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  • 紧凑的四输出降压型稳压器解决方案加速采用数字内窥镜

    紧凑的四输出降压型稳压器解决方案加速采用数字内窥镜

      1内窥镜发展历史  大多数历史学家都认为,Bozzini 的 Lichleiter 是第一个与我们今天所知的内窥镜相似的设备。该设备于 19 世纪初发明,它很不灵活,用倾斜的镜子将图像投射到医生眼中,只用一根蜡烛照明,图像质量很差。之后大约在 20 世纪,照明方法有了改进,几位发明家发明了一种方法,用摄像机捕获内窥镜静止图像。到了 20 世纪 50 年代,日本的先驱者 Mori 和 Yamadori 用内窥镜在世界上首次记录了运动影像,记录的是生产过程。那个时代的摄影和运动影像记录技术的缺点是,图像不能共享,不能实时处理。我们不断沿着这些先驱们开拓的道路前进。现在,现代数字成像技术支持这些功能,而且分辨率比以往任何时候都高。  2 迈进采用数字内窥镜  21 世纪,CMOS图像传感器已经达到了医疗专业人员寻求的图像分辨率和低功耗规格。这类图像传感器以高达全 HD (1980 x 1080 像素) 及更高的分辨率提供高质量图像。有些公司超越了标准 2D HD 图像技术,推出了 3D 立体内窥镜。功耗 (及其导致的温度上升) 也是一个重要因素,因为CMOS传感器常常置于内窥镜末端的摄像头内,其大小设计为方便手术团队人手操作,以定位镜头,呈现想要的图像。现代CMOS传感器的高图像分辨率和低功耗是人们对数字内窥镜产生浓厚兴趣的基础。而这当然要配备有足够处理能力。  3 增加数字处理功能占用空间就会减少负载点稳压器的 PCB 面积  不足为怪的是,建立、显示、操作、分配和存储这些 CMOS 传感器产生的大量数据,需要大量数字处理能力,这种能力常常由摄像机控制单元 (CCU) 提供。典型内窥镜系统的主要组件包括图像处理器、一个或多个FPGA、存储器、A/D 转换器、视频显示端口和以太网控制器,这些组件必须集成在一起,以支持上述功能。接下来,这些器件大部分需要多个输入电压工作。这就给设计工程师带来了挑战,即如何在更小的空间中支持显著增加的电源轨。  为了方便所有这些数字组件的集成,使患者和医生同样受益,凌力尔特推出了节省空间的LTM4644,这是一款 14VIN四输出降压型微型模块 (μModule)稳压器。LTM4644在双面 PCB 上占用 2.3cm x 1.5cm 空间 (参见图 1),可调节四个输出电压,每个电压提供高达 4A 电流,以满足数字内窥镜系统中FPGA以及其他数字处理器的功率要求 (参见图 2)。相比之下,其他厂商所提供类似可比的降压型模块解决方案需要的 PCB 面积则是LTM4644的 4 倍。此外,凭借可均流输出,这款降压型微型模块稳压器使工程师能够灵活配置稳压器,配置为单 (16A)、双 (12A、4A 或 8A、8A)、三 (8A、4A、4A) 或四 (每个 4A) 输出。这种灵活性使内窥镜系统工程师仅用一个简单和紧凑的微型模块稳压器就能够满足FPGA、ASIC、微处理器和电路板上其他电路的各种电压和负载电流要求。  整个LTM4644解决方案在双面 PCB (背面有一个电容器和四个电阻器) 上占用 3.5cm2 面积。  LTM4644微型模块稳压器在 4V 至 14V (或有外部偏置时为 2.375V 至 14V) 输入范围内,支持多达四个单独的输出电压轨,每输出提供高达 4A 电流,以支持FPGA、其他数字处理器、存储器和支持性模拟电路的功率需求。构成一个完整的解决方案仅需要 6 个外部陶瓷电容器 (1206 外壳尺寸) 和4 个电阻器。  为了节省空间和设计时间,LTM4644四输出稳压器在 9mm x 15mm x 5.01mm BGA 封装中纳入了 DC/DC 控制器、功率开关、电感器和补偿电路。4V 至 14V 输入电源 (或当使用外部偏置电源时为 2.375V 至 14V) 为每个稳压器通道供电,提供可在 0.6V 至 5.5V 范围内调节的稳定输出电压,在电压、负载和温度范围内,其准确度为 ±1.5%。无论输出均流与否,单独的输入电源引脚允许工程师为满足功率预算要求,用不同的电源轨为四个通道供电。还可以采取另一种措施减小解决方案占板面积和成本。LTM4644 中的四个开关以相同频率和 90 度相差工作,可将输入电容减小一半的情况下得到相同的输入纹波性能。因此,当用相同的输入电源工作时,四输出配置仅需要 6 个外部陶瓷电容器 (1206 外壳尺寸) 和 4 个反馈电阻 (0603 外壳尺寸或更小)。LTM4644 采用小型 BGA 封装,所需外部组件非常少,可构成目前最小的四输出 4A DC/DC 降压型解决方案。  除此之外,LTM4644还具有良好控制的上电排序功能。  LTM4644 的单输出版本 LTM4624,是另一种更小的解决方案,适用于任何遗漏的电源轨。  4 结论  越来越多地使用数字内窥镜可为患者及医生带来极大的好处。CMOS图像传感器以足够低的工作温度,于人体内建立图像分辨率足够高的数字图像和视频,适合手术团队用来捕获所需部位的图像。这些图像和视频可以非常容易地存储、增强和共享,帮助实现更有效、更快速和成本更低的治疗,使患者及其家属和医疗团队受益。完成这三大任务需要一组数字处理器、存储器、A/D 转换器、视频显示端口和一个以太网控制器,这些组件增大了所占用的 PCB 面积。因此,负载点稳压器必须在占用更小空间的同时,支持更多的电压轨,以保持内窥镜系统尺寸不变。LTM4644 和 LTM4624 降压型微型模块稳压器提供了一种简单、紧凑的解决方案,专为应对上述挑战而设计。

