摘要
本文将简要介绍超声成像系统进行，并详细分析超声电源管理设计方面的一些挑战和解决方案。文中主要讨论了4个设计考虑因素：系统噪声电平、开关噪声、电磁干扰(EMI)，以及与其电源相关的超声散热。本文还将说明Silent Switcher®模块和低噪声LDO技术如何帮助解决常见的问题并改善系统噪声，提高图像质量。
简介
自2000年(GE)首次推出数字超声技术以来，超声市场发展迅速。超声技术已从基于静态转向动态，并从黑白转向彩色多普勒。随着超声应用越来越多，对组件的要求也不断提高，例如与探头、AFE和电源系统相关的要求。
在医疗诊断领域，越来越多的应用需要超声成像系统输出更高的图像质量。提高图像质量的关键技术之一是提高系统的信噪比(SNR)。下文将讨论影响噪声的不同因素，特别是电源。
超声的工作原理是什么？
超声系统由换能器、发射电路、接收电路、后端数字处理电路、控制电路和显示模块等组成。数字处理模块通常包含现场可编程门阵列(FPGA)，FPGA根据系统的配置和控制参数生成发射波束成形器及相应的波形图案。然后，发射电路中的驱动和高压电路生成高压信号来激励超声换能器。超声换能器通常采用PZT陶瓷制成。换能器将电压信号转换为超声波进入人体，同时接收人体组织产生的回波。回波转换成小电压信号，并传输至发射/接收(T/R)开关。T/R开关的主要目的是防止高压发射信号损坏低压接收模拟前端。模拟电压信号经过信号调理、放大和滤波后，传输至AFE的集成ADC，然后转换成数字数据。数字数据通过JESD204B或LVDS接口发射到FPGA进行接收波束成形，然后发射到后端数字部分进一步处理，从而创建超声图像。
图1.超声系统方框图。
电源如何影响超声系统？
从上述超声架构来看，系统噪声会受到许多因素的影响，如发射信号链、接收信号链、TGC增益控制、时钟和电源。在本文中，我们将讨论电源如何影响噪声。
超声系统提供不同类型的成像模式，每种成像模式对动态范围有不同的要求。这也意味着，SNR或噪声要求取决于不同的成像模式。黑白模式需要70 dB动态范围，脉冲波多普勒(PWD)模式需要130 dB，连续波多普勒(CWD)模式需要160 dB。对于黑白模式，本底噪声非常重要，它会影响在远场能够看到的最小超声回波的最大深度，也就是穿透性，这是黑白模式的关键特性之一。对于PWD和CWD模式，1/f噪声尤为重要。PWD和CWD图像均包括1 kHz以下的低频谱，相位噪声会影响1 kHz以上的多普勒频谱。由于超声换能器频率通常为1 MHz至15 MHz，因此该范围内的任何开关频率噪声都会对其造成影响。如果PWD和CWD频谱（从100 Hz至200 kHz）中存在互调频率，多普勒图像中将会出现明显的噪声频谱，这在超声系统中是不可接受的。
另一方面，通过考虑相同的因素，良好的电源可改善超声图像。设计人员为超声应用设计电源时，应了解多个因素。
开关频率
如前所述，必须避免将意外的谐波频率引入采样频带（200 Hz至100 kHz）。在电源系统中，很容易找到此类噪声。
大多数开关稳压器使用电阻来设置开关频率。该电阻的误差会在PCB上引入不同的开关标称频率和谐波。例如，在400 kHz DC/DC稳压器中，1%精度电阻提供±1%误差和4 kHz谐波频率。更好的解决方案是选择具有同步功能的电源转换开关。外部时钟将通过SYNC引脚向所有稳压器发送信号，使所有稳压器切换到相同频率和相同相位下工作。
此外，出于EMI考量或更高的瞬态响应，一些稳压器具有20%的可变开关频率，这会导致400 kHz电源中产生0 kHz至80 kHz谐波频率。恒频开关稳压器有助于解决这一问题。ADI的Silent Switcher电源稳压器和电源模块系列具有恒定频率开关功能，同时在不开启扩频的情况下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬态响应。
白噪声
超声系统中也有许多白噪声源，这会导致超声成像中出现背景噪声。该噪声主要来自信号链、时钟和电源。
现在，在模拟处理组件的模拟电源引脚添加LDO稳压器是常见的做法。ADI的下一代LDO稳压器具有大约1 μV rms的超低噪声，涵盖200 mA至3 A的电流。电路和规格参数如图2和图3所示。
图2.下一代低噪声LDO稳压器。
图3.下一代LT3073的低噪声谱密度。
PCB布局
在设计超声系统中的数据采集板时，通常需要考虑高电流电源部分和高度敏感的信号链部分之间的权衡。开关电源产生的噪声很容易耦合到信号路径走线中，并且很难通过数据处理去除。开关噪声通常由开关输入电容（图4）以及上侧或下侧开关生成的热回路产生。添加缓冲电路可帮助管理电磁辐射；但同时也会降低效率。即使在高开关频率下，Silent Switcher架构也有助于提高EMI性能，并保持高效率。
