MAX14813超紧凑超声发射器：设计的革新之选

作为一名电子工程师，在超声成像应用的设计中，如何在有限的 PCB 空间内实现高性能的超声发射功能，一直是我们面临的重要挑战。而 Maxim Integrated 推出的 MAX14813 超紧凑八通道 3 电平/四通道 5 电平脉冲发生器，无疑为我们提供了一个绝佳的解决方案。

文件下载：MAX14813.pdf

器件概览：高密度与高性能的完美融合

MAX14813 采用晶圆级封装（WLP），尺寸仅为 6.33mm x 6.65mm，却拥有极高的密度，特别适合对 PCB 空间要求苛刻的超声成像应用。它具备八个 3 电平通道，可由两对独立的高压电源供电，每个通道能传输高达 170VP - P 的电压，电流能力可达 2.1A，并且电流能力可通过 4 级编程下调至 0.35A，还集成了 1A 有源钳位（归零）功能。此外，它还能配置为四通道 5 电平（2.1A）脉冲发生器加四通道有源收发（T/R）开关。

核心特性：为设计带来多重便利

1. 紧凑便携设计的优化

• 高密度集成：在如此小的封装内集成了八个 3 电平通道，极大地节省了 PCB 空间，为便携式设备的设计提供了可能。
• 低功耗与低噪声：集成了低功耗、低噪声的有源 T/R 开关，减少了额外的元件需求，降低了功耗和噪声干扰。
• 直接驱动架构：消除了外部浮动电源（FPS）和高压信号电容，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
• 嵌入式波束形成：嵌入式数字资源（SRAM 和状态机）可用于支持发射波束形成，大大减少了互连数量和 FPGA I/O 的使用，简化了 PCB 布局，也减轻了同步的难度。

2. 灵活的配置选项

• 支持接收复用：T/R 开关可外部配置以支持接收复用，允许使用比发射通道更少的接收通道，提高了系统的灵活性。
• 内部/外部波束形成资源可选：既可以使用内部的嵌入式波束形成资源，也可以通过外部数字源（如 FPGA）进行传统控制，满足不同的设计需求。
• 多种工作模式：可工作在八通道 3 电平或四通道 5 电平模式，适应不同的应用场景。

3. 卓越的性能表现

• 图像质量提升：具有出色的二次谐波失真和脉冲反转性能，低传播延迟（典型值 12ns）确保了多普勒模式下的优异相位噪声和良好的器件间匹配，快速的上升和下降沿实现了精细分辨率的 PWM 或声功率控制，有助于提高图像质量。
• 低功耗运行：低静态功耗（八通道模式下 4.1mW/通道），可编程的电流能力满足不同模式下的功耗需求，如连续波多普勒（CWD）和低电压模式。
• 高鲁棒性：具备 110°C 的热警告和 150°C 的热关断功能，确保在高温环境下的稳定运行。

电气特性：精准把控设计参数

1. 电源和逻辑输入

MAX14813 的工作电压范围广泛，I/O 逻辑电源电压（VIO）为 1.7 - 3.3V，正驱动电源电压（VCC）为 4.75 - 5.25V，负驱动电源电压（VEE）为 -5.25 - -4.75V，高侧电源电压（VPPA、VPPB）可达 85V，低侧电源电压（VNNA、VNNB）为 -85V。逻辑输入引脚的低电平输入（VIL）为 0.33 x VIO，高电平输入（VIH）为 0.66 x VIO，确保了稳定的逻辑信号传输。

2. 电流消耗

在不同的工作模式下，MAX14813 的电流消耗表现不同。例如，在停机模式下，总功耗（8 通道）仅为 0.4mW；在八通道 3 电平的接收模式下，每通道的静态总功耗为 4.1mW。在不同的工作模式如 CWD 模式、B 模式下，各电源的电流消耗也有明确的参数规定，这为我们在设计时根据实际需求选择合适的工作模式提供了依据。

3. 引脚特性

HVOUT 引脚的小信号总寄生电容（CHVOUTSS）在 T/R 开关开启时典型值为 30pF，大信号等效寄生电容（CHVOUTLS）在特定条件下为 55pF。HVOUT 和 LVOUT 引脚还具有泄放电阻，用于在 T/R 开关关闭时释放电荷。此外，T/R 开关的导通时间（TONTRSW）典型值为 0.5 - 1µs，关断时间（TOFFTRSW）典型值小于 0.2µs，确保了快速的开关切换。

工作模式：满足多样化应用需求

1. 停机模式

这是最低功耗的模式，在该模式下，不允许进行传输，脉冲发生器输出（HVOUT）处于高阻抗状态，T/R 开关关闭，波束形成状态机禁用。退出该模式进入其他发射模式的最大时间为 0.5ms。

2. 直接模式 - 3 电平

在此模式下，发射器和 T/R 开关均启用，通过逻辑输入信号进行控制，嵌入式波束形成功能禁用，器件作为八通道 3 电平脉冲发生器工作。两个逻辑输入信号可控制每个通道传输 3 电平波形。

3. 直接模式 - 5 电平

该模式下，发射器和 T/R 开关同样启用，器件需外部配置为四通道 5 电平脉冲发生器，要求脉冲发生器输出引脚（HVOUT）成对连接。通过四个控制 CMOS 输入可控制脉冲发生器输出和 T/R 开关输出。

4. 波束形成模式

在该模式下，MAX14813 通过 SPI 总线进行编程，利用嵌入式数字资源支持片内波束形成。低降模式和脉冲发生器电流设置可通过写入设备寄存器进行编程，大大减少了系统互连数量和 FPGA 总 I/O 数量，节省了 PCB 空间和系统成本。

设计要点：确保稳定可靠运行

1. 引脚连接与电容配置

在引脚连接方面，需要注意各个电源引脚（如 VPPA、VPPB、VNNA、VNNB、VCC、VEE 等）与地之间的旁路电容配置。HV 旁路电容应尽可能靠近器件放置，以减少连接走线的寄生电感。对于浮动功率调节器输出引脚（VGP、VGN），应连接 1μF 旁路电容，并确保其靠近器件，同时使用具有低 ESR 和 ESL 的 SMD 旁路电容。

2. PCB 布局

推荐采用对称的 PCB 单元布局，以确保左右通道具有相同的性能。对于每个电源输入（Vpp、VNN、VGP、VGN、VCC、VEE），在器件的左右两侧应使用相同的旁路电容放置方式。此外，球栅阵列的内球应连接到地，通过多个接地平面和过孔连接 PCB 顶层和内层的器件接地球，有助于散热。

3. 电源上电/下电顺序

在 3 电平操作中，当 VPPA 和 VPPB 以及 VNNA 和 VNNB 外部硬连接时，无需遵循特定的上电/下电顺序，低电压电源（VIO、VCC、VEE）和 HV 电源（VPP、VNN）可以任意顺序开启和关闭。但在 5 电平配置中，必须始终满足 (V{PPA} geq V{PPB}) 和 (V{NNA} leq V{NNB}) 的条件，否则可能会损坏设备。

总结

MAX14813 以其超紧凑的封装、丰富的功能特性和出色的性能表现，为超声成像应用的设计带来了新的思路和选择。作为电子工程师，我们可以充分利用其优势，在满足 PCB 空间要求的同时，实现高性能、低功耗、高灵活性的超声发射系统设计。在实际应用中，我们需要仔细研究其电气特性和工作模式，严格遵循设计要点，确保系统的稳定可靠运行。你在超声发射系统设计中遇到过哪些挑战呢？对于 MAX14813 又有哪些疑问或应用想法呢？欢迎在评论区留言讨论。