    时间:2019-02-27 关键词: FPGA cmos 电源技术解析 ltm4644

  • 无人操作军用系统需要性能较高的电子系统

    无人操作军用系统需要性能较高的电子系统

    引言 现代无人操作军用系统已经成为全世界武装部队不可或缺的组成部分,国防行业不断对这类系统进行密集的开发,以使其能够发挥大范围攻击、监视和作战支持的作用。无人操作系统也许是如今的国防行业中最具活力的领域,全球年支出超过 55 亿美元,到 2024 年,预计这一数字将接近 100 亿美元。 无人驾驶航空器 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 领域令人吃惊的一面是,系统种类极其丰富,从有些重量不到 20 克的纤巧纳米无人驾驶航空器 (Nano UAV,NUAV) 到中型 UAV,例如质量为 450 千克、有效载荷能力为 150 千克的守望者 (Watchkeeper),直至起飞重量超过 5000 千克的 MQ-9 收割者 (MQ-9 Reaper) (以前名为捕食者 B (Predator B)),跨度之大、种类之多令人叹为观止。 UAV 无论大小,在平衡其性能和任务续航时间时,尺寸、重量和功率 (Size, Weight and Power,SWaP) 都是需要考虑的关键因素。有大量电子系统可以采用,但是在本文中,考虑电子系统时的关注点将落在以下几个方面: · 空中运行安全性和自主运行 · 传感器和数据处理 · 通信和信息安全 · 电源系统 早期无人操作系统简介 现代 UAV 的起源可以追溯到 100 多年前,不过人们可能将 1930 年代用作空中目标打击练习的无线电控制无人驾驶飞机视作最知名的 UAV 鼻祖。英国制造了 400 多架这种飞机,当时以“蜂王”这个名字闻名于世,据说由于这种飞机而诞生了“无人驾驶飞机”这个术语。这种飞机要求,飞行时始终处于遥控飞机的飞行员的视线之内。不过没过多久,人们就开始尝试超出视距范围的自主飞行了。在 1940 年,爱德华·索伦森 (Edward M. Sorensen) 为他的地面站发明申请了专利,在这项发明中,使用频率调制技术控制飞机,并读回视距范围以外的飞行信息。之所以有了这项专利,是因为人们认识到,需要一种自动防止故障的模式,保持飞机平飞,并同时建立一个备份控制系统。 随着战时武器有效载荷的发展,以及后来在 1950 年代和 1960 年代侦查平台的发展,无人操作军用系统的复杂性也提高了。1960 年代早期的瑞恩 (Ryan) 无人驾驶飞机采用了基本的制导系统,该系统由可编程定时器、回转罗盘和高度表组成,决定着离港飞行高度层、航向和飞行时间,这种飞机还提供倒转和降落伞辅助着陆功能。尽管这些都是相当基本的功能,但是用胶片相机获得影像的战略意义以及半自主系统的优势是很容易看到的,因此人们想更加齐心协力地进行进一步的开发。 空中飞行安全性和自主运行 显然,飞行安全问题是至关重要的,人们已经就此问题展开了广泛的辩论,以确定怎样管制天空,才能使 UAV 的存在不会影响到现有空中交通的安全性,同时使军用和民用 UAV 的应用开发不受制约。 在视线范围内飞行的小型 UAV 依靠遥控飞机的飞行员来判断是否会发生碰撞,而自主或半自主运行的较大型 UAV 要想躲避空中碰撞,则需要复杂的检测和躲避系统。人们正在为此开发多种传感器,例如修改传统飞机应答器、可视和红外摄像机、激光探测与测距 (Light Detection and Ranging,LiDAR) 系统以及常规雷达系统。将来自这些传感器系统的数据转换成能够反映所处环境的图片,然后自主做出飞行决定,这需要非常复杂的软件和硬件资源,而且对于分享民用空域的 UAV 而言,还需要在满足现有协议要求的前提下运行。