正確的電源穩(wěn)壓器能最大限度地減少直流電軌噪聲并提高超聲圖像的質(zhì)量

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

噪聲是醫(yī)療和其他超聲系統(tǒng)性能的限制因素。當(dāng)然，“噪聲”這個(gè)簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)代表了許多不同的噪聲，其中一些是在醫(yī)療和病人情形下的固有噪聲，而另一些則是指電子噪聲。由病人導(dǎo)致的主要噪聲稱為“斑點(diǎn)噪聲”，很大程度上是由于病人的組織和器官的非均勻性（非均質(zhì)性）造成的。電路設(shè)計(jì)者對(duì)于病人自身引起的噪聲幾乎無(wú)能為力，但對(duì)于減少由于電子器件形成或?qū)е碌母鞣N噪聲源、噪聲類型來(lái)說(shuō)，還是大有作為的。

在這些潛在的噪聲源中，就包括了 DC/DC 穩(wěn)壓器。為了將噪聲降至最低，設(shè)計(jì)者可以使用效率不斷提高的小型靜音低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器。即使是這種 LDO，也存在能耗浪費(fèi)，造成發(fā)熱問(wèn)題。LDO 的有效替代品是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，但開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器因其開(kāi)關(guān)性質(zhì)而具有高噪聲。如果設(shè)計(jì)者要充分利用這些設(shè)備，就需要減少噪聲。

最近在電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新能夠減少這種噪聲，使得在噪聲和效率之間進(jìn)行權(quán)衡時(shí)發(fā)生了變化。例如，大功率單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以有效地為數(shù)字 IC 供電，這種穩(wěn)壓器具有低噪聲直流電源軌、高效率和最小空間要求。

本文簡(jiǎn)要討論超聲方面的挑戰(zhàn)。然后介紹 [Analog Devices]的微型 Silent Switcher IC 系列，并重點(diǎn)以 [LT8625S]為例，說(shuō)明這種創(chuàng)新型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器如何滿足高性能超聲成像所需的個(gè)位數(shù)電壓、10 A 以下范圍內(nèi)的多個(gè)負(fù)載目標(biāo)要求。此外，還以其他靜音開(kāi)關(guān) IC 為例說(shuō)明該系列的廣泛性。

超聲波有獨(dú)特的信號(hào)路徑問(wèn)題

超聲波成像的工作原理很簡(jiǎn)單，但開(kāi)發(fā)高性能成像系統(tǒng)需要相當(dāng)多的設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)、許多特殊組件，以及對(duì)微妙細(xì)節(jié)的關(guān)注（圖 1）。

圖 1：超聲成像系統(tǒng)的高級(jí)框圖說(shuō)明了基于簡(jiǎn)單物理原理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

成像系統(tǒng)使用壓電傳感器陣列，通過(guò)脈沖產(chǎn)生聲學(xué)波前。許多新系統(tǒng)有多達(dá) 256 個(gè)此類傳感器元件，而且每個(gè)元件都必須獨(dú)立控制。發(fā)射頻率從 2 MHz 到 20 MHz 不等。

通過(guò)使用可變延遲來(lái)調(diào)節(jié)陣列中傳感器的相對(duì)時(shí)間，可使發(fā)射的脈沖形成波束并瞄準(zhǔn)特定位置。較高的頻率具有良好的空間分辨率，但穿透能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。作為最優(yōu)折中方案，大多數(shù)系統(tǒng)的頻率是 5 MHz。

脈沖一經(jīng)發(fā)射，系統(tǒng)就會(huì)切換到接收模式并捕捉聲波脈沖的回聲，只要聲波能量遇到阻抗屏障，如不同組織或器官之間的邊界，就會(huì)產(chǎn)生回聲?；夭ǖ姆祷貢r(shí)間相對(duì)于其發(fā)送時(shí)間的延遲提供了成像信息。

由于超聲信號(hào)在兩次通過(guò)組織時(shí)不可避免地發(fā)生衰減，一次是前向路徑，一次是返回的回波，因此接收到的信號(hào)水平跨越了一個(gè)較寬的動(dòng)態(tài)范圍。這種信號(hào)水平可以從高達(dá) 1 伏，到低至數(shù)微伏，也就是大約 120 dB 的范圍。

請(qǐng)注意，對(duì)于 10 MHz 的超聲信號(hào)和 5 cm 的穿透深度，往返信號(hào)會(huì)衰減 100dB。因此，要在任何位置處理約 60 dB 的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，所需的動(dòng)態(tài)范圍將是 160 dB（電壓動(dòng)態(tài)范圍為 1 億比 1）。

