【導(dǎo)讀】本文將簡(jiǎn)要介紹超聲成像系統(tǒng)進(jìn)行，并詳細(xì)分析超聲電源管理設(shè)計(jì)方面的一些挑戰(zhàn)和解決方案。文中主要討論了4個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素：系統(tǒng)噪聲電平、開(kāi)關(guān)噪聲、電磁干擾(EMI)，以及與其電源相關(guān)的超聲散熱。本文還將說(shuō)明Silent Switcher?模塊和低噪聲LDO技術(shù)如何幫助解決常見(jiàn)的問(wèn)題并改善系統(tǒng)噪聲，提高圖像質(zhì)量。
簡(jiǎn)介
自2000年(GE)首次推出數(shù)字超聲技術(shù)以來(lái)，超聲市場(chǎng)發(fā)展迅速。超聲技術(shù)已從基于靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)，并從黑白轉(zhuǎn)向彩色多普勒。隨著超聲應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)組件的要求也不斷提高，例如與探頭、AFE和電源系統(tǒng)相關(guān)的要求。
在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，越來(lái)越多的應(yīng)用需要超聲成像系統(tǒng)輸出更高的圖像質(zhì)量。提高圖像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一是提高系統(tǒng)的信噪比(SNR)。下文將討論影響噪聲的不同因素，特別是電源。
超聲的工作原理是什么？
超聲系統(tǒng)由換能器、發(fā)射電路、接收電路、后端數(shù)字處理電路、控制電路和顯示模塊等組成。數(shù)字處理模塊通常包含現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，F(xiàn)PGA根據(jù)系統(tǒng)的配置和控制參數(shù)生成發(fā)射波束成形器及相應(yīng)的波形圖案。然后，發(fā)射電路中的驅(qū)動(dòng)和高壓電路生成高壓信號(hào)來(lái)激勵(lì)超聲換能器。超聲換能器通常采用PZT陶瓷制成。換能器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波進(jìn)入人體，同時(shí)接收人體組織產(chǎn)生的回波?；夭ㄞD(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)，并傳輸至發(fā)射/接收(T/R)開(kāi)關(guān)。T/R開(kāi)關(guān)的主要目的是防止高壓發(fā)射信號(hào)損壞低壓接收模擬前端。模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、放大和濾波后，傳輸至AFE的集成ADC，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)JESD204B或LVDS接口發(fā)射到FPGA進(jìn)行接收波束成形，然后發(fā)射到后端數(shù)字部分進(jìn)一步處理，從而創(chuàng)建超聲圖像。
圖1.超聲系統(tǒng)方框圖。
電源如何影響超聲系統(tǒng)？
從上述超聲架構(gòu)來(lái)看，系統(tǒng)噪聲會(huì)受到許多因素的影響，如發(fā)射信號(hào)鏈、接收信號(hào)鏈、TGC增益控制、時(shí)鐘和電源。在本文中，我們將討論電源如何影響噪聲。
超聲系統(tǒng)提供不同類型的成像模式，每種成像模式對(duì)動(dòng)態(tài)范圍有不同的要求。這也意味著，SNR或噪聲要求取決于不同的成像模式。黑白模式需要70 dB動(dòng)態(tài)范圍，脈沖波多普勒(PWD)模式需要130 dB，連續(xù)波多普勒(CWD)模式需要160 dB。對(duì)于黑白模式，本底噪聲非常重要，它會(huì)影響在遠(yuǎn)場(chǎng)能夠看到的最小超聲回波的最大深度，也就是穿透性，這是黑白模式的關(guān)鍵特性之一。對(duì)于PWD和CWD模式，1/f噪聲尤為重要。PWD和CWD圖像均包括1 kHz以下的低頻譜，相位噪聲會(huì)影響1 kHz以上的多普勒頻譜。由于超聲換能器頻率通常為1 MHz至15 MHz，因此該范圍內(nèi)的任何開(kāi)關(guān)頻率噪聲都會(huì)對(duì)其造成影響。如果PWD和CWD頻譜（從100 Hz至200 kHz）中存在互調(diào)頻率，多普勒?qǐng)D像中將會(huì)出現(xiàn)明顯的噪聲頻譜，這在超聲系統(tǒng)中是不可接受的。
