作者：ADI現場應用工程師Yu Lu和ADI醫療健康系統應用經理Hugh Yu

自2000年(GE)首次推出數字超聲技術以來，超聲市場發展迅速。超聲技術已從基于靜態轉向動態，并從黑白轉向彩色多普勒。隨著超聲應用越來越多，對組件的要求也不斷提高，例如與探頭、AFE和電源系統相關的要求。

在醫療診斷領域，越來越多的應用需要超聲成像系統輸出更高的圖像質量。提高圖像質量的關鍵技術之一是提高系統的信噪比(SNR)。本文將討論影響噪聲的不同因素，特別是電源。

超聲的工作原理是什么？

超聲系統由換能器、發射電路、接收電路、后端數字處理電路、控制電路和顯示模塊等組成。數字處理模塊通常包含現場可編程門陣列(FPGA)，FPGA根據系統的配置和控制參數，生成發射波束合成及相應的波形模式。發射電路中的驅動和高壓電路生成高壓信號來激勵超聲換能器。超聲換能器通常采用PZT陶瓷制成。換能器將電壓信號轉換為超聲波進入人體，同時接收人體組織產生的回波。回波轉換成微小電壓信號，并傳輸至發射/接收(T/R)開關。T/R開關的主要目的是防止高壓發射信號損壞低壓接收模擬前端。模擬電壓信號經過信號調理、放大和濾波后，傳輸至集成ADC的模擬前端，然后轉換成數字數據。數字數據通過JESD204B或LVDS接口發送到FPGA進行接收波束合成，再到后端數字部分進一步處理，從而生成超聲圖像。

圖1.超聲系統方框圖

電源如何影響超聲系統？

從上述超聲架構來看，系統噪聲會受到許多因素的影響，如發射信號鏈、接收信號鏈、TGC增益控制、時鐘和電源。而在本文將討論電源如何影響噪聲。

超聲系統提供不同類型的成像模式，每種成像模式對動態范圍有不同的要求。這也意味著，SNR或噪聲要求取決于不同的成像模式。黑白模式需要70dB動態范圍，脈沖波多普勒(PWD)模式需要130dB，連續波多普勒(CWD)模式需要160dB。對于黑白模式，本底噪聲非常重要，它會影響在遠場能夠看到的最小超聲回波的最大深度，也就是穿透，這是黑白模式的關鍵指標之一。對于PWD和CWD模式，1/f噪聲尤為重要。PWD和CWD圖像均包括1kHz以下的低頻信號，相位噪聲會影響1kHz以上的多普勒頻譜。由于超聲換能器頻率通常為1MHz至15MHz，因此該范圍內的任何開關頻率噪聲都會對其造成影響。在PWD和CWD模式中，如果在其頻譜（從100Hz至200kHz）中存在交調頻率，多普勒圖像中將會出現明顯的噪聲頻譜，這在超聲系統中是不可接受的。

另一方面，通過考慮和上面相同的這些因素，良好的電源可改善超聲圖像。設計人員為超聲應用設計電源時，需要考慮多個方面的因素。

開關頻率

如前所述，必須避免在采樣頻帶（200Hz至100kHz）內引入不需要的諧波噪聲。在電源系統中，很容易找到此類噪聲。

大多數開關穩壓器使用電阻來設置開關頻率。該電阻的誤差會在PCB上引入包含主頻及諧波頻率的不同頻率噪聲。例如，在400kHz DC/DC穩壓器中，1%精度電阻提供±1%誤差和4kHz諧波頻率。更好的解決方案是選擇具有同步功能的開關電源。外部時鐘將通過SYNC引腳向所有穩壓器發送信號，使所有穩壓器切換到相同頻率和相同相位下工作。

此外，出于EMI考量或更高的瞬態響應，一些穩壓器的開關頻率會在主頻20%內變化，這會導致400kHz電源中產生0kHz至80kHz諧波頻率。恒頻開關穩壓器有助于解決這一問題。ADI的Silent Switcher電源穩壓器和電源模塊系列具有恒定頻率開關功能，同時能在不開啟擴頻的情況下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬態響應。

白噪聲

超聲系統中也有許多白噪聲源，這會導致超聲成像中出現背景噪聲。該噪聲主要來自信號鏈、時鐘和電源。

目前，使用LDO作為模擬器件的模擬供電引腳輸入是最常見的做法。ADI的下一代LDO穩壓器具有大約1μV rms的超低噪聲，可以提供200mA至3A的電流。電路和規格參數如圖2和圖3所示。

