그 프런트엔드(AFE), 전원 시스템 같은 부품들에 대한 요구 또한 높아지고 있다.
또한 의료 진단용 초음파 영상 시스템에서는 높은 이미지 품질에 대한 요구가 계속해서 높아지고 있다. 초음파 시스템에서 이미지 품질을 높이는 데 중요한 것이 시스템의 신호대 잡음비(SNR)이며, 여기에 영향을 미치는 요인들은 여러가지가 있는데, 그 중에서도 특히 중요한 것이 전원장치다.
 

초음파의 작동 원리

초음파 시스템은 트랜스듀서, 송신 회로, 수신 회로, 백엔드 디지털 프로세싱 회로, 제어 회로, 디스플레이 모듈 등으로 이루어진다. 디지털 프로세싱 모듈은 대개 FPGA로 이루어지며, 시스템 구성과 제어 파라미터에 따라서 송신 빔포밍과 적절한 파형 패턴을 생성한다. 그 다음에는 송신 회로의 드라이버와 고전압 회로가 고전압 신호를 생성해서 초음파 트랜스듀서를 자극한다. 초음파 트랜스듀서는 통상 PZT 세라믹으로 이루어진다. 이것이 전압 신호를 초음파로 변환해서 인체에 침투시키고 인체 조직으로부터 발생하는 에코를 수신한다. 이 에코는 소전압 신호로 변환되어 송/수신(T/R) 스위치로 전달된다. 이 T/R 스위치의 주된 목적은 고전압 송신 신호가 저전압 수신 아날로그 프런트 엔드를 손상시키지 않도록 하는 것이다. 아날로그 전압 신호는 신호 조절, 게인 제어, 필터링을 거쳐서 AFE의 통합 ADC로 전달되고 그 다음에는 디지털 데이터로 변환된다. 이 디지털 데이터를 JESD204B 또는 LVDS 인터페이스를 통해 FPGA로 전달해서 수신 빔포밍을 하고, 다시 백엔드 디지털 파트로 보내서 추가적인 처리를 하여 초음파 영상을 생성하는 것이다.
 

그림 1: 초음파 시스템 블록 다이어그램

 

전원장치는 초음파 시스템에 어떻게 영향을 미치는가?

그림 1의 초음파 구조에서 살펴보면, 시스템 잡음에 영향을 미치는 인자들은 송신 신호 경로, 수신 신호 경로, TGC 이득 제어, 클러킹, 전원장치 등 다양하다. 이 글에서는 특히 전원장치가 잡음에 어떻게 영향을 미치는지 중점적으로 알아볼 것이다.
초음파 시스템은 다양한 이미지 모드를 사용할 수 있으며, 이미지 모드에 따라서 동적 범위에 대한 요구 사항이  달라지고, 그에 따라 SNR이나 잡음 요구 규격 또한 달라진다. 흑백 모드에는 70dB의 동적 범위가 요구되고, 펄스파 도플러(PWD) 모드에는 130dB가 요구되며, 연속파 도플러(CWD) 모드에는 160dB가 요구된다. 흑백 모드에서는 잡음 플로어가 중요하며, 잡음 플로어에 따라서 원거리 음장으로 가장 낮은 수준의 초음파 에코를 분간할 수 있는 최대 심도가 달라진다. 이것을 ‘침투도(penetration)’라고 하며, 흑백 모드에서 중요한 요소이다. PWD와 CWD 모드에서는 1/f 잡음이 중요하다. PWD와 CWD 이미지 둘 다 1kHz 이하의 저주파 스펙트럼을 포함하며, 위상 잡음이 1kHz 이상의 도플러 주파수 스펙트럼에 영향을 미친다. 초음파 트랜스듀서 주파수는 통상적으로 1MHz ~ 15MHz이기 때문에, 이 범위 내에 존재하는 어떠한 스위칭 주파수 잡음에 의해서든 영향을 받는다. PWD 및 CWD 스펙트럼(100Hz ~ 200kHz) 내에 혼변조 주파수가 있다면, 이 도플러 이미지에는 초음파 시스템에서 허용되지 않는 잡음 스펙트럼이 분명하게 나타나게 될 것이다.
반면, 잘 설계된 전원장치 만으로도 초음파 이미지를 크게 향상시킬 수 있으므로, 초음파 애플리케이션용 전원장치를 설계하는 설계자는 다음과 같은 점을 이해해야 한다.
 