增大發(fā)射傳感器的功率似乎是處理寬動(dòng)態(tài)范圍、低電平信號(hào)和信噪比 (SNR) 不足的最簡(jiǎn)單的解決方案。然而，除了明顯的功率要求外，對(duì)于接觸病人皮膚的超聲探頭的溫度也有嚴(yán)格限制。按照 IEC 標(biāo)準(zhǔn) 60601-2-37（2007 年修訂版）的規(guī)定，當(dāng)傳感器向空氣中傳輸時(shí)，傳感器表面的最高允許溫度為 50°C；向合適的人體模型傳輸時(shí)，最高允許溫度為 43°C。

后一個(gè)限制值意味著皮膚（通常為 33℃）最多可以被加熱 10℃。因此，不僅必須限制聲功率，而且還必須最大限度地減少相關(guān)電子設(shè)備（包括 DC/DC 穩(wěn)壓器）的熱耗散。

為了保持相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)水平并最大限度地提高 SNR，使用了一種特殊的自動(dòng)增益控制 (AGC) 方式，稱為時(shí)間增益補(bǔ)償 (TGC)。TGC 放大器通過(guò)使用指數(shù)因子放大信號(hào)來(lái)補(bǔ)償指數(shù)信號(hào)衰減，該系數(shù)是由接收器等待返回脈沖的時(shí)間決定的。

請(qǐng)注意，如圖 2 所示，超聲成像模式有多種：

• 灰度 產(chǎn)生一個(gè)基本的黑白圖像。這種圖像可以解決小至 1 mm 的偽影。
• 多普勒模式 通過(guò)跟蹤返回信號(hào)的頻率偏移并以假彩色顯示來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度。這種模式用于檢查血液或其他在體內(nèi)流動(dòng)的液體。多普勒模式需要向人體發(fā)射連續(xù)波，并產(chǎn)生返回信號(hào)的快速傅里葉變換 (FFT)。

圖 2：顱外頸動(dòng)脈在頸動(dòng)脈分叉處的灰度 (A) 和彩色多普勒 (B) 的外觀。請(qǐng)注意，ECA 的分支（星號(hào)，每張圖像的左下方）在彩色多普勒成像中最容易看到。（CCA：頸總動(dòng)脈；ICA：頸內(nèi)動(dòng)脈；ECA：頸外動(dòng)脈）。（圖片來(lái)源：Radiologic Clinics of North America）

• 靜脈和動(dòng)脈模式 使用多普勒與灰度模式相結(jié)合。這兩種模式用來(lái)詳細(xì)顯示動(dòng)脈和靜脈血流。

簡(jiǎn)化框圖遺漏了一些關(guān)鍵部件，而更詳細(xì)的圖則能顯示更多的功能（圖 3）。

圖 3：框圖越詳細(xì)使得現(xiàn)代超聲系統(tǒng)看起來(lái)約復(fù)雜，并能顯示出設(shè)計(jì)中嵌入的許多數(shù)字功能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

首先是電源功能。無(wú)論系統(tǒng)是通過(guò)交流線路還是電池供電，都需要通過(guò)多個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器來(lái)開(kāi)發(fā)各種電源軌電壓。這些電壓范圍從某些功能的幾伏，到更高的壓電傳感器電壓。

此外，由于現(xiàn)代超聲系統(tǒng)除了發(fā)射和接收路徑的模擬前端外，其余部分基本上都是數(shù)字的；現(xiàn)代超聲系統(tǒng)包括用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制波束形成和其他功能所需的 FPGA。這些 FPGA 需要相對(duì)較大的電流，其范圍高達(dá) 10 A。

噪聲限制了性能

與大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一樣，噪聲也是限制醫(yī)用超聲系統(tǒng)性能的因素之一。除了病人引起的斑點(diǎn)噪聲外，還有各種不同的的電子電路噪聲、元器件噪聲：

• 高斯噪聲是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的隨機(jī)“白”噪聲或者是有源和無(wú)源元器件產(chǎn)生的電子電路噪聲。其中，白噪聲主要由于熱波動(dòng)造成。
• 散粒（泊松）噪聲是由于電荷的離散性造成的。
• 脈沖噪聲有時(shí)稱為椒鹽噪聲，有時(shí)會(huì)在數(shù)字圖像上看到。椒鹽噪聲可由圖像信號(hào)中突然出現(xiàn)的尖銳干擾引起，被看做是稀疏出現(xiàn)的黑白像素，因此有了這個(gè)俗稱。