另一方面，通過(guò)考慮相同的因素，良好的電源可改善超聲圖像。設(shè)計(jì)人員為超聲應(yīng)用設(shè)計(jì)電源時(shí)，應(yīng)了解多個(gè)因素。
開(kāi)關(guān)頻率
如前所述，必須避免將意外的諧波頻率引入采樣頻帶（200 Hz至100 kHz）。在電源系統(tǒng)中，很容易找到此類噪聲。
大多數(shù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用電阻來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。該電阻的誤差會(huì)在PCB上引入不同的開(kāi)關(guān)標(biāo)稱頻率和諧波。例如，在400 kHz DC/DC穩(wěn)壓器中，1%精度電阻提供±1%誤差和4 kHz諧波頻率。更好的解決方案是選擇具有同步功能的電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。外部時(shí)鐘將通過(guò)SYNC引腳向所有穩(wěn)壓器發(fā)送信號(hào)，使所有穩(wěn)壓器切換到相同頻率和相同相位下工作。
此外，出于EMI考量或更高的瞬態(tài)響應(yīng)，一些穩(wěn)壓器具有20%的可變開(kāi)關(guān)頻率，這會(huì)導(dǎo)致400 kHz電源中產(chǎn)生0 kHz至80 kHz諧波頻率。恒頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有助于解決這一問(wèn)題。ADI的Silent Switcher電源穩(wěn)壓器和電源模塊系列具有恒定頻率開(kāi)關(guān)功能，同時(shí)在不開(kāi)啟擴(kuò)頻的情況下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬態(tài)響應(yīng)。
白噪聲
超聲系統(tǒng)中也有許多白噪聲源，這會(huì)導(dǎo)致超聲成像中出現(xiàn)背景噪聲。該噪聲主要來(lái)自信號(hào)鏈、時(shí)鐘和電源。
現(xiàn)在，在模擬處理組件的模擬電源引腳添加LDO穩(wěn)壓器是常見(jiàn)的做法。ADI的下一代LDO穩(wěn)壓器具有大約1 μV rms的超低噪聲，涵蓋200 mA至3 A的電流。電路和規(guī)格參數(shù)如圖2和圖3所示。
圖2.下一代低噪聲LDO穩(wěn)壓器。
圖3.下一代LT3073的低噪聲譜密度。
PCB布局
在設(shè)計(jì)超聲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集板時(shí)，通常需要考慮高電流電源部分和高度敏感的信號(hào)鏈部分之間的權(quán)衡。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲很容易耦合到信號(hào)路徑走線中，并且很難通過(guò)數(shù)據(jù)處理去除。開(kāi)關(guān)噪聲通常由開(kāi)關(guān)輸入電容（圖4）以及上側(cè)或下側(cè)開(kāi)關(guān)生成的熱回路產(chǎn)生。添加緩沖電路可幫助管理電磁輻射；但同時(shí)也會(huì)降低效率。即使在高開(kāi)關(guān)頻率下，Silent Switcher架構(gòu)也有助于提高EMI性能，并保持高效率。
手持式數(shù)字探頭
除了因吸收超聲而引起的發(fā)熱，換能器本身的溫度對(duì)換能器附近組織的溫度影響很大。通過(guò)向換能器施加電信號(hào)，可生成超聲脈沖。一些電能在元件、鏡頭和基底材料中耗散，導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱。此外，對(duì)換能器頭中收到的信號(hào)進(jìn)行電子處理也可能會(huì)產(chǎn)生電熱。從換能器表面排出熱量會(huì)使表面組織的溫度升高幾攝氏度。IEC標(biāo)準(zhǔn)60601-2-37（2007版）中指定了最大容許換能器表面溫度(TSURF)。1當(dāng)換能器信號(hào)發(fā)射到空氣中時(shí)，最大容許換能器表面溫度為50°C；當(dāng)發(fā)射到合適的假體時(shí)，該溫度為43°C。后一項(xiàng)限制意味著，皮膚溫度（通常為33°C）最高可升高10°C。在復(fù)雜的換能器中，換能器發(fā)熱是重要的設(shè)計(jì)考量，在一些情況下，這些溫度限制可能會(huì)有效約束能夠達(dá)到的聲輸出。