스위칭 주파수

앞서 언급했듯이, 샘플링 대역(200Hz ~ 100kHz)에서 예기치 않은 고조파가 발생하지 않도록 해야 한다. 하지만 전원장치에서는 이 주파수 대역의 잡음을 쉽게 볼 수 있다.
대다수의 스위칭 레귤레이터는 저항을 사용해서 스위칭 주파수를 설정한다. 이 저항의 오차가 서로 다른 스위칭 주파수와 고조파를 발생한다. 예를 들어서 1% 오차의 저항은 400kHz의 DC-DC 레귤레이터에서 ±1%의 오차와 4kHz의 고조파를 발생한다. 이에 대한 해결책은 동기화 기능이 있는 전원 스위처를 선택하는 것이다. 외부 클럭이 SYNC 핀을 통해서 모든 레귤레이터들로 신호를 전송함으로써 모든 레귤레이터들이 동일한 주파수와 위상으로 동기화되어 스위칭할 수 있다.
또 어떤 레귤레이터들은 EMI를 완화하거나 과도 응답을 향상시키고자 20% 가변 스위칭 주파수로 동작할 수 있는데, 이는 400kHz 전원장치에서 0kHz ~ 80kHz의 고조파를 유발한다. 반면, 고정 주파수로 동작하는 스위칭 레귤레이터는 이 같은 문제를 피할 수 있다. ADI의 사일런트 스위처(Silent Switcher) 전압 레귤레이터와 마이크로모듈(mModule) 레귤레이터는 고정 주파수 스위칭을 하면서 스프레드 스펙트럼 기능 없이도  뛰어난 EMI 성능과  최상의 과도 응답 특성을 제공한다.
 

백색 잡음

초음파 시스템은 많은 백색 잡음 요인을 포함하는데, 이러한 백색 잡음은 초음파 이미지에서 배경 잡음을 유발한다. 이 잡음은 주로 신호 경로, 클럭, 전원으로부터 비롯된다.
오늘 날에는 아날로그 프로세싱 부품의 아날로그 전원 핀에 스위칭 레귤레이터 대신 LDO 레귤레이터를 근접시켜 설계하는  것이 일반적이다. ADI의 차세대 LDO 레귤레이터는 약 1mV rms의 극히 낮은 잡음 특성을 가지며,  200mA ~ 3A의 전류를 제공한다. 그림 2와 그림 3은 LDO 레귤레이터 회로와 잡음 성능을 보여준다.
 

그림 2: 차세대 저잡음 LDO 레귤레이터
 

그림 3: 차세대 LDO 레귤레이터의 낮은 잡음 스펙트럼
 

PCB 레이아웃

초음파 시스템에서 데이터 수집 보드를 설계할 때는 고전류 전원 파트와 매우 민감한 신호 경로 부품들 사이에 절충이 필요할 수 있다. 스위칭 전원장치로부터 잡음이 신호 경로 트레이스로 쉽게 유입될 수 있는데, 이러한 잡음은 데이터 프로세싱만으로 제거하기가 쉽지 않다. 스위칭 잡음은 주로 스위칭 입력 커패시터와, 상측 또는 하측 스위치가 생성하는 핫루프로부터 발생되므로 스너버 회로를 추가함으로써 전자기 방사를 관리할 수 있다. 하지만 이렇게 하면 효율도 함께 떨어진다. 사일런트 스위처 구조는 뛰어난 EMI 성능을 내면서, 높은 스위칭 주파수에서도 고효율을 낸다는 특징을 갖는다.
 