在友好空域中飞行时,使用地面雷达和交通绘图资源降低机载系统复杂性、扩大监测范围,也许是一种选择,不过采用这种方式时,在数据链路可靠性、延迟等其他问题上要做出折中。ASTREA 计划显示,可以采用自主检测和躲避技术,但是这种技术是在 Jetstream 飞机上采用的,这种飞机没有 UAV 的功耗、尺寸和重量限制。调整这种技术以使其能够用于大部分 UAV 是个很大的挑战,不过采用先进的现场可编程门阵列 (FPGA)、数字信号处理 (DSP) 和高性能模拟电子器件,可以使这种技术实现微型化。给这类电子系统供电也不是个简单任务,FPGA 需要严格的电源准确度以及低压和大电流,这就要求仔细设计电源链,以最大限度降低功耗、减少产生的热量。一种方法是使用数字电源系统管理 (PSM) 技术,这种技术通过动态调节电压和频率,可以降低功耗,从而有助于延长较小型 UAV 的任务续航时间。PSM 还提高了可靠性,并提供遥控和监视功能,以及能量使用记录和“黑匣子”故障记录功能。   图 1:数字电源系统管理 传感器和数据处理 即使最小型的、手动启动的 NUAV 也可以携带多个摄像机和照相机完成监视任务,而多种版本的 MQ-9 收割者能够满足各种不同的猎杀及监视需求。携带武器的版本可能载有摄像机、红外夜视摄像机以及在有云或烟雾时使用的合成孔径雷达 (SAR),还有用于制导弹药的激光测距仪和目标照明系统。提供诱饵和干扰功能的版本也已开发出来,同时战术数据链路系统能够直接向有人驾驶飞机发送目标信息及影像数据。在信号情报 (SIGINT) 领域预计将进行更多开发工作,随着信号情报系统的进步,航程更长的版本将提供超过 40 小时的任务续航时间。由于机载传感器的迅速增加以及任务续航时间的延长而产生了大量数据,这些数据必须压缩和存储或通过实时数据链路发送,这势必导致某些方面的折中,例如带宽、质量和可能的影像数据损失。 每增加一种新的有效载荷能力,都会增大电源系统的负担。不过幸运的是,印刷电路板级电源解决方案的开发也取得了进步,最近几年功率密度得到了显著改进,ADI的 µModule® (微型模块) 稳压器解决方案就是一种进步的技术。每个小型模块都含有一个完整的高效率电源,其外形尺寸适合对尺寸要求很严格的应用,而且可靠性非常高。图 2 显示了一个例子。   图 2:LTM4644 µModule 稳压器 通信与信息安全 UAV 的通信链路可以分为两部分: · 飞行控制数据链路 - 用于远程命令 (上行链路) 和遥测 (下行链路) 信息,以在 UAV 响应操作人员指令或按照 GPS 坐标自主飞行执行任务计划时,对 UAV 进行监控。一般情况下,采用扩展频谱技术的 56kbps 链路可以满足飞行控制数据链路的需求,上行链路可以用 128 位加密算法和前向纠错加以保护。 · 传送有效载荷传感器信息的通信链路 – 被看作是单独的通信链路,高清视频可能要求高达 10Mbps 的带宽,同时运行 COFDM、MPEG-4 或类似调制方案。诸如收割者等大型 UAV 一般会结合使用租用的专用卫星中继线路 (Ku 频段) 和地面 (C 频段) 通信线路,有充足的空间放置大型天线,而其他类型的无人机也许在工业、科研和医疗 (ISM) 频段运行,例如 2.4GHz (WLAN) 和 5.8GHz 频段。 与空中交通控制系统及协议的集成是实现 UAV 完全自主运行的另一个障碍,因为 UAV 需要响应语音命令,提供航向和飞行高度层信息,并通过 VHF 无线电频道及合成语音确认系统,确认已接受命令。 信息安全风险包括故意或偶然的干扰;假冒或拦截命令及控制信号;通信通道衰减。在常规的有人驾驶飞行中,为了避开任何非常靠近的空中飞行物,飞行员可以立即动手控制飞机,显然在使用 UAV 的情况下,飞行员始终要依靠通信链路以及机载传感器的稳定运行。 