低噪聲靜音切換器μ模塊和LDO穩壓器可改善超聲噪聲和圖像質量

作者：Yu LuandHugh Yu

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

介紹

在2000年推出第一臺數字超聲（由GE）之后，超聲市場迅速增長。超聲技術已經從靜態轉向動態，從黑白轉向彩色多普勒。越來越多的超聲應用導致組件要求增加，例如與探頭、AFE 和電源系統相關的組件。

在醫療診斷領域，對超聲成像系統更高圖像質量的需求不斷增加。提高圖像質量的關鍵技術之一是提高系統的信噪比（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？

超聲系統由換能器、發射電路、接收電路、后端數字處理電路、控制電路、顯示模塊等組成。數字處理模塊通常包括現場可編程門陣列（FPGA），根據系統的配置和控制參數生成發射波束成形器和相應的波形模式。然后，發射電路的驅動器和高壓電路產生高壓信號以激勵超聲換能器。超聲換能器通常由PZT陶瓷制成。它將電壓信號轉換為超聲波，進入人體，同時接收組織產生的回波?；夭ū晦D換為小電壓信號，并傳遞到發射/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。經過信號調理、增益和濾波后的模擬電壓信號被傳遞到AFE的集成ADC，然后轉換為數字數據。數字數據通過JESD204B或LVDS接口傳輸到FPGA進行接收波束成形，然后傳輸到后端數字部分進行進一步處理以創建超聲圖像。

圖1.超聲系統框圖。

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，例如發射信號鏈、接收信號鏈、TGC增益控制、時鐘和電源。在本文中，我們將討論電源如何影響噪聲。

超聲系統中有不同種類的圖像模式，每種圖像模式對動態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 動態范圍，脈搏波多普勒 （PWD） 模式需要 130 dB，連續波多普勒 （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任何開關頻率噪聲的影響。如果PWD和CWD頻譜內存在互調頻率（從100 Hz到200 kHz），則多普勒圖像中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，良好的電源可以通過考慮相同的因素來改善超聲圖像。設計人員在為超聲應用設計電源時應了解幾個因素。

開關頻率

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。在電力系統中很容易發現這種噪聲。

大多數開關穩壓器使用電阻器來設置開關頻率。該電阻的誤差會在PCB上引入不同的開關標稱頻率和諧波。例如，1%精度電阻在400 kHz DC-DC穩壓器中提供±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。外部時鐘將通過SYNC引腳向所有穩壓器發送信號，以便所有穩壓器以相同的頻率和相同的相位進行開關。

此外，出于EMI考慮或更高的瞬態響應，一些穩壓器具有20%的變體開關頻率，這導致400 kHz電源中的諧波頻率為0 kHz至80 kHz。恒定頻率的開關穩壓器有助于避免此問題。ADI公司的靜音開關穩壓器和μModule穩壓器系列具有恒定頻率開關功能，但同時在不開啟擴頻的情況下保持出色的EMI性能，并保持出色的瞬態響應。

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的背景噪聲。這種噪聲主要來自信號鏈、時鐘和電源。

在模擬處理組件的模擬電源引腳上增加LDO穩壓器現在很常見。ADI公司的下一代LDO穩壓器具有約1 μV rms超低噪聲，覆蓋200 mA至3 A電流。電路和規格如圖2和圖3所示。

圖2.下一代低噪聲LDO穩壓器。

圖3.下一代LDO穩壓器中的低噪聲頻譜密度：LT3045。

印刷電路板布局

在超聲系統中設計數據采集板時，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衡。來自開關電源的噪聲很容易耦合到信號路徑走線中，這不容易從數據處理中消除。開關噪聲通常由開關輸入電容（圖4）和上側或下側開關產生的熱回路產生。添加緩沖電路可以幫助管理電磁輻射;但是，它同時降低了效率。靜音開關電源架構有助于改善EMI性能，即使在高開關頻率下也能保持高效率。

手持式數字探頭

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烈影響。超聲波脈沖是通過向換能器施加電信號而產生的。一些電能在元件、透鏡和背襯材料中耗散，導致換能器發熱。在換能器頭中對接收到的信號進行電子處理也可能導致電加熱。換能器面的熱量傳導會導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 標準 60601-2-37（修訂版 2007）中指定。1當換能器傳輸到空氣中時，這些溫度為50°C，當傳輸到合適的模型時為43°C。后一個限制意味著皮膚（通常在33°C）可以加熱到10°C。 換能器加熱是復雜換能器的一個重要設計考慮因素，在某些情況下，這些溫度限制可能會有效地限制可以實現的聲學輸出。

安全標準 IEC 60601-2-37 修訂版 2007）1在空氣中運行時，將換能器表面的溫度限制在50°C以下，在33°C（對于外部應用的換能器）或37°C（對于內部換能器）下與幻影接觸時，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度的限制）限制了換能器的聲學輸出。靜音切換器器件具有最高的效率，可將功率（開關帶寬寬至3 MHz）轉換為數字探頭的不同電壓域。這意味著功率轉換期間的功率損耗最小。這有助于冷卻系統，因為沒有太多額外的熱量損失。

靜音開關穩壓器μ模塊穩壓器有很大幫助

靜音開關μModule穩壓器技術是超聲電源軌設計的最佳選擇。引入它是為了幫助改善EMI和開關頻率噪聲。傳統上，我們應該負責每個開關穩壓器的熱回路上的電路和布局設計。對于降壓轉換器，如圖4所示，熱回路包含一個輸入電容、一個頂部MOSFET、一個底部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計方法：

首先，如圖4和圖5所示，通過創建一個相反的熱回路，大部分EMI將因雙向發射而降低。這種方法將優化近 20 dB。

圖4.拆分熱回路的原理圖。

圖5.靜音開關和非靜音開關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化尖峰和死區時間，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）與傳統邊界技術（LT8610）的比較。

此外，如圖7所示，靜音開關技術提供高功率密度設計，可在小封裝中實現大電流能力，從而保持低θJA并實現高效率（例如，LTM4638在6.25 mm×6.25 mm×5.02 mm封裝中實現15 A電流）。

圖7.靜音切換器 μModule 穩壓器封裝內視圖。

此外，許多靜音開關μModule穩壓器還具有固定頻率、寬頻率范圍和峰值電流架構，可實現低抖動和快速瞬態響應。表 2 列出了該產品組合中的熱門產品。

結論

ADI公司的靜音開關電源μModule穩壓器和LDO產品為超聲電源軌設計提供了整體解決方案，最大限度地降低了系統噪聲水平和開關噪聲。這有助于提高圖像質量。它們還有助于限制溫度升高并簡化PCB布局設計的復雜性。

審核編輯：郭婷