핸드헬드 디지털 프로브

트랜스듀서에 접촉되는 인체 피부 조직의 온도는 초음파 흡수로 인한 발열과 더불어 트랜스듀서 자체의 온도에 의해서 강하게 영향을 받는다. 초음파 펄스는 트랜스듀서에 전기 신호를 인가함으로써 생성되며, 이때 일부 전기 에너지가 트랜스듀서 소자, 렌즈, 지지재  등에 의해 손실되는데, 이 때 손실되는 전기 에너지는 트랜스듀서의 발열로 나타난다. 또한, 트랜스듀서 헤드에서 수신 신호를 전자적으로 처리하는 것 역시도 전기적 발열을 일으킨다. 트랜스듀서 표면에서 상피 조직으로 전달되는 온도는 수 °C 까지도 상승할 수 있다. IEC 표준 60601-2-37(2007년 개정판)에서는 트랜스듀서 표면에서 허용 가능한 최대 온도(TSURF)를 규정하고 있다1. 이 최대 온도는 트랜스듀서가 공기 중으로 전송할 때는 50°C이고, 적정한 팬텀으로 전송할 때는 43°C이다. 그러므로 후자의 경우라면 (통상적으로 33°C인) 피부 온도가 최대 10°C까지 더 상승할 수 있다. 복잡한 트랜스듀서를 설계할 때 트랜스듀서 발열을 중요하게 고려해야 하며, 경우에 따라서는 이 같은 온도 한계를 지키기 위해서(빔의 최대 세기 한계 때문이 아니라) 초음파 신호 출력을 제한해야 할 수 있다.
안전 표준 IEC 60601-2-37 Rev 20071은 트랜스듀서 표면의 온도를 공기 중에서 실행할 때 50°C 이하로 제한하고, 33°C(외부에 적용된 트랜스듀서의 경우) 또는 37°C(내부 트랜스듀서의 경우)에서 팬텀과 접촉할 때 43°C 이하로 제한한다. 트랜스듀서의 초음파 신호 출력을 제한하는 경우, 종종 이러한 온도 제한(빔에서 최대 강도에 대한 제한이 아니라)이다. 사일런트 스위처 디바이스는 이 디지털 프로브의 서로 다른 전압 영역에 대해 (3MHz에 이르는 넓은 스위칭 대역폭으로) 전력을 변환시키면서 최대의 효율을 달성한다. 이는 전력 변환 시에 전력 손실이 최소화된다는 것을 뜻한다. 전력 손실은 열 발생으로 이어지기 때문에, 이것은 시스템 냉각 측면에서도 도움이 된다.
 

사일런트 스위처 마이크로모듈 레귤레이터의 이점

사일런트 스위처 마이크로모듈 레귤레이터 기술은 초음파 전원 레일 설계에 특히 적합하다. 이 제품군은 EMI와 스위칭 주파수 잡음을 향상시키는 데 중점을 두고 개발되었다. 전통적으로 회로와 레이아웃 설계 시에는 각 스위칭 레귤레이터의 핫루프에 보다 주의를 기울여야 했다. 그림 4에서 보듯이 벅 컨버터의 경우에 핫루프는 입력 커패시터, 상측 MOSFET, 하측 MOSFET, 그리고 기생 커패시턴스(와이어링, 라우팅, 본딩 등으로 인한 성분)을 포함한다.
사일런트 스위처 모듈 설계는 다음과 같은 두 개의 주요한 특징을 가지고 있다:
첫째, 그림 4와 그림 5에서 보듯이 입력측 두개의 커패시터를 통해 방향이 반대되는 핫루프를 생성함으로써, 대부분의 EMI가 양방향 방사에 의해 상쇄되어 제거되며, 이 방법으로 거의 20dB를 낮출 수 있다.
 

그림 4: 핫루프의 회로 분할
 

그림 5: 사일런트 스위처 제품과 다른 제품의 EMI 성능 비교
 
둘째, 그림 6에서 보는 것과 같이 사일런트 스위처 모듈은 칩 주변으로 직접 본딩을 하는 것이 아니라 구리 기둥 플립칩 패키지를 적용함으로써 기생 인덕턴스를 낮추고 스파이크와 데드 타임을 최적화한다.