低噪聲靜音切換器μ模塊和LDO穩(wěn)壓器可改善超聲噪聲和圖像質(zhì)量

作者：Yu LuandHugh Yu

本文簡要介紹了超聲成像系統(tǒng)，并詳細(xì)分析了超聲電源管理設(shè)計(jì)中的一些挑戰(zhàn)和解決方案。討論了四個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素：系統(tǒng)噪聲水平、開關(guān)噪聲、電磁干擾（EMI）以及與電源相關(guān)的超聲散熱。本文還將解釋靜音切換器μModule和低噪聲LDO技術(shù)如何幫助解決最常見的問題，并改善系統(tǒng)噪聲和圖像質(zhì)量。??

介紹

在2000年推出第一臺數(shù)字超聲（由GE）之后，超聲市場迅速增長。超聲技術(shù)已經(jīng)從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，從黑白轉(zhuǎn)向彩色多普勒。越來越多的超聲應(yīng)用導(dǎo)致組件要求增加，例如與探頭、AFE 和電源系統(tǒng)相關(guān)的組件。

在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，對超聲成像系統(tǒng)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。

超聲波如何工作？

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、顯示模塊等組成。數(shù)字處理模塊通常包括現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），根據(jù)系統(tǒng)的配置和控制參數(shù)生成發(fā)射波束成形器和相應(yīng)的波形模式。然后，發(fā)射電路的驅(qū)動器和高壓電路產(chǎn)生高壓信號以激勵(lì)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)換為超聲波，進(jìn)入人體，同時(shí)接收組織產(chǎn)生的回波。回波被轉(zhuǎn)換為小電壓信號，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)紽PGA進(jìn)行接收波束成形，然后傳輸?shù)胶蠖藬?shù)字部分進(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(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)中有不同種類的圖像模式，每種圖像模式對動態(tài)范圍都有不同的要求。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 動態(tài)范圍，脈搏波多普勒 （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，它會影響在遠(yuǎn)場中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圖像都包括低于1 kHz的低頻譜，相位噪聲會影響高于1 kHz的多普勒頻譜。由于超聲換能器頻率通常在1 MHz至15 MHz之間，因此會受到該范圍內(nèi)任何開關(guān)頻率噪聲的影響。如果PWD和CWD頻譜內(nèi)存在互調(diào)頻率（從100 Hz到200 kHz），則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因素來改善超聲圖像。設(shè)計(jì)人員在為超聲應(yīng)用設(shè)計(jì)電源時(shí)應(yīng)了解幾個(gè)因素。

開關(guān)頻率

如前所述，有必要避免在采樣頻段（200 Hz至100 kHz）中引入意外諧波頻率。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，1%精度電阻在400 kHz DC-DC穩(wěn)壓器中提供±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切換器。外部時(shí)鐘將通過SYNC引腳向所有穩(wěn)壓器發(fā)送信號，以便所有穩(wěn)壓器以相同的頻率和相同的相位進(jìn)行開關(guān)。

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%的變體開關(guān)頻率，這導(dǎo)致400 kHz電源中的諧波頻率為0 kHz至80 kHz。恒定頻率的開關(guān)穩(wěn)壓器有助于避免此問題。ADI公司的靜音開關(guān)穩(wěn)壓器和μModule穩(wěn)壓器系列具有恒定頻率開關(guān)功能，但同時(shí)在不開啟擴(kuò)頻的情況下保持出色的EMI性能，并保持出色的瞬態(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(shí)鐘和電源。

在模擬處理組件的模擬電源引腳上增加LDO穩(wěn)壓器現(xiàn)在很常見。ADI公司的下一代LDO穩(wěn)壓器具有約1 μV rms超低噪聲，覆蓋200 mA至3 A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LDO穩(wěn)壓器中的低噪聲頻譜密度：LT3045。

印刷電路板布局

在超聲系統(tǒng)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集板時(shí)，很容易注意到高電流功率部件和高靈敏度信號鏈部件之間的權(quán)衡。來自開關(guān)電源的噪聲很容易耦合到信號路徑走線中，這不容易從數(shù)據(jù)處理中消除。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。添加緩沖電路可以幫助管理電磁輻射;但是，它同時(shí)降低了效率。靜音開關(guān)電源架構(gòu)有助于改善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