风险总是可以减轻的,即使是非常小和按照一套设定 GPS 坐标飞行的 UAV,也可以升高飞行高度,以恢复丢失的 GPS 信号,在达到离港续航时间限制时自动返回基站。作为应变措施,防欺诈 GPS 系统结合使用 GPS 接收器和惯性测量单元,对接收到的 GPS 信号进行统计分析也有助于确定是否有人尝试欺骗系统。 当然,所有这些通信系统都需要电源,而且敏感的无线电接收器需要一些噪声非常低的电源,这样无线电灵敏度才不会因电源而降低。新的芯片工艺技术和新颖的 IC 设计方法已经导致出现了一系列开创性产品,这些产品既能提供前所未有的高效率,噪声又非常低,例如 LT8640 Silent Switcher® 和 LT3042 超低噪声、超高 PSRR RF 线性稳压器。   图 3:LT8640 Silent Switcher 稳压器 电源系统 本文之前已经强调过,一些 IC 级电源技术进步支持了 UAV 及传感器有效载荷的持续变化,不过,机载动力源的选择也是影响总体性能的核心因素。随着人们日益专注于开发成本更低、尺寸更小、重量更轻的 UAV,内燃型动力源的吸引力下降了,燃料电池技术成为可能的选择,尤其是对续航时间长、平均功率需求低的任务而言。 美洲狮 (Puma) 系列小型 UAV 正在试验的一种燃料电池将飞行时间从 150 分钟 (使用 LiSO2 电池时) 延长到将近 5 小时,整个燃料电池系统重约 2 千克,功率与重量之比约为 1kW/千克。   图 4:UAV 动力源的功率与重量之比 Power-to-Weight Ratio:功率与重量之比 Solar PV:太阳能光伏电池 Lithium-Ion Battery Types:锂离子型电池 Fuel Cells:燃料电池 Piston/Radial Engines:活塞 / 径向引擎 Turbofan/Turboprop Engines:涡扇 / 涡桨发动机 Increasing Complexity and Cost:复杂性和成本逐渐提高 燃料电池的位置在电池和内燃机解决方案之间,具备环保优势,但确实面临一些燃料处理和存储问题,不过通过在可更换燃料盒中存储颗粒状氢,可以克服这类问题。 小型 UAV 和 NUAV 最有可能继续使用锂离子电池,视配置不同而不同,用单节电池就能使 NUAV 飞行大约 30 分钟。较长续航时间和较大型的型号将需要多节电池设计,这类设计可受益于用 LTC3300 等 IC 实现的电池容量平衡技术,这种技术可最大限度延长系统运行时间。飞行高度很高、充当伪卫星的 UAV,例如谷歌以及其他公司正在开发、将来拟用于提供互联网服务的 UAV,也可以用太阳能动力取代电池。这类系统需要在因辐射作用增强可能导致单粒子翻转的环境中保持可靠运行,因此复杂性会提高,而且也许需要专门规定所使用 IC 的特性,并对这些 IC 进行专门测试。 结论 现在,无人操作系统在武装部队中起着不可或缺的作用,军方提供的大量资金促进了这类系统的快速开发,开发焦点尤其集中在较小型、价格较低的 UAV 系统上。 随着传感器有效载荷和 UAV 平台电子系统变得越来越复杂,电源链和机载动力源的效率对于提供足够高的运行性能变得至关重要了,新型 IC 电源解决方案正在帮助实现 SWaP 目标。 飞行高度很高的 UAV 和续航时间非常长的任务正在推进对太阳能、燃料电池等新型电源的需求,而使用新型电源又意味着需要新型 IC。

    时间:2017-08-24 关键词: 稳压器 电子系统 μmodule ltm4644 行业资讯 无人驾驶航空器

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