【導讀】本文將簡要介紹超聲成像系統(tǒng)進行，并詳細分析超聲電源管理設計方面的一些挑戰(zhàn)和解決方案。文中主要討論了4個設計考慮因素：系統(tǒng)噪聲電平、開關噪聲、電磁干擾(EMI)，以及與其電源相關的超聲散熱。本文還將說明Silent Switcher?模塊和低噪聲LDO技術如何幫助解決常見的問題并改善系統(tǒng)噪聲，提高圖像質(zhì)量。
簡介
自2000年(GE)首次推出數(shù)字超聲技術以來，超聲市場發(fā)展迅速。超聲技術已從基于靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，并從黑白轉(zhuǎn)向彩色多普勒。隨著超聲應用越來越多，對組件的要求也不斷提高，例如與探頭、AFE和電源系統(tǒng)相關的要求。
在醫(yī)療診斷領域，越來越多的應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)量的關鍵技術之一是提高系統(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的波形圖案。然后，發(fā)射電路中的驅(qū)動和高壓電路生成高壓信號來激勵超聲換能器。超聲換能器通常采用PZT陶瓷制成。換能器將電壓信號轉(zhuǎn)換為超聲波進入人體，同時接收人體組織產(chǎn)生的回波。回波轉(zhuǎn)換成小電壓信號，并傳輸至發(fā)射/接收(T/R)開關。T/R開關的主要目的是防止高壓發(fā)射信號損壞低壓接收模擬前端。模擬電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理、放大和濾波后，傳輸至AFE的集成ADC，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)。數(shù)字數(shù)據(jù)通過JESD204B或LVDS接口發(fā)射到FPGA進行接收波束成形，然后發(fā)射到后端數(shù)字部分進一步處理，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)來看，系統(tǒng)噪聲會受到許多因素的影響，如發(fā)射信號鏈、接收信號鏈、TGC增益控制、時鐘和電源。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，每種成像模式對動態(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。對于黑白模式，本底噪聲非常重要，它會影響在遠場能夠看到的最小超聲回波的最大深度，也就是穿透性，這是黑白模式的關鍵特性之一。對于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)的任何開關頻率噪聲都會對其造成影響。如果PWD和CWD頻譜（從100 Hz至200 kHz）中存在互調(diào)頻率，多普勒圖像中將會出現(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，通過考慮相同的因素，良好的電源可改善超聲圖像。設計人員為超聲應用設計電源時，應了解多個因素。
開關頻率
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)開關穩(wěn)壓器使用電阻來設置開關頻率。該電阻的誤差會在PCB上引入不同的開關標稱頻率和諧波。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)換開關。外部時鐘將通過SYNC引腳向所有穩(wěn)壓器發(fā)送信號，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，一些穩(wěn)壓器具有20%的可變開關頻率，這會導致400 kHz電源中產(chǎn)生0 kHz至80 kHz諧波頻率。恒頻開關穩(wěn)壓器有助于解決這一問題。ADI的Silent Switcher電源穩(wěn)壓器和電源模塊系列具有恒定頻率開關功能，同時在不開啟擴頻的情況下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬態(tài)響應。
白噪聲
超聲系統(tǒng)中也有許多白噪聲源，這會導致超聲成像中出現(xiàn)背景噪聲。該噪聲主要來自信號鏈、時鐘和電源。
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
在設計超聲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集板時，通常需要考慮高電流電源部分和高度敏感的信號鏈部分之間的權(quán)衡。開關電源產(chǎn)生的噪聲很容易耦合到信號路徑走線中，并且很難通過數(shù)據(jù)處理去除。開關噪聲通常由開關輸入電容（圖4）以及上側(cè)或下側(cè)開關生成的熱回路產(chǎn)生。添加緩沖電路可幫助管理電磁輻射；但同時也會降低效率。即使在高開關頻率下，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換能器附近組織的溫度影響很大。通過向換能器施加電信號，可生成超聲脈沖。一些電能在元件、鏡頭和基底材料中耗散，導致?lián)Q能器發(fā)熱。此外，對換能器頭中收到的信號進行電子處理也可能會產(chǎn)生電熱。從換能器表面排出熱量會使表面組織的溫度升高幾攝氏度。IEC標準60601-2-37（2007版）中指定了最大容許換能器表面溫度(TSURF)。1當換能器信號發(fā)射到空氣中時，最大容許換能器表面溫度為50°C；當發(fā)射到合適的假體時，該溫度為43°C。后一項限制意味著，皮膚溫度（通常為33°C）最高可升高10°C。在復雜的換能器中，換能器發(fā)熱是重要的設計考量，在一些情況下，這些溫度限制可能會有效約束能夠達到的聲輸出。
當換能器在空氣中運行時，安全標準IEC 60601-2-37（2007版）1將換能器表面的溫度限制到50°C以下，當換能器在33°C（對于外部應用的換能器）或37°C（對于內(nèi)部換能器）與假體接觸時，該標準將其表面溫度限制到43°C以下。通常這些溫度限制（而不是對波束中最大強度的限制）約束了換能器的聲輸出。Silent Switcher設備將功率（具有最高3 MHz的寬開關帶寬）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。這對冷卻系統(tǒng)大有幫助，因為沒有太多額外功率以熱量形式損耗。
Silent Switcher模式大有幫助
Silent Switcher模塊技術是進行超聲電源軌設計的明智選擇。引入該模式是為了幫助改善EMI和開關頻率噪聲。傳統(tǒng)上，我們應該關注每個開關穩(wěn)壓器的熱回路上的電路和布局設計。對于降壓電路，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計方法：
第一，如圖4和圖5所示，通過創(chuàng)建對立的熱回路，由于雙向輻射，大多數(shù)EMI將減少。通過該方法，將優(yōu)化近20 dB。
圖4.拆分熱回路的原理圖。
圖5.比較靜音開關和非靜音開關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)時間。
圖6.與傳統(tǒng)綁定技術(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技術提供高功率密度設計，并且能夠在小封裝中實現(xiàn)大電流能力，從而保持低θ JA，實現(xiàn)高效率（例如， LTM4638 能夠在6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm封裝中實現(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)，從而實現(xiàn)低抖動和快速瞬態(tài)響應。該產(chǎn)品系列中的熱門產(chǎn)品參見表2。
結(jié)論
ADI的Silent Switcher電源模塊和LDO產(chǎn)品為超聲電源軌設計提供了完整的解決方案，盡可能減少了系統(tǒng)噪聲電平和開關噪聲。這有助于改善圖像質(zhì)量，而且有助于限制溫度升高，并簡化PCB布局設計復雜性。
參考電路
1 IEC標準60601-2-37。2007。
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