自2000年(GE)首次推出數字超聲技術(shù)以來(lái)，超聲市場(chǎng)發(fā)展迅速。超聲技術(shù)已從基于靜態(tài)轉向動(dòng)態(tài)，并從黑白轉向彩色多普勒。隨著(zhù)超聲應用越來(lái)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(guān)的要求。

在醫療診斷領(lǐng)域，越來(lái)越多的應用需要超聲成像系統輸出更高的圖像質(zhì)量。提高圖像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)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(fā)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(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，FPGA根據系統的配置和控制參數，生成發(fā)射波束合成及相應的波形模式。發(fā)射電路中的驅動(dòng)和高壓電路生成高壓信號來(lái)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(jìn)入人體，同時(shí)接收人體組織產(chǎn)生的回波?；夭ㄞD換成微小電壓信號，并傳輸至發(fā)射/接收(T/R)開(kāi)關(guān)。T/R開(kāi)關(guān)的主要目的是防止高壓發(fā)射信號損壞低壓接收模擬前端。模擬電壓信號經(jīng)過(guò)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(guò)JESD204B或LVDS接口發(fā)送到FPGA進(jìn)行接收波束合成，再到后端數字部分進(jìn)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(lái)看，系統噪聲會(huì )受到許多因素的影響，如發(fā)射信號鏈、接收信號鏈、TGC增益控制、時(shí)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(lèi)型的成像模式，每種成像模式對動(dòng)態(tài)范圍有不同的要求。這也意味著(zhù)，SNR或噪聲要求取決于不同的成像模式。黑白模式需要70dB動(dòng)態(tài)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(huì )影響在遠場(chǎng)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(guān)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(huì )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(kāi)關(guān)頻率噪聲都會(huì )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(huì )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(guò)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(shí)，需要考慮多個(gè)方面的因素。

開(kāi)關(guān)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(lèi)噪聲。

大多數開(kāi)關(guān)穩壓器使用電阻來(lái)設置開(kāi)關(guān)頻率。該電阻的誤差會(huì )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(kāi)關(guān)電源。外部時(shí)鐘將通過(guò)SYNC引腳向所有穩壓器發(fā)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(tài)響應，一些穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )在主頻20%內變化，這會(huì )導致400kHz電源中產(chǎn)生0kHz至80kHz諧波頻率。恒頻開(kāi)關(guān)穩壓器有助于解決這一問(wèn)題。ADI的Silent Switcher電源穩壓器和電源模塊系列具有恒定頻率開(kāi)關(guān)功能，同時(shí)能在不開(kāi)啟擴頻的情況下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬態(tài)響應。

白噪聲

超聲系統中也有許多白噪聲源，這會(huì )導致超聲成像中出現背景噪聲。該噪聲主要來(lái)自信號鏈、時(shí)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(jiàn)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(shí)，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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲很容易耦合到信號路徑走線(xiàn)中，并且很難通過(guò)數據處理去除。開(kāi)關(guān)噪聲通常由開(kāi)關(guān)輸入電容（圖4）以及上管和下管組成的熱回路產(chǎn)生。添加緩沖電路可幫助管理電磁輻射；但同時(shí)也會(huì )降低效率。在這種情況下，Silent Switcher 架構可以幫助在高開(kāi)關(guān)頻率下，優(yōu)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(fā)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(guò)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?lián)Q能器發(fā)熱。此外，對換能器探頭中收到的信號進(jìn)行電子處理也可能會(huì )產(chǎn)生電熱。從換能器表面排出熱量會(huì )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(zhù)空氣發(fā)射超聲波時(shí)，換能器表面容許的最大溫度為50°C；當發(fā)射到合適的體模時(shí)，該溫度為43°C。后一項限制意味著(zhù)，皮膚溫度（通常為33°C）最高可升高10°C。換能器發(fā)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(huì )明顯地限制輸出的聲功率強度。

當換能器向空氣發(fā)射超聲時(shí)，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(shí)，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(chǎn)品將電源以最高效率（和寬范圍開(kāi)關(guān)頻率）轉換為不同電壓給數字探頭供電。這意味著(zhù)，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(méi)有太多額外功率以熱量形式損耗。

Silent Switcher模式優(yōu)勢顯著(zhù)

Silent Switcher模塊技術(shù)是進(jìn)行超聲電源軌設計時(shí)的明智選擇。引入該模塊技術(shù)是為了幫助改善EMI和開(kāi)關(guān)頻率噪聲。傳統上，應該關(guān)注每個(gè)開(kāi)關(guān)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(xiàn)、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(guò)創(chuàng )建反向的熱回路，由于雙向輻射，大多數EMI將被抵消。通過(guò)該方法，將優(yōu)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?chē)壎ń泳€(xiàn)，而是采用銅柱倒裝芯片封裝，有助于減少寄生電感，優(yōu)化尖峰和死區時(shí)間。

圖6.與傳統綁定技術(shù)(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(shù)提供高功率密度設計，并且能夠在小封裝中實(shí)現大電流能力，從而保持低θJA，實(shí)現高效率（例如，LTM4638能夠在6.25mm × 6.25mm × 5.02mm封裝中實(shí)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(mén)Silent Switcher產(chǎn)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(shí)現低抖動(dòng)和快速瞬態(tài)響應。該產(chǎn)品系列中的熱門(mén)產(chǎn)品參見(jiàn)表2。

結論

ADI的Silent Switcher電源模塊和LDO產(chǎn)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(kāi)關(guān)噪聲，不僅有助于改善圖像質(zhì)量，限制溫度升高，還簡(jiǎn)化了PCB布局設計的復雜性。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在現代數字經(jīng)濟的中心發(fā)揮重要作用，憑借其種類(lèi)豐富的模擬與混合信號、電源管理、RF、數字與傳感技術(shù)，將現實(shí)世界的現象轉化成有行動(dòng)意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，在工業(yè)、通信、汽車(chē)與消費市場(chǎng)提供超過(guò)7.5萬(wàn)種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。 

關(guān)于作者

Yu Lu于2015年獲得法國里昂國立應用科學(xué)學(xué)院的電氣工程碩士學(xué)位，并于2016年加入Maxim，擔任系統工程師，開(kāi)始其職業(yè)生涯。自2019年起，他加入ADI（上海）公司，擔任醫療健康市場(chǎng)的FAE（現場(chǎng)應用工程師）。

Hugh Yu于2001年畢業(yè)于南京郵電大學(xué)，獲電子與信息工程碩士學(xué)位。2002年至2005年，他在通用電氣醫療系統中國有限公司超聲部門(mén)擔任高級硬件工程師；2005年至2010年，在西門(mén)子中國研究院擔任研究員。目前在ADI（上海）公司擔任亞太區醫療健康系統應用經(jīng)理。