作者：ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Yu Lu和ADI醫(yī)療健康系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理Hugh Yu

自2000年(GE)首次推出數(shù)字超聲技術(shù)以來，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)。本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)射波束合成及相應(yīng)的波形模式。發(fā)射電路中的驅(qū)動(dòng)和高壓電路生成高壓信號(hào)來激勵(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。回波轉(zhuǎn)換成微小電壓信號(hào)，并傳輸至發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)。T/R開關(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)過信號(hào)調(diào)理、放大和濾波后，傳輸至集成ADC的模擬前端，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過JESD204B或LVDS接口發(fā)送到FPGA進(jìn)行接收波束合成，再到后端數(shù)字部分進(jìn)一步處理，從而生成超聲圖像。

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(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。而在本文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70dB動(dòng)態(tài)范圍，脈沖波多普勒(PWD)模式需要130dB，連續(xù)波多普勒(CWD)模式需要160dB。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，這是黑白模式的關(guān)鍵指標(biāo)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1kHz以下的低頻信號(hào)，相位噪聲會(huì)影響1kHz以上的多普勒頻譜。由于超聲換能器頻率通常為1MHz至15MHz，因此該范圍內(nèi)的任何開關(guān)頻率噪聲都會(huì)對(duì)其造成影響。在PWD和CWD模式中，如果在其頻譜（從100Hz至200kHz）中存在交調(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，通過考慮和上面相同的這些因素，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)，需要考慮多個(gè)方面的因素。

開關(guān)頻率

如前所述，必須避免在采樣頻帶（200Hz至100kHz）內(nèi)引入不需要的諧波噪聲。在電源系統(tǒng)中，很容易找到此類噪聲。

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器使用電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。該電阻的誤差會(huì)在PCB上引入包含主頻及諧波頻率的不同頻率噪聲。例如，在400kHz DC/DC穩(wěn)壓器中，1%精度電阻提供±1%誤差和4kHz諧波頻率。更好的解決方案是選擇具有同步功能的開關(guān)電源。外部時(shí)鐘將通過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)壓器的開關(guān)頻率會(huì)在主頻20%內(nèi)變化，這會(huì)導(dǎo)致400kHz電源中產(chǎn)生0kHz至80kHz諧波頻率。恒頻開關(guān)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(guān)功能，同時(shí)能在不開啟擴(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。該噪聲主要來自信號(hào)鏈、時(shí)鐘和電源。

目前，使用LDO作為模擬器件的模擬供電引腳輸入是最常見的做法。ADI的下一代LDO穩(wěn)壓器具有大約1μV rms的超低噪聲，可以提供200mA至3A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LT3045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)，通常需要考慮電源部分的大電流和信號(hào)鏈部分的噪聲敏感之間的權(quán)衡。開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲很容易耦合到信號(hào)路徑走線中，并且很難通過數(shù)據(jù)處理去除。開關(guān)噪聲通常由開關(guān)輸入電容（圖4）以及上管和下管組成的熱回路產(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。在這種情況下，Silent Switcher 架構(gòu)可以幫助在高開關(guān)頻率下，優(yōu)化EMI性能，并且保持高效率。

手持式數(shù)字探頭

除了因吸收超聲能量而引起的發(fā)熱，換能器本身的溫度對(duì)換能器附近人體組織的溫度影響很大。通過向換能器施加電信號(hào)，可生成超聲脈沖。有些電量在換能器基元、鏡頭和襯底材料中轉(zhuǎn)換成熱能，導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱。此外，對(duì)換能器探頭中收到的信號(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)。當(dāng)換能器對(duì)著空氣發(fā)射超聲波時(shí)，換能器表面容許的最大溫度為50°C；當(dāng)發(fā)射到合適的體模時(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。換能器發(fā)熱是復(fù)雜的超聲探頭設(shè)中重要的設(shè)計(jì)考量，在一些情況下，這些溫度限制可能會(huì)明顯地限制輸出的聲功率強(qiáng)度。

當(dāng)換能器向空氣發(fā)射超聲時(shí)，安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-2-37（2007版）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）與體模接觸時(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）約束了換能器的聲功率輸出。Silent Switcher產(chǎn)品將電源以最高效率（和寬范圍開關(guān)頻率）轉(zhuǎn)換為不同電壓給數(shù)字探頭供電。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]有太多額外功率以熱量形式損耗。

Silent Switcher模式優(yōu)勢(shì)顯著

Silent Switcher模塊技術(shù)是進(jìn)行超聲電源軌設(shè)計(jì)時(shí)的明智選擇。引入該模塊技術(shù)是為了幫助改善EMI和開關(guān)頻率噪聲。傳統(tǒng)上，應(yīng)該關(guān)注每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器在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。

圖4.拆分熱回路的原理圖

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，通過創(chuàng)建反向的熱回路，由于雙向輻射，大多數(shù)EMI將被抵消。通過該方法，將優(yōu)化輻射近20dB。

圖5.比較Silent Switcher和非Silent Switcher EMI性能

第二，如圖6所示，Silent Switcher模塊不是直接晶圓周圍綁定接線，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θJA，實(shí)現(xiàn)高效率（例如，LTM4638能夠在6.25mm × 6.25mm × 5.02mm封裝中實(shí)現(xiàn)15A）。

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)噪聲水平和開關(guān)噪聲，不僅有助于改善圖像質(zhì)量，限制溫度升高，還簡(jiǎn)化了PCB布局設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。