低噪声静音开关模块和LDO稳压器助于改善超声噪声和图像质量

自 2000 年 GE 推出第一台数字超声后，超声市场迅速增长。超声技术已从静态转向动态，从黑白多普勒转向彩色多普勒。越来越多的超声应用导致对组件的需求增加，例如与探头、AFE 和电源系统相关的组件需求。

在医学诊断领域，对超声成像系统中更高图像质量的需求不断增加。提高图像质量的关键技术之一是提高系统的信噪比 （SNR）。下面将讨论影响噪声的不同因素，尤其是电源。

超声波是如何工作的？

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组成。数字处理模块通常包括一个现场可编程门阵列（FPGA），它根据系统的配置和控制参数生成发射波束形成器和相应的波形模式。发射电路的驱动器和高压电路然后产生高压信号来激励超声换能器。超声换能器通常由 PZT 陶瓷制成。它将电压信号转换为进入人体的超声波，同时接收组织产生的回波。回波被转换成小的电压信号并传递到发射/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。经过信号调理、增益和滤波后的模拟电压信号被传递到 AFE 的集成 ADC，然后转换为数字数据。数字数据通过 JESD204B 或 LVDS 接口传输到 FPGA 以接收波束形成，然后传输到后端数字部件进行进一步处理以创建超声图像。

图 1：超声系统框图

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，例如发射信号链、接收信号链、TGC 增益控制、时钟和电源。下面，我们将讨论电源如何影响噪声。

超声系统中有多种图像模式，每种图像模式对动态范围的要求也不同。这也意味着 SNR 或噪声要求取决于不同的图像模式。黑白模式需要 70 dB 的动态范围，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。本底噪声对于黑白模式很重要，它影响在远场可以看到的最小超声回波的最大深度，这称为穿透，这是黑白模式的关键特征之一。1/f 噪声对于 PWD 和 CWD 模式尤为重要。PWD 和 CWD 图像都包含低于 1 kHz 的低频频谱，相位噪声影响高于 1 kHz 的多普勒频谱。由于超声换能器频率通常为 1 MHz 至 15 MHz，因此它会受到此范围内的任何开关频率噪声的影响。如果 PWD 和 CWD 频谱（从 100 Hz 到 200 kHz）内存在互调频率，则在多普勒图像中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，良好的电源可以通过考虑相同的考虑来改善超声图像。在为超声波应用构建电源时，设计人员应该了解几个因素。

开关频率

如上所述，有必要避免将意外的谐波频率引入采样频带（200 Hz 至 100 kHz）。在电力系统中很容易发现这种噪声。

大多数开关稳压器使用电阻器来设置开关频率。该电阻器的误差会在 PCB 上引入不同的开关标称频率和谐波。例如，精度为 1% 的电阻器在 400-kHz DC-DC 稳压器中提供 ±1% 的误差和 4-kHz 的谐波频率。更好的解决方案是选择具有同步功能的电源切换器。外部时钟将通过同步引脚向所有稳压器发送信号，以便所有稳压器以相同频率和相同相位切换。

此外，出于 EMI 考虑或更高的瞬态响应，一些稳压器具有 20% 的可变开关频率，这导致 400 kHz 电源中的谐波频率为 0 kHz 至 80 kHz。具有恒定频率的开关稳压器有助于避免这个问题。ADI 的 Silent Switcher 电源稳压器和电源模块系列具有恒定频率开关，同时保持出色的 EMI 性能，无需扩展频谱，并保持出色的瞬态响应。

白噪声

超声系统中也存在许多白噪声源，这会导致超声成像中的背景噪声。这种噪声主要来自信号链、时钟和电源。

在模拟处理组件的模拟电源引脚添加 LDO 稳压器现在很常见。ADI 的下一代 LDO 稳压器具有约 1-μVrms 的超低噪声，涵盖 200 mA 至 3 A 的电流。电路和规格如图 2 和图 3 所示。