這些噪聲源影響圖像的分辨率和質(zhì)量。通過(guò)選擇諸如低噪聲放大器和電阻器等適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電子元器件以及適當(dāng)?shù)哪M和數(shù)字濾波器，可以最大限度地降低這些噪聲。此外，通過(guò)復(fù)雜的圖像和信號(hào)處理算法可以在后期處理時(shí)最大限度地減小一些噪聲。

穩(wěn)壓器噪聲：一個(gè)關(guān)鍵因素

還有一個(gè)與噪聲有關(guān)的問(wèn)題必須解決：來(lái)自降壓 DC/DC 穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)噪聲。這種穩(wěn)壓器主要向如 FPGA 和 ASIC 等數(shù)字 IC 供電。問(wèn)題是，這些噪聲還通過(guò)電磁 (EM) 輻射，以及通過(guò)電源軌和其他導(dǎo)體的傳導(dǎo)，影響敏感的模擬信號(hào)處理電路。

設(shè)計(jì)人員嘗試通過(guò)鐵氧體磁珠、精心的布局和電源軌濾波來(lái)盡可能減少這種噪聲，但這樣做的代價(jià)是增加元器件數(shù)量和印刷電路板的面積，而且往往只能獲得部分成功。

傳統(tǒng)上，對(duì)于盡可能地減少 DC/DC 穩(wěn)壓器噪聲設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，可以選擇 LDO。這種器件提供低噪聲輸出，但效率相對(duì)較差，約為 50%。另一種方法是，使用效率約為 90% 或更高的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。但由于開(kāi)關(guān)時(shí)鐘的原因，會(huì)輸出毫伏級(jí)脈沖噪聲。

與大多數(shù)工程決策不同的是，DC/DC 穩(wěn)壓器的情況需要二選一：要么低效率、低噪聲，要么高效率、高噪聲。這種矛盾無(wú)法調(diào)和，例如接受 LDO 中 20% 的高噪聲以適當(dāng)?shù)靥岣咂湫省?/p>

LDO 的固有低噪聲可能會(huì)受到另一個(gè)因素的影響。由于相對(duì)較大的體積適用于較高的電流水平——主要是出于散熱考慮，這種器件通常必須安裝在離其負(fù)載較遠(yuǎn)的位置。這使得 LDO 輸出軌有可能接收來(lái)自系統(tǒng)中數(shù)字器件的輻射噪聲，從而破壞了敏感模擬電路的潔凈電源軌。

由于熱管理問(wèn)題，LDO 的安裝解決方案是只使用一個(gè)穩(wěn)壓器，位于 PC 板的側(cè)面或拐角處。這樣做有助于管理 LDO 的耗散問(wèn)題，并可能簡(jiǎn)化 DC/DC 的系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)。然而，這種聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單的解決方案卻存在很多問(wèn)題：

• 由于距離和高電流水平、穩(wěn)壓器和負(fù)載之間不可避免的存在 IR下降（ΔV 下降 = 負(fù)載電流 (I) × 印制線電阻 (R) ），意味著負(fù)載電壓不是 LDO 的標(biāo)稱輸出，甚至每個(gè)負(fù)載的電壓都有所不同?？赏ㄟ^(guò)增加 PC 板的印制線寬度或厚度，或使用直立母線來(lái)最大限度地減小這種壓降，但代價(jià)是占用寶貴的電路板空間并增大材料清單 (BOM)。
• 可以使用遙測(cè)方法來(lái)檢測(cè)負(fù)載電壓，但這種方法只對(duì)單點(diǎn)、非分散負(fù)載有良好的效果。此外，遙測(cè)引線可能會(huì)導(dǎo)致直流電路振蕩，因?yàn)檩^長(zhǎng)的電源軌和檢測(cè)導(dǎo)線的電感會(huì)影響穩(wěn)壓器的瞬態(tài)性能。
• 最后，也是通常難以解決的問(wèn)題，較長(zhǎng)的電源軌也會(huì)受到更多的電磁干擾 (EMI) 或射頻干擾 (RFI) 噪聲拾取的影響。

要消除 EMI/RFI 問(wèn)題，通常從增加旁路電容、直列式鐵氧體磁珠和其他措施開(kāi)始。不過(guò)，這往往是個(gè)很頑固的問(wèn)題。而且，這種噪聲會(huì)加大滿足各種噪聲排放法規(guī)要求時(shí)帶來(lái)的挑戰(zhàn)（具體取決于噪聲幅度和頻率）。