手持式数字探头
除了因吸收超声而引起的发热，换能器本身的温度对换能器附近组织的温度影响很大。通过向换能器施加电信号，可生成超声脉冲。一些电能在元件、镜头和基底材料中耗散，导致换能器发热。此外，对换能器头中收到的信号进行电子处理也可能会产生电热。从换能器表面排出热量会使表面组织的温度升高几摄氏度。IEC标准60601-2-37（2007版）中指定了最大容许换能器表面温度(TSURF)。1当换能器信号发射到空气中时，最大容许换能器表面温度为50°C；当发射到合适的假体时，该温度为43°C。后一项限制意味着，皮肤温度（通常为33°C）最高可升高10°C。在复杂的换能器中，换能器发热是重要的设计考量，在一些情况下，这些温度限制可能会有效约束能够达到的声输出。
当换能器在空气中运行时，安全标准IEC 60601-2-37（2007版）1将换能器表面的温度限制到50°C以下，当换能器在33°C（对于外部应用的换能器）或37°C（对于内部换能器）与假体接触时，该标准将其表面温度限制到43°C以下。通常这些温度限制（而不是对波束中最大强度的限制）约束了换能器的声输出。Silent Switcher设备将功率（具有最高3 MHz的宽开关带宽）转换到数字探头的不同电压域的效率最高。这意味着，功率转换期间的功率损耗很低。这对冷却系统大有帮助，因为没有太多额外功率以热量形式损耗。
Silent Switcher模式大有帮助
Silent Switcher模块技术是进行超声电源轨设计的明智选择。引入该模式是为了帮助改善EMI和开关频率噪声。传统上，我们应该关注每个开关稳压器的热回路上的电路和布局设计。对于降压电路，如图4所示，热回路包含输入电容、顶部MOSFET、底部MOSFET，以及由走线、路由、边界(bounding)等引起的寄生电感。
Silent Switcher模块主要提供两种设计方法：
第一，如图4和图5所示，通过创建对立的热回路，由于双向辐射，大多数EMI将减少。通过该方法，将优化近20 dB。
图4.拆分热回路的原理图。
图5.比较静音开关和非静音开关EMI性能。
第二，如图6所示，Silent Switcher模块不是直接在芯片周围焊接，而是采用铜柱倒装芯片封装，有助于减少寄生电感，优化尖峰和死区时间。
图6.与传统绑定技术(LT8610)相比较的铜柱倒装芯片封装及其性能(LT8614)。
此外，如图7所示，Silent Switcher技术提供高功率密度设计，并且能够在小封装中实现大电流能力，从而保持低θ JA，实现高效率（例如， LTM4638 能够在6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm封装中实现15 A）。
图7.Silent Switcher电源模块封装内视图。
表1.Silent Switcher模块概览
| 低频噪声 | 开关噪声谐波 | 高散热性能 | |
|---|---|---|---|
| 架构 | 超低噪声基准电流，而不是基准电压 | Silent Switcher 2与铜柱封装 | 封装中的Silent Switcher 3散热器 |
| 特性 | 在低f噪声方面，性能与LDO稳压器相同 |
|
|
| 应用中的优势 | 不再需要后置LDO稳压器，同时保持相同的图像质量 |
| 对于相同电流电平，最大程度减小降幅 |
表2.热门Silent Switcher产品
| 开关频率 | 控制模式 | 开关抖动 | 功率级架构 | EMI | 有效值噪声 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LTM8053-1 | 200 kHz 至 3 MHz | z 固定频率峰值电流 | 小 | Silent Switcher 2模块 | 超低 | 0.8 μV rms（带有 LT3045） |
| LTM8060 | 200 kHz 至 3 MHz | 固定频率峰值电流 | 小 | Silent Switcher 2模块 | 超低 | 0.8 μV rms（带有LT3045） |
| LT8625S | 300 kHz 至 4 MHz | 固定频率峰值电流 | 小 | Silent Switcher 3变换器 | 超低 | 4 μV rms（不带LT3045） |
此外，许多Silent Switcher模块也具有固定频率、宽频率范围和峰值电流架构，从而实现低抖动和快速瞬态响应。该产品系列中的热门产品参见表2。
结语
ADI的Silent Switcher电源模块和LDO产品为超声电源轨设计提供了完整的解决方案，尽可能减少了系统噪声电平和开关噪声。这有助于改善图像质量，而且有助于限制温度升高，并简化PCB布局设计复杂性。
