低噪声静音切换器μ模块和LDO稳压器可改善超声噪声和图像质量

作者：Yu Lu and Hugh Yu

本文简要介绍了超声成像系统，并详细分析了超声电源管理设计中的一些挑战和解决方案。讨论了四个主要的设计考虑因素：系统噪声水平、开关噪声、电磁干扰（EMI）以及与电源相关的超声散热。本文还将解释静音切换器μModule和低噪声LDO技术如何帮助解决最常见的问题，并改善系统噪声和图像质量。®®

介绍

在2000年推出第一台数字超声（由GE）之后，超声市场迅速增长。超声技术已经从静态转向动态，从黑白转向彩色多普勒。越来越多的超声应用导致组件要求增加，例如与探头、AFE 和电源系统相关的组件。

在医疗诊断领域，对超声成像系统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。

超声波如何工作？

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、显示模块等组成。数字处理模块通常包括现场可编程门阵列（FPGA），根据系统的配置和控制参数生成发射波束成形器和相应的波形模式。然后，发射电路的驱动器和高压电路产生高压信号以激励超声换能器。超声换能器通常由PZT陶瓷制成。它将电压信号转换为超声波，进入人体，同时接收组织产生的回波。回波被转换为小电压信号，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进行接收波束成形，然后传输到后端数字部分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。在本文中，我们将讨论电源如何影响噪声。

超声系统中有不同种类的图像模式，每种图像模式对动态范围都有不同的要求。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 动态范围，脉搏波多普勒 （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，它会影响在远场中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图像都包括低于1 kHz的低频谱，相位噪声会影响高于1 kHz的多普勒频谱。由于超声换能器频率通常在1 MHz至15 MHz之间，因此会受到该范围内任何开关频率噪声的影响。如果PWD和CWD频谱内存在互调频率（从100 Hz到200 kHz），则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因素来改善超声图像。设计人员在为超声应用设计电源时应了解几个因素。

开关频率

如前所述，有必要避免在采样频段（200 Hz至100 kHz）中引入意外谐波频率。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。该电阻的误差会在PCB上引入不同的开关标称频率和谐波。例如，1%精度电阻在400 kHz DC-DC稳压器中提供±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切换器。外部时钟将通过SYNC引脚向所有稳压器发送信号，以便所有稳压器以相同的频率和相同的相位进行开关。

此外，出于EMI考虑或更高的瞬态响应，一些稳压器具有20%的变体开关频率，这导致400 kHz电源中的谐波频率为0 kHz至80 kHz。恒定频率的开关稳压器有助于避免此问题。ADI公司的静音开关稳压器和μModule稳压器系列具有恒定频率开关功能，但同时在不开启扩频的情况下保持出色的EMI性能，并保持出色的瞬态响应。

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上增加LDO稳压器现在很常见。ADI公司的下一代LDO稳压器具有约1 μV rms超低噪声，覆盖200 mA至3 A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LDO稳压器中的低噪声频谱密度：LT3045。

印刷电路板布局

在超声系统中设计数据采集板时，很容易注意到高电流功率部件和高灵敏度信号链部件之间的权衡。来自开关电源的噪声很容易耦合到信号路径走线中，这不容易从数据处理中消除。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。添加缓冲电路可以帮助管理电磁辐射;但是，它同时降低了效率。静音开关电源架构有助于改善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

除了由于超声波吸收而加热外，换能器附近组织的温度还受到换能器本身温度的强烈影响。超声波脉冲是通过向换能器施加电信号而产生的。一些电能在元件、透镜和背衬材料中耗散，导致换能器发热。在换能器头中对接收到的信号进行电子处理也可能导致电加热。换能器面的热量传导会导致浅表组织中的温升几摄氏度。探头表面允许的最高温度（T冲浪） 在 IEC 标准 60601-2-37（修订版 2007）中指定。1当换能器传输到空气中时，这些温度为50°C，当传输到合适的模型时为43°C。后一个限制意味着皮肤（通常在33°C）可以加热到10°C。 换能器加热是复杂换能器的一个重要设计考虑因素，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学输出。

安全标准 IEC 60601-2-37 修订版 2007）1在空气中运行时，将换能器表面的温度限制在50°C以下，在33°C（对于外部应用的换能器）或37°C（对于内部换能器）下与幻影接触时，将换能器表面的温度限制在43°C以下。通常正是这些温度限制（而不是对光束中最大强度的限制）限制了换能器的声学输出。静音切换器器件具有最高的效率，可将功率（开关带宽宽至3 MHz）转换为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，因为没有太多额外的热量损失。

静音开关稳压器μ模块稳压器有很大帮助

静音开关μModule稳压器技术是超声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，我们应该负责每个开关稳压器的热回路上的电路和布局设计。对于降压转换器，如图4所示，热回路包含一个输入电容、一个顶部MOSFET、一个底部MOSFET和由布线、布线、绑定等引入的寄生电感。

静音切换器模块采用两种主要设计方法：

首先，如图4和图5所示，通过创建一个相反的热回路，大部分EMI将因双向发射而降低。这种方法将优化近 20 dB。

图4.拆分热回路的原理图。

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，静音切换器模块中的铜柱倒装芯片封装有助于降低寄生虫电感并优化尖峰和死区时间，而不是直接粘合芯片周围。

图6.铜柱倒装芯片封装及其性能（LT8614）与传统边界技术（LT8610）的比较。

此外，如图7所示，静音开关技术提供高功率密度设计，可在小封装中实现大电流能力，从而保持低θJA并实现高效率（例如，LTM4638在6.25 mm×6.25 mm×5.02 mm封装中实现15 A电流）。

图7.静音切换器 μModule 稳压器封装内视图。

 

	低频噪声	开关噪声谐波	高热性能
建筑	静音切换器3器件中的超低噪声基准电压源	静音切换器技术加铜柱封装	静音切换器技术加上封装中的散热器
特征	在低f噪声方面与LDO稳压器具有相同的性能	低 EMI、低开关噪声 快速开关频率，小死角	高功率密度 更小的热阻
应用优势	无需使用后LDO稳压器，同时保持相同的图像质量	高频，高效率 更高的频率，更小的滤波器尺寸	在相同电流水平下最大限度地减少降级

	开关频率	控制模式	切换抖动	功率级架构	电磁干扰	有效值噪声
LTM8053-1	200 kHz 至 3 MHz	固定频率峰值电流	小	静音切换台 2 模块	超	0.8 μV rms （采用 LT3045)
LTM8060	200 kHz 至 3 MHz	固定频率峰值电流	小	静音切换台 2 模块	超	0.8 μV rms （采用 LT3045）
LT8625S	300 kHz 至 4 MHz	固定频率峰值电流	小	静音切换器 3 转换器	超	4 μV rms（无LT3045时）

 

此外，许多静音开关μModule稳压器还具有固定频率、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。表 2 列出了该产品组合中的热门产品。

结论

ADI公司的静音开关电源μModule稳压器和LDO产品为超声电源轨设计提供了整体解决方案，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并简化PCB布局设计的复杂性。

审核编辑：郭婷