Silent Switcher 穩(wěn)壓器解決了這一權(quán)衡難題

另一種通常更好的解決辦法是，在盡可能靠近負(fù)載 IC 的位置使用一個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器。這樣可以最大限度減小 IR 壓降、PC 板基底面以及電源軌噪聲拾取和輻射。不過(guò)，為使這種方法可行，就必須采用可以放置于負(fù)載旁，但仍能滿足所有電流要求的小巧、高效的低噪聲穩(wěn)壓器。

這就是為什么 Analog Devices 的許多 Silent Switcher 穩(wěn)壓器能夠解決問(wèn)題。這種穩(wěn)壓器不僅能在數(shù)個(gè)安培到 10 A 的電流水平下提供個(gè)位數(shù)的電壓輸出，而且噪聲極低。這是通過(guò)多種設(shè)計(jì)創(chuàng)新完成的創(chuàng)舉。

采用這種穩(wěn)壓器不是一種“折中”方法 ，也不是在 LDO 低噪聲屬性和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器效率之間進(jìn)行取舍。相反，這種穩(wěn)壓器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)使工程師們能夠以非常低和接近 LDO 的噪聲水平擁有開(kāi)關(guān)器件的全部效率優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員能夠在低噪聲與高效率這兩種屬性之間做到魚與熊掌兼得。

這種穩(wěn)壓器改變了人們對(duì) LDO 與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器之間差距的傳統(tǒng)認(rèn)知。這種穩(wěn)壓器可用于Silent Switcher 1（第一代）、Silent Switcher 2（第二代）和 Silent Switcher 3（第三代）器件。這些器件的設(shè)計(jì)者確定了各種噪聲源，并設(shè)計(jì)了削弱每個(gè)噪聲源的方法，并對(duì)隨后的每一代都進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)（圖 4）。

圖 4：Silent Switcher DC/DC 穩(wěn)壓器已發(fā)展到第三代，每一代產(chǎn)品都以前代產(chǎn)品為基礎(chǔ)，進(jìn)一步擴(kuò)展了前一代的性能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

Silent Switcher 1 器件的優(yōu)點(diǎn)包括低 EMI、高效率和高開(kāi)關(guān)頻率，后者可將許多殘余噪聲移出會(huì)干擾系統(tǒng)運(yùn)行或產(chǎn)生監(jiān)管問(wèn)題的頻譜部分。Silent Switcher 2 則在 Silent Switcher 1 技術(shù)的所有特性之外增加了一些優(yōu)點(diǎn)，如集成式精密電容器、更小的基底面，以及消除了對(duì) PC 板布局的敏感性。最后，Silent Switcher 3 系列在 10 Hz 至 100 kHz 的低頻段具有超低噪聲特性，這對(duì)超聲波應(yīng)用尤其關(guān)鍵。

由于這些開(kāi)關(guān)式器件只有幾毫米見(jiàn)方的微小外形，在加上其固有效率，可將其置于離負(fù)載 FPGA 或 ASIC 非常近的位置。這將最大限度地提高性能，并消除數(shù)據(jù)表性能和實(shí)際使用情況之間的差異。

圖 5 所示為 Silent Switcher 器件的噪聲和熱屬性總結(jié)。

| | | 低頻噪聲 | 開(kāi)關(guān)噪聲諧波 | 高熱性能 |
| -------------- | ----------------------------------------------- | ----------------------------------------- | ------------------------------------------ |
| 架構(gòu) | Silent Switcher 3 器件具有超低噪聲基準(zhǔn) | Silent Switcher 技術(shù)、Cu 柱封裝 | Silent Switcher 技術(shù)、封裝內(nèi)散熱器 |
| 特性 | 在低 f 噪聲方面與 LDO 穩(wěn)壓器性能相當(dāng) | 低 EMI，低開(kāi)關(guān)噪聲
開(kāi)關(guān)頻率快，微小空槽 | 高功率密度
更小的熱阻 |
| 應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì) | 無(wú)需再使用 LDO 后穩(wěn)壓器，同時(shí)保持圖像質(zhì)量不變 | 高頻率與高效率
更高的頻率，更小的濾波器 | 在相同電流水平下，最大限度地減少性能降級(jí) |

圖 5：這些穩(wěn)壓器的用戶從 Silent Switchers 設(shè)計(jì)中獲得了切實(shí)的噪聲和散熱優(yōu)勢(shì)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

