【導讀】本文將簡要介紹超聲成像係統進行，並詳細分析超聲電源管理設計方麵的一些挑戰和解決方案。文中主要討論了4個設計考慮因素：係統噪聲電平、開關噪聲

、電磁幹擾(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並改善係統噪聲，提高圖像質量。

簡介

自2000年(GE)首shou次ci推tui出chu數shu字zi超chao聲sheng技ji術shu以yi來lai
，超chao聲sheng市shi場chang發fa展zhan迅xun速su。超chao聲sheng技ji術shu已yi從cong基ji於yu靜jing態tai轉zhuan向xiang動dong態tai，並bing從cong黑hei白bai轉zhuan向xiang彩cai色se多duo普pu勒le。隨sui著zhe超chao聲sheng應ying用yong越yue來lai越yue多duo，對dui組zu件jian的de要yao求qiu也ye不bu斷duan提ti高gao，例li如ru與yu探tan頭tou
、AFE和電源係統相關的要求。

在醫療診斷領域，越來越多的應用需要超聲成像係統輸出更高的圖像質量。提高圖像質量的關鍵技術之一是提高係統的信噪比(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麼
？

超聲係統由換能器
、發射電路、接收電路、後端數字處理電路、控製電路和顯示模塊等組成。數字處理模塊通常包含現場可編程門陣列(FPGA)
，FPGA根gen據ju係xi統tong的de配pei置zhi和he控kong製zhi參can數shu生sheng成cheng發fa射she波bo束shu成cheng形xing器qi及ji相xiang應ying的de波bo形xing圖tu案an。然ran後hou，發fa射she電dian路lu中zhong的de驅qu動dong和he高gao壓ya電dian路lu生sheng成cheng高gao壓ya信xin號hao來lai激ji勵li超chao聲sheng換huan能neng器qi。超chao聲sheng換huan能neng器qi通tong常chang采cai用yongPZT陶瓷製成。換能器將電壓信號轉換為超聲波進入人體，同時接收人體組織產生的回波。回波轉換成小電壓信號，並傳輸至發射/接收(T/R)開關。T/R開關的主要目的是防止高壓發射信號損壞低壓接收模擬前端。模擬電壓信號經過信號調理、放大和濾波後，傳輸至AFE的集成ADC，然後轉換成數字數據。數字數據通過JESD204B或LVDS接口發射到FPGA進行接收波束成形
，然後發射到後端數字部分進一步處理，從而創建超聲圖像。

圖1.超聲係統方框圖。

電源如何影響超聲係統
？

從上述超聲架構來看
，係統噪聲會受到許多因素的影響，如發射信號鏈、接收信號鏈、TGC增益控製
、時鍾和電源。在本文中

，我們將討論電源如何影響噪聲。

超聲係統提供不同類型的成像模式
，每種成像模式對動態範圍有不同的要求。這也意味著，SNR或噪聲要求取決於不同的成像模式。黑白模式需要70 dB動態範圍，脈衝波多普勒(PWD)模式需要130 dB，連續波多普勒(CWD)模式需要160 dB。對(dui)於(yu)黑(hei)白(bai)模(mo)式(shi)，本(ben)底(di)噪(zao)聲(sheng)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，它(ta)會(hui)影(ying)響(xiang)在(zai)遠(yuan)場(chang)能(neng)夠(gou)看(kan)到(dao)的(de)最(zui)小(xiao)超(chao)聲(sheng)回(hui)波(bo)的(de)最(zui)大(da)深(shen)度(du)，也(ye)就(jiu)是(shi)穿(chuan)透(tou)性(xing)，這(zhe)是(shi)黑(hei)白(bai)模(mo)式(shi)的(de)關(guan)鍵(jian)特(te)性(xing)之(zhi)一(yi)。對(dui)於(yu)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。由於超聲換能器頻率通常為1 MHz至15 MHz，因此該範圍內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）中存在互調頻率，多普勒圖像中將會出現明顯的噪聲頻譜，這在超聲係統中是不可接受的。

另一方麵，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）。在電源係統中，很容易找到此類噪聲。

大多數開關穩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換開關。外部時鍾將通過SYNC引腳向所有穩壓器發送信號，使所有穩壓器切換到相同頻率和相同相位下工作。

此外

，出於EMI考量或更高的瞬態響應
，一些穩壓器具有20%的可變開關頻率，這會導致400 kHz電源中產生0 kHz至80 kHz諧波頻率。恒頻開關穩壓器有助於解決這一問題。ADI的Silent Switcher電源穩壓器和電源模塊係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，以及出色的瞬態響應。