图 2：下一代低噪声 LDO 稳压器

图 3：下一代 LT3073 的低噪声频谱密度

PCB布局

在超声系统中设计数据采集板时，很容易注意到大电流电源部分和高灵敏度信号链部分之间的权衡。来自开关电源的噪声很容易在信号路径走线中耦合，这在数据处理中并不容易消除。开关噪声通常由开关输入电容（图 4）和上侧或下侧开关产生的热回路产生。添加缓冲电路有助于管理电磁辐射；但是，它同时降低了效率。Silent Switcher 架构有助于提高 EMI 性能，即使在高开关频率下也能保持高效率。

手持式数字探头

除了由于吸收超声波而发热之外，换能器附近组织的温度还受到换能器自身温度的强烈影响。通过向换能器施加电信号来产生超声波脉冲。一些电能在元件、透镜和背衬材料中消散，导致传感器发热。换能器头中接收到的信号的电子处理也可能导致电加热。来自换能器表面的热量传导会导致表层组织温度升高几摄氏度。最大允许传感器表面温度（T SURF） 在 IEC 标准 60601-2-37（2007 年修订版）中指定。1 当传感器传输到空气中时为 50°C，当传输到合适的体模中时为 43°C。后一个限制意味着皮肤（通常在 33°C）可以加热高达 10°C。换能器加热是复杂换能器的重要设计考虑因素，在某些情况下，这些温度限制可能会有效地限制可以实现的声输出。

安全标准 IEC 60601-2-37 Rev 2007）1 将传感器表面的温度限制为在空气中运行时低于 50°C，在 33°C 下与体模接触时低于 43°C（对于外部应用的传感器）或在 37°C（对于内部传感器）。通常是这些温度限制（而不是对光束中最大强度的限制）限制了换能器的声输出。Silent Switcher 器件具有最高效率的转换功率（具有高达 3 MHz 的宽开关带宽）到数字探头的不同电压域。这意味着功率转换期间的功率损耗最小。这有助于冷却系统，因为热量形式的额外功率损失并不多。

Silent Switcher 模块有很大帮助

Silent Switcher 模块技术是超声波电源轨设计的最佳选择。引入它是为了帮助改善 EMI 和开关频率噪声。传统上，应注意每个开关稳压器的热回路的电路和布局设计。对于降压电路，如图 4 所示，热环路包含一个输入电容、一个顶部 MOSFET、一个底部 MOSFET，以及由布线、布线、边界等引入的寄生电感。

Silent Switcher 模块具有两种主要的设计方法。首先，如图 4 和图 5 所示，通过创建相反的热回路，由于双向发射，大部分 EMI 将被降低。这种方法将优化近 20 dB。

图 4：拆分热循环的原理图

图 5：静音开关和非静音开关 EMI 性能的比较

其次，如图 6 所示，Silent Switcher 模块中的铜柱倒装芯片封装不是直接围绕芯片进行键合，而是有助于减少寄生电感并优化尖峰和死区时间。

图 6：铜柱倒装芯片封装及其性能 （LT8614） 与传统绑定技术 （LT8610） 的比较

此外，如图 7 所示，Silent Switcher 技术提供了高功率密度设计，并在小型封装中实现了大电流能力，保持低 theta JA 并导致高效率（例如，LTM4638在 6.25 × 6.25 × 5.02 毫米封装）。

图 7：Silent Switcher 电源模块封装视图

表 1：Silent Switcher 模块摘要

表 2：流行的静音切换器产品

此外，许多 Silent Switcher 模块还具有固定频率、宽频率范围和峰值电流架构，可实现低抖动和快速瞬态响应。该产品组合中的热门产品列于表 2 中。

结论

ADI 的 Silent Switcher 电源模块和 LDO 产品为超声波电源轨设计提供了一个整体解决方案，最大限度地降低了系统噪声水平和开关噪声。这有助于提高图像质量。它们还有助于限制温度升高和简化 PCB 布局设计的复杂性。

审核编辑：郭婷