Silent Switcher 矩陣的許多選擇

Silent Switcher 穩(wěn)壓器包括許多分組、版本和型號(hào)，具有不同的額定電壓和電流，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求。此外，這些穩(wěn)壓器還提供各種微小的封裝（圖 6）。

圖 6：使用 Silent Switcher 技術(shù)的許多設(shè)備實(shí)現(xiàn)了許多電壓、電流、噪聲和其他屬性的排列組合。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

第一代和第二代器件包括但不限于具有 3 A、4 A、6 A 和 10 A 輸出的 5 V 裝置，如：

• [LTC3307]：5 V、3 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• [LTC3308A]：5 V、4 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• [LTC3309A]：5 V、6 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• [LTC3310]：采用 3 mm × 3 mm LQFN 封裝的 5 V、10 A 同步降壓型 Silent Switcher 2

其中每款器件都有多個(gè)版本。例如，LTC3310 有四個(gè)基礎(chǔ)版本，包括一些通過(guò) AEC-Q100 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鑒定的版本。請(qǐng)注意，第一代 (SS1) 器件 LTC3310 和 LTC3310-1 以及第二代 (SS2) 器件 [LTC3310S]和 [LTC3310S-1] 均可用作可調(diào)作輸出或固定輸出的輸出器件。

請(qǐng)仔細(xì)觀察第三代器件 LT8625S，它突出了 Silent Switcher 3 的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。這款 2.7 V - 18 V 輸入、8 A 輸出的器件實(shí)現(xiàn)了出色的低噪聲性能（圖 7）。

圖 7：LT8625S 只需要一些標(biāo)準(zhǔn)的外部器件（所示為與其相同的 4 A 版本 LTC8624S）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

LT8625S 的特性如下：

• 采用了高增益誤差放大器，因此具有超快的瞬態(tài)響應(yīng)
• 快速的最小開(kāi)關(guān)時(shí)間，只有 15 ns
• 具有 ±0.8% 溫度漂移的精密基準(zhǔn)
• 多相工作，支持多達(dá) 12 相，可實(shí)現(xiàn)更高的總電流輸出
• 可調(diào)節(jié)、可同步：300 kHz 至 4 MHz
• 可編程電源良好指示器
• 采用 20 引線 4 mm × 3 mm （LT8625SP）或 24 引線 4 mm × 4 mm LQFN（LT8625SP-1）封裝

具有特別適合超聲應(yīng)用的噪聲性能規(guī)格（圖 8）：

• 超低均方根 (RMS) 噪聲 （10 Hz 至 100 kHz）：4 μV有效值
• 超低斑點(diǎn)噪聲：10 kHz 時(shí)，4 nV/√Hz
• 在任何 PC 板上都具有超低 EMI 排放
• 內(nèi)部旁路電容器可減少輻射式 EMI

圖 8：本圖說(shuō)明了 LT8625S 的低頻（左）和寬帶（右）噪聲譜密度都很小。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

這種低噪聲性能是在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，在高效率、低功率損耗下實(shí)現(xiàn)的（圖 9）。

圖 9：LT8625S 的高工作效率、低熱影響讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)后顧之憂。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

隨著配套的 [DC3219A] 演示電路/評(píng)估板（圖 10）的推出，加快了 20 引線 LT8625S 的設(shè)計(jì)導(dǎo)入。該板的默認(rèn)設(shè)置為 1.0 V，最大直流輸出為 8 A。用戶可以根據(jù)需要改變電壓設(shè)置。

圖 10：為便于探索和加塊設(shè)計(jì)導(dǎo)入，DC3291A 評(píng)估板支持 LT8625S。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

結(jié)束語(yǔ)

超聲波成像系統(tǒng)是一種不可或缺的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)醫(yī)療診斷工具。為了達(dá)到規(guī)定的圖像清晰度、分辨率和其他性能指標(biāo)，關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)到所接收到的信號(hào)可能處于極低水平且具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。這就要求工程師選擇低噪聲器件，采用謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)技術(shù)，并確保直流電源軌的噪聲盡可能低。

Analog Devices 的 Silent Switcher 系列具有開(kāi)關(guān)式 DC/DC 穩(wěn)壓器固有的高效率，以及媲美效率低得多的 LDO 的噪聲水平。此外，這類器件尺寸很小，只有幾毫米見(jiàn)方，這使其可以靠近所支持的負(fù)載放置，從而最大限度地降低接收輻射電路噪聲的可能性。