除了由于超聲波吸收而加熱外，換能器附近組織的溫度還受到換能器本身溫度的強(qiáng)烈影響。超聲波脈沖是通過向換能器施加電信號而產(chǎn)生的。一些電能在元件、透鏡和背襯材料中耗散，導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱。在換能器頭中對接收到的信號進(jìn)行電子處理也可能導(dǎo)致電加熱。換能器面的熱量傳導(dǎo)會導(dǎo)致淺表組織中的溫升幾攝氏度。探頭表面允許的最高溫度（T沖浪） 在 IEC 標(biāo)準(zhǔn) 60601-2-37（修訂版 2007）中指定。1當(dāng)換能器傳輸?shù)娇諝庵袝r(shí)，這些溫度為50°C，當(dāng)傳輸?shù)胶线m的模型時(shí)為43°C。后一個(gè)限制意味著皮膚（通常在33°C）可以加熱到10°C。 換能器加熱是復(fù)雜換能器的一個(gè)重要設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的聲學(xué)輸出。

安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 60601-2-37 修訂版 2007）1在空氣中運(yùn)行時(shí)，將換能器表面的溫度限制在50°C以下，在33°C（對于外部應(yīng)用的換能器）或37°C（對于內(nèi)部換能器）下與幻影接觸時(shí)，將換能器表面的溫度限制在43°C以下。通常正是這些溫度限制（而不是對光束中最大強(qiáng)度的限制）限制了換能器的聲學(xué)輸出。靜音切換器器件具有最高的效率，可將功率（開關(guān)帶寬寬至3 MHz）轉(zhuǎn)換為數(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?yàn)闆]有太多額外的熱量損失。

靜音開關(guān)穩(wěn)壓器μ模塊穩(wěn)壓器有很大幫助

靜音開關(guān)μModule穩(wěn)壓器技術(shù)是超聲電源軌設(shè)計(jì)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，我們應(yīng)該負(fù)責(zé)每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的熱回路上的電路和布局設(shè)計(jì)。對于降壓轉(zhuǎn)換器，如圖4所示，熱回路包含一個(gè)輸入電容、一個(gè)頂部MOSFET、一個(gè)底部MOSFET和由布線、布線、綁定等引入的寄生電感。

靜音切換器模塊采用兩種主要設(shè)計(jì)方法：

首先，如圖4和圖5所示，通過創(chuàng)建一個(gè)相反的熱回路，大部分EMI將因雙向發(fā)射而降低。這種方法將優(yōu)化近 20 dB。

圖4.拆分熱回路的原理圖。

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，靜音切換器模塊中的銅柱倒裝芯片封裝有助于降低寄生蟲電感并優(yōu)化尖峰和死區(qū)時(shí)間，而不是直接粘合芯片周圍。

圖6.銅柱倒裝芯片封裝及其性能（LT8614）與傳統(tǒng)邊界技術(shù)（LT8610）的比較。

此外，如圖7所示，靜音開關(guān)技術(shù)提供高功率密度設(shè)計(jì)，可在小封裝中實(shí)現(xiàn)大電流能力，從而保持低θJA并實(shí)現(xiàn)高效率（例如，LTM4638在6.25 mm×6.25 mm×5.02 mm封裝中實(shí)現(xiàn)15 A電流）。

圖7.靜音切換器 μModule 穩(wěn)壓器封裝內(nèi)視圖。

此外，許多靜音開關(guān)μModule穩(wěn)壓器還具有固定頻率、寬頻率范圍和峰值電流架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低抖動和快速瞬態(tài)響應(yīng)。表 2 列出了該產(chǎn)品組合中的熱門產(chǎn)品。

結(jié)論

ADI公司的靜音開關(guān)電源μModule穩(wěn)壓器和LDO產(chǎn)品為超聲電源軌設(shè)計(jì)提供了整體解決方案，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并簡化PCB布局設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

審核編輯：郭婷