自 2000 年 GE 推出第一臺數(shù)字超聲后，超聲市場迅速增長。超聲技術(shù)已從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，從黑白多普勒轉(zhuǎn)向彩色多普勒。越來越多的超聲應(yīng)用導(dǎo)致對組件的需求增加，例如與探頭、AFE 和電源系統(tǒng)相關(guān)的組件需求。

在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，對超聲成像系統(tǒng)中更高圖像質(zhì)量的需求不斷增加。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）。下面將討論影響噪聲的不同因素，尤其是電源。

超聲波是如何工作的？

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組成。數(shù)字處理模塊通常包括一個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），它根據(jù)系統(tǒng)的配置和控制參數(shù)生成發(fā)射波束形成器和相應(yīng)的波形模式。發(fā)射電路的驅(qū)動器和高壓電路然后產(chǎn)生高壓信號來激勵超聲換能器。超聲換能器通常由 PZT 陶瓷制成。它將電壓信號轉(zhuǎn)換為進(jìn)入人體的超聲波，同時接收組織產(chǎn)生的回波。回波被轉(zhuǎn)換成小的電壓信號并傳遞到發(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)射信號損壞低壓接收模擬前端。經(jīng)過信號調(diào)理、增益和濾波后的模擬電壓信號被傳遞到 AFE 的集成 ADC，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過 JESD204B 或 LVDS 接口傳輸?shù)?FPGA 以接收波束形成，然后傳輸?shù)胶蠖藬?shù)字部件進(jìn)行進(jìn)一步處理以創(chuàng)建超聲圖像。

圖 1：超聲系統(tǒng)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，例如發(fā)射信號鏈、接收信號鏈、TGC 增益控制、時鐘和電源。下面，我們將討論電源如何影響噪聲。

超聲系統(tǒng)中有多種圖像模式，每種圖像模式對動態(tài)范圍的要求也不同。這也意味著 SNR 或噪聲要求取決于不同的圖像模式。黑白模式需要 70 dB 的動態(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。本底噪聲對于黑白模式很重要，它影響在遠(yuǎn)場可以看到的最小超聲回波的最大深度，這稱為穿透，這是黑白模式的關(guān)鍵特征之一。1/f 噪聲對于 PWD 和 CWD 模式尤為重要。PWD 和 CWD 圖像都包含低于 1 kHz 的低頻頻譜，相位噪聲影響高于 1 kHz 的多普勒頻譜。由于超聲換能器頻率通常為 1 MHz 至 15 MHz，因此它會受到此范圍內(nèi)的任何開關(guān)頻率噪聲的影響。如果 PWD 和 CWD 頻譜（從 100 Hz 到 200 kHz）內(nèi)存在互調(diào)頻率，則在多普勒圖像中會出現(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，良好的電源可以通過考慮相同的考慮來改善超聲圖像。在為超聲波應(yīng)用構(gòu)建電源時，設(shè)計人員應(yīng)該了解幾個因素。

開關(guān)頻率

如上所述，有必要避免將意外的諧波頻率引入采樣頻帶（200 Hz 至 100 kHz）。在電力系統(tǒng)中很容易發(fā)現(xiàn)這種噪聲。

大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器使用電阻器來設(shè)置開關(guān)頻率。該電阻器的誤差會在 PCB 上引入不同的開關(guān)標(biāo)稱頻率和諧波。例如，精度為 1% 的電阻器在 400-kHz DC-DC 穩(wěn)壓器中提供 ±1% 的誤差和 4-kHz 的諧波頻率。更好的解決方案是選擇具有同步功能的電源切換器。外部時鐘將通過同步引腳向所有穩(wěn)壓器發(fā)送信號，以便所有穩(wěn)壓器以相同頻率和相同相位切換。

此外，出于 EMI 考慮或更高的瞬態(tài)響應(yīng)，一些穩(wěn)壓器具有 20% 的可變開關(guān)頻率，這導(dǎo)致 400 kHz 電源中的諧波頻率為 0 kHz 至 80 kHz。具有恒定頻率的開關(guān)穩(wěn)壓器有助于避免這個問題。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)，同時保持出色的 EMI 性能，無需擴展頻譜，并保持出色的瞬態(tài)響應(yīng)。

白噪聲

超聲系統(tǒng)中也存在許多白噪聲源，這會導(dǎo)致超聲成像中的背景噪聲。這種噪聲主要來自信號鏈、時鐘和電源。

在模擬處理組件的模擬電源引腳添加 LDO 穩(wěn)壓器現(xiàn)在很常見。ADI 的下一代 LDO 穩(wěn)壓器具有約 1-μVrms 的超低噪聲，涵蓋 200 mA 至 3 A 的電流。電路和規(guī)格如圖 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 的低噪聲頻譜密度