白噪聲

超聲係統中也有許多白噪聲源，這會導致超聲成像中出現背景噪聲。該噪聲主要來自信號鏈
、時鍾和電源。

現在
，在模擬處理組件的模擬電源引腳添加LDO穩壓器是常見的做法。ADI的下一代LDO穩壓器具有大約1 μV rms的超低噪聲
，涵蓋200 mA至3 A的電流。電路和規格參數如圖2和圖3所示。

圖2.下一代低噪聲LDO穩壓器。

圖3.下一代LT3073的低噪聲譜密度。

PCB布局

在zai設she計ji超chao聲sheng係xi統tong中zhong的de數shu據ju采cai集ji板ban時shi，通tong常chang需xu要yao考kao慮lv高gao電dian流liu電dian源yuan部bu分fen和he高gao度du敏min感gan的de信xin號hao鏈lian部bu分fen之zhi間jian的de權quan衡heng。開kai關guan電dian源yuan產chan生sheng的de噪zao聲sheng很hen容rong易yi耦ou合he到dao信xin號hao路lu徑jing走zou線xian中zhong，並bing且qie很hen難nan通tong過guo數shu據ju處chu理li去qu除chu。開kai關guan噪zao聲sheng通tong常chang由you開kai關guan輸shu入ru電dian容rong（圖4）以及上側或下側開關生成的熱回路產生。添加緩衝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架構也有助於提高EMI性能
，並保持高效率。

手持式數字探頭

chuleyinxishouchaoshengeryinqidefare，huannengqibenshendewenduduihuannengqifujinzuzhidewenduyingxianghenda。tongguoxianghuannengqishijiadianxinhao，keshengchengchaoshengmaichong。yixiediannengzaiyuanjian
、鏡jing頭tou和he基ji底di材cai料liao中zhong耗hao散san
，導dao致zhi換huan能neng器qi發fa熱re。此ci外wai，對dui換huan能neng器qi頭tou中zhong收shou到dao的de信xin號hao進jin行xing電dian子zi處chu理li也ye可ke能neng會hui產chan生sheng電dian熱re。從cong換huan能neng器qi表biao麵mian排pai出chu熱re量liang會hui使shi表biao麵mian組zu織zhi的de溫wen度du升sheng高gao幾ji攝she氏shi度du。IEC標準60601-2-37（2007版）中指定了最大容許換能器表麵溫度(TSURF)。1當換能器信號發射到空氣中時，最大容許換能器表麵溫度為50°C
；當發射到合適的假體時，該溫度為43°C。後一項限製意味著，皮膚溫度（通常為33°C）最高可升高10°C。在複雜的換能器中，換能器發熱是重要的設計考量，在一些情況下，這些溫度限製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將換能器表麵的溫度限製到50°C以下，當換能器在33°C（對於外部應用的換能器）或37°C（對於內部換能器）與假體接觸時，該標準將其表麵溫度限製到43°C以下。通常這些溫度限製（而不是對波束中最大強度的限製）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zhuan換huan到dao數shu字zi探tan頭tou的de不bu同tong電dian壓ya域yu的de效xiao率lv最zui高gao。這zhe意yi味wei著zhe，功gong率lv轉zhuan換huan期qi間jian的de功gong率lv損sun耗hao很hen低di。這zhe對dui冷leng卻que係xi統tong大da有you幫bang助zhu

，因yin為wei沒mei有you太tai多duo額e外wai功gong率lv以yi熱re量liang形xing式shi損sun耗hao。

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。傳統上
，我們應該關注每個開關穩壓器的熱回路上的電路和布局設計。對於降壓電路
，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，通過創建對立的熱回路，由於雙向輻射
，大多數EMI將減少。通過該方法
，將優化近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，有助於減少寄生電感，優化尖峰和死區時間。

圖6.與傳統綁定技術(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，並且能夠在小封裝中實現大電流能力

，從而保持低θ JA
，實現高效率（例如， LTM4638 能夠在6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm封裝中實現15 A）。

圖7.Silent Switcher電源模塊封裝內視圖。

表1.Silent Switcher模塊概覽

表2.熱門Silent Switcher產品

此外
，許多Silent Switcher模塊也具有固定頻率
、寬頻率範圍和峰值電流架構，從而實現低抖動和快速瞬態響應。該產品係列中的熱門產品參見表2。

結論

ADI的Silent Switcher電源模塊和LDOchanpinweichaoshengdianyuanguishejitigonglewanzhengdejiejuefangan，jinkenengjianshaolexitongzaoshengdianpinghekaiguanzaosheng。zheyouzhuyugaishantuxiangzhiliang，erqieyouzhuyuxianzhiwendushenggao
，bingjianhuaPCB布局設計複雜性。

參考電路

¹ IEC標準60601-2-37。2007。

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