圖2.下一代低噪聲LDO穩壓器

圖3.下一代LT3045的低噪聲譜密度

PCB布局

在設計超聲系統中的數據采集板時，通常需要考慮電源部分的大電流和信號鏈部分的噪聲敏感之間的權衡。開關電源產生的噪聲很容易耦合到信號路徑走線中，并且很難通過數據處理去除。開關噪聲通常由開關輸入電容（圖4）以及上管和下管組成的熱回路產生。添加緩沖電路可幫助管理電磁輻射；但同時也會降低效率。在這種情況下，Silent Switcher 架構可以幫助在高開關頻率下，優化EMI性能，并且保持高效率。

手持式數字探頭

除了因吸收超聲能量而引起的發熱，換能器本身的溫度對換能器附近人體組織的溫度影響很大。通過向換能器施加電信號，可生成超聲脈沖。有些電量在換能器基元、鏡頭和襯底材料中轉換成熱能，導致換能器發熱。此外，對換能器探頭中收到的信號進行電子處理也可能會產生電熱。從換能器表面排出熱量會使表面組織的溫度升高幾攝氏度。IEC標準60601-2-37（2007版）中指定了最大容許換能器表面溫度(TSURF)。當換能器對著空氣發射超聲波時，換能器表面容許的最大溫度為50°C；當發射到合適的體模時，該溫度為43°C。后一項限制意味著，皮膚溫度（通常為33°C）最高可升高10°C。換能器發熱是復雜的超聲探頭設中重要的設計考量，在一些情況下，這些溫度限制可能會明顯地限制輸出的聲功率強度。

當換能器向空氣發射超聲時，安全標準IEC 60601-2-37（2007版）將換能器表面的溫度限制到50°C以下，當換能器在33°C（對于外部應用的換能器）或37°C（對于內部換能器）與體模接觸時，該標準將其表面溫度限制到43°C以下。通常這些溫度限制（而不是對波束中最大強度的限制）約束了換能器的聲功率輸出。Silent Switcher產品將電源以最高效率（和寬范圍開關頻率）轉換為不同電壓給數字探頭供電。這意味著，功率轉換期間的功率損耗很低。這對冷卻系統大有幫助，因為沒有太多額外功率以熱量形式損耗。

Silent Switcher模式優勢顯著

Silent Switcher模塊技術是進行超聲電源軌設計時的明智選擇。引入該模塊技術是為了幫助改善EMI和開關頻率噪聲。傳統上，應該關注每個開關穩壓器在熱回路上的電路和布局設計。對于降壓電路，如圖4所示，熱回路包含輸入電容、頂部MOSFET、底部MOSFET，以及由走線、路由、邊界（bounding）等引起的寄生電感。

圖4.拆分熱回路的原理圖

Silent Switcher模塊主要提供兩種設計方法：

第一，如圖4和圖5所示，通過創建反向的熱回路，由于雙向輻射，大多數EMI將被抵消。通過該方法，將優化輻射近20dB。

圖5.比較Silent Switcher和非Silent Switcher EMI性能

第二，如圖6所示，Silent Switcher模塊不是直接晶圓周圍綁定接線，而是采用銅柱倒裝芯片封裝，有助于減少寄生電感，優化尖峰和死區時間。

圖6.與傳統綁定技術(LT8610)相比較的銅柱倒裝芯片封裝及其性能(LT8614)

此外，如圖7所示，Silent Switcher技術提供高功率密度設計，并且能夠在小封裝中實現大電流能力，從而保持低θJA，實現高效率（例如，LTM4638能夠在6.25mm × 6.25mm × 5.02mm封裝中實現15A）。

圖7.Silent Switcher電源模塊封裝內視圖

表1.Silent Switcher模塊概覽

表2.熱門Silent Switcher產品

此外，許多Silent Switcher模塊也具有固定頻率、寬頻率范圍和峰值電流架構，從而實現低抖動和快速瞬態響應。該產品系列中的熱門產品參見表2。

結論

ADI的Silent Switcher電源模塊和LDO產品為超聲電源軌設計提供了完整的解決方案，盡可能減少了系統噪聲水平和開關噪聲，不僅有助于改善圖像質量，限制溫度升高，還簡化了PCB布局設計的復雜性。