PCB布局

在超聲系統(tǒng)中設(shè)計數(shù)據(jù)采集板時，很容易注意到大電流電源部分和高靈敏度信號鏈部分之間的權(quán)衡。來自開關(guān)電源的噪聲很容易在信號路徑走線中耦合，這在數(shù)據(jù)處理中并不容易消除。開關(guān)噪聲通常由開關(guān)輸入電容（圖 4）和上側(cè)或下側(cè)開關(guān)產(chǎn)生的熱回路產(chǎn)生。添加緩沖電路有助于管理電磁輻射；但是，它同時降低了效率。Silent Switcher 架構(gòu)有助于提高 EMI 性能，即使在高開關(guān)頻率下也能保持高效率。

手持式數(shù)字探頭

除了由于吸收超聲波而發(fā)熱之外，換能器附近組織的溫度還受到換能器自身溫度的強烈影響。通過向換能器施加電信號來產(chǎn)生超聲波脈沖。一些電能在元件、透鏡和背襯材料中消散，導(dǎo)致傳感器發(fā)熱。換能器頭中接收到的信號的電子處理也可能導(dǎo)致電加熱。來自換能器表面的熱量傳導(dǎo)會導(dǎo)致表層組織溫度升高幾攝氏度。最大允許傳感器表面溫度（T SURF） 在 IEC 標(biāo)準(zhǔn) 60601-2-37（2007 年修訂版）中指定。1 當(dāng)傳感器傳輸?shù)娇諝庵袝r為 50°C，當(dāng)傳輸?shù)胶线m的體模中時為 43°C。后一個限制意味著皮膚（通常在 33°C）可以加熱高達(dá) 10°C。換能器加熱是復(fù)雜換能器的重要設(shè)計考慮因素，在某些情況下，這些溫度限制可能會有效地限制可以實現(xiàn)的聲輸出。

安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 60601-2-37 Rev 2007）1 將傳感器表面的溫度限制為在空氣中運行時低于 50°C，在 33°C 下與體模接觸時低于 43°C（對于外部應(yīng)用的傳感器）或在 37°C（對于內(nèi)部傳感器）。通常是這些溫度限制（而不是對光束中最大強度的限制）限制了換能器的聲輸出。Silent Switcher 器件具有最高效率的轉(zhuǎn)換功率（具有高達(dá) 3 MHz 的寬開關(guān)帶寬）到數(shù)字探頭的不同電壓域。這意味著功率轉(zhuǎn)換期間的功率損耗最小。這有助于冷卻系統(tǒng)，因為熱量形式的額外功率損失并不多。

Silent Switcher 模塊有很大幫助

Silent Switcher 模塊技術(shù)是超聲波電源軌設(shè)計的最佳選擇。引入它是為了幫助改善 EMI 和開關(guān)頻率噪聲。傳統(tǒng)上，應(yīng)注意每個開關(guān)穩(wěn)壓器的熱回路的電路和布局設(shè)計。對于降壓電路，如圖 4 所示，熱環(huán)路包含一個輸入電容、一個頂部 MOSFET、一個底部 MOSFET，以及由布線、布線、邊界等引入的寄生電感。

Silent Switcher 模塊具有兩種主要的設(shè)計方法。首先，如圖 4 和圖 5 所示，通過創(chuàng)建相反的熱回路，由于雙向發(fā)射，大部分 EMI 將被降低。這種方法將優(yōu)化近 20 dB。

圖 4：拆分熱循環(huán)的原理圖

圖 5：靜音開關(guān)和非靜音開關(guān) EMI 性能的比較

其次，如圖 6 所示，Silent Switcher 模塊中的銅柱倒裝芯片封裝不是直接圍繞芯片進(jìn)行鍵合，而是有助于減少寄生電感并優(yōu)化尖峰和死區(qū)時間。

圖 6：銅柱倒裝芯片封裝及其性能 （LT8614） 與傳統(tǒng)綁定技術(shù) （LT8610） 的比較

此外，如圖 7 所示，Silent Switcher 技術(shù)提供了高功率密度設(shè)計，并在小型封裝中實現(xiàn)了大電流能力，保持低 theta JA 并導(dǎo)致高效率（例如，LTM4638在 6.25 × 6.25 × 5.02 毫米封裝）。

圖 7：Silent Switcher 電源模塊封裝視圖

表 1：Silent Switcher 模塊摘要

表 2：流行的靜音切換器產(chǎn)品

此外，許多 Silent Switcher 模塊還具有固定頻率、寬頻率范圍和峰值電流架構(gòu)，可實現(xiàn)低抖動和快速瞬態(tài)響應(yīng)。該產(chǎn)品組合中的熱門產(chǎn)品列于表 2 中。

結(jié)論

ADI 的 Silent Switcher 電源模塊和 LDO 產(chǎn)品為超聲波電源軌設(shè)計提供了一個整體解決方案，最大限度地降低了系統(tǒng)噪聲水平和開關(guān)噪聲。這有助于提高圖像質(zhì)量。它們還有助于限制溫度升高和簡化 PCB 布局設(shè)計的復(fù)雜性。

審核編輯：郭婷