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
    低EMI,低开关噪声
      快速开关频率,小空槽
    高功率密度
      更小的热阻
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
    高频率与高效率
      更高的频率,更小的滤波器尺寸
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 MHzz 固定频率峰值电流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 Silent Switcher 2模块超低0.8 μV rms(带有LT3045)
LT8625S300 kHz 至 4 MHz 固定频率峰值电流 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。

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