當(dāng)換能器在空氣中運(yùn)行時(shí)，安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-2-37（2007版）1將換能器表面的溫度限制到50°C以下，當(dāng)換能器在33°C（對(duì)于外部應(yīng)用的換能器）或37°C（對(duì)于內(nèi)部換能器）與假體接觸時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)將其表面溫度限制到43°C以下。通常這些溫度限制（而不是對(duì)波束中最大強(qiáng)度的限制）約束了換能器的聲輸出。Silent Switcher設(shè)備將功率（具有最高3 MHz的寬開(kāi)關(guān)帶寬）轉(zhuǎn)換到數(shù)字探頭的不同電壓域的效率最高。這意味著，功率轉(zhuǎn)換期間的功率損耗很低。這對(duì)冷卻系統(tǒng)大有幫助，因?yàn)闆](méi)有太多額外功率以熱量形式損耗。
Silent Switcher模式大有幫助
Silent Switcher模塊技術(shù)是進(jìn)行超聲電源軌設(shè)計(jì)的明智選擇。引入該模式是為了幫助改善EMI和開(kāi)關(guān)頻率噪聲。傳統(tǒng)上，我們應(yīng)該關(guān)注每個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的熱回路上的電路和布局設(shè)計(jì)。對(duì)于降壓電路，如圖4所示，熱回路包含輸入電容、頂部MOSFET、底部MOSFET，以及由走線、路由、邊界(bounding)等引起的寄生電感。
Silent Switcher模塊主要提供兩種設(shè)計(jì)方法：
第一，如圖4和圖5所示，通過(guò)創(chuàng)建對(duì)立的熱回路，由于雙向輻射，大多數(shù)EMI將減少。通過(guò)該方法，將優(yōu)化近20 dB。
圖4.拆分熱回路的原理圖。
圖5.比較靜音開(kāi)關(guān)和非靜音開(kāi)關(guān)EMI性能。
第二，如圖6所示，Silent Switcher模塊不是直接在芯片周圍焊接，而是采用銅柱倒裝芯片封裝，有助于減少寄生電感，優(yōu)化尖峰和死區(qū)時(shí)間。
圖6.與傳統(tǒng)綁定技術(shù)(LT8610)相比較的銅柱倒裝芯片封裝及其性能(LT8614)。
此外，如圖7所示，Silent Switcher技術(shù)提供高功率密度設(shè)計(jì)，并且能夠在小封裝中實(shí)現(xiàn)大電流能力，從而保持低θ JA，實(shí)現(xiàn)高效率（例如， LTM4638 能夠在6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm封裝中實(shí)現(xiàn)15 A）。
圖7.Silent Switcher電源模塊封裝內(nèi)視圖。
表1.Silent Switcher模塊概覽
表2.熱門Silent Switcher產(chǎn)品
此外，許多Silent Switcher模塊也具有固定頻率、寬頻率范圍和峰值電流架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)和快速瞬態(tài)響應(yīng)。該產(chǎn)品系列中的熱門產(chǎn)品參見(jiàn)表2。
結(jié)論
ADI的Silent Switcher電源模塊和LDO產(chǎn)品為超聲電源軌設(shè)計(jì)提供了完整的解決方案，盡可能減少了系統(tǒng)噪聲電平和開(kāi)關(guān)噪聲。這有助于改善圖像質(zhì)量，而且有助于限制溫度升高，并簡(jiǎn)化PCB布局設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
參考電路
1 IEC標(biāo)準(zhǔn)60601-2-37。2007。
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