【導讀】本文將簡要介紹超聲成像係統進行

，並詳細分析超聲電源管理設計方麵的一些挑戰和解決方案。文中主要討論了4個設計考慮因素：係統噪聲電平
、開關噪聲、電磁幹擾(EMI)，以及與其電源相關的超聲散熱。本文還將說明Silent Switcher®模塊和低噪聲LDO技術如何幫助解決常見的問題並改善係統噪聲，提高圖像質量。

簡介

自2000年(GE)首(shou)次(ci)推(tui)出(chu)數(shu)字(zi)超(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)以(yi)來(lai)
，超(chao)聲(sheng)市(shi)場(chang)發(fa)展(zhan)迅(xun)速(su)。超(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)已(yi)從(cong)基(ji)於(yu)靜(jing)態(tai)轉(zhuan)向(xiang)動(dong)態(tai)，並(bing)從(cong)黑(hei)白(bai)轉(zhuan)向(xiang)彩(cai)色(se)多(duo)普(pu)勒(le)。隨(sui)著(zhe)超(chao)聲(sheng)應(ying)用(yong)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)，對(dui)組(zu)件(jian)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)
，例(li)如(ru)與(yu)探(tan)頭(tou)、AFE和電源係統相關的要求。

在醫療診斷領域
，越來越多的應用需要超聲成像係統輸出更高的圖像質量。提高圖像質量的關鍵技術之一是提高係統的信噪比(SNR)。下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麼？

超聲係統由換能器、發射電路
、接收電路、後端數字處理電路、控製電路和顯示模塊等組成。數字處理模塊通常包含現場可編程門陣列(FPGA)，FPGAgenjuxitongdepeizhihekongzhicanshushengchengfasheboshuchengxingqijixiangyingdeboxingtuan。ranhou，fashedianluzhongdequdonghegaoyadianlushengchenggaoyaxinhaolaijilichaoshenghuannengqi。chaoshenghuannengqitongchangcaiyongPZT陶瓷製成。換能器將電壓信號轉換為超聲波進入人體
，同時接收人體組織產生的回波。回波轉換成小電壓信號，並傳輸至發射/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。模擬電壓信號經過信號調理、放大和濾波後，傳輸至AFE的集成ADC，然後轉換成數字數據。數字數據通過JESD204B或LVDS接口發射到FPGA進行接收波束成形
，然後發射到後端數字部分進一步處理，從而創建超聲圖像。

圖1.超聲係統方框圖。

電源如何影響超聲係統？

從上述超聲架構來看，係統噪聲會受到許多因素的影響，如發射信號鏈

、接收信號鏈
、TGC增益控製、時鍾和電源。在本文中，我們將討論電源如何影響噪聲。

超聲係統提供不同類型的成像模式，每種成像模式對動態範圍有不同的要求。這也意味著
，SNR或噪聲要求取決於不同的成像模式。黑白模式需要70 dB動態範圍，脈衝波多普勒(PWD)模式需要130 dB
，連續波多普勒(CWD)模式需要160 dB。duiyuheibaimoshi，bendizaoshengfeichangzhongyao，tahuiyingxiangzaiyuanchangnenggoukandaodezuixiaochaoshenghuibodezuidashendu
，yejiushichuantouxing，zheshiheibaimoshideguanjiantexingzhiyi。duiyuPWD和CWD模式，1/f噪聲尤為重要。PWD和CWD圖像均包括1 kHz以下的低頻譜，相位噪聲會影響1 kHz以上的多普勒頻譜。由於超聲換能器頻率通常為1 MHz至15 MHz，因此該範圍內的任何開關頻率噪聲都會對其造成影響。如果PWD和CWD頻譜（從100 Hz至200 kHz）中存在互調頻率，多普勒圖像中將會出現明顯的噪聲頻譜，這在超聲係統中是不可接受的。

另一方麵，通過考慮相同的因素，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，應了解多個因素。

開關頻率

如前所述，必須避免將意外的諧波頻率引入采樣頻帶（200 Hz至100 kHz）。在電源係統中，很容易找到此類噪聲。

大多數開關穩壓器使用電阻來設置開關頻率。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，在400 kHz DC/DC穩壓器中，1%精度電阻提供±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轉換開關。外部時鍾將通過SYNC引腳向所有穩壓器發送信號
，使所有穩壓器切換到相同頻率和相同相位下工作。

此外
，出於EMI考量或更高的瞬態響應
，一些穩壓器具有20%的可變開關頻率
，這會導致400 kHz電源中產生0 kHz至80 kHz諧波頻率。恒頻開關穩壓器有助於解決這一問題。ADI的Silent Switcher電源穩壓器和電源模塊係列具有恒定頻率開關功能
，同時在不開啟擴頻的情況下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬態響應。

白噪聲

超聲係統中也有許多白噪聲源
，這會導致超聲成像中出現背景噪聲。該噪聲主要來自信號鏈、時鍾和電源。

現在，在模擬處理組件的模擬電源引腳添加LDO穩壓器是常見的做法。ADI的下一代LDO穩壓器具有大約1 μV rms的超低噪聲，涵蓋200 mA至3 A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LT3073的低噪聲譜密度。

PCB布局

在(zai)設(she)計(ji)超(chao)聲(sheng)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)板(ban)時(shi)，通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)高(gao)電(dian)流(liu)電(dian)源(yuan)部(bu)分(fen)和(he)高(gao)度(du)敏(min)感(gan)的(de)信(xin)號(hao)鏈(lian)部(bu)分(fen)之(zhi)間(jian)的(de)權(quan)衡(heng)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)很(hen)容(rong)易(yi)耦(ou)合(he)到(dao)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)走(zou)線(xian)中(zhong)
，並(bing)且(qie)很(hen)難(nan)通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)去(qu)除(chu)。開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)通(tong)常(chang)由(you)開(kai)關(guan)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)（圖4）以及上側或下側開關生成的熱回路產生。添加緩衝電路可幫助管理電磁輻射；但同時也會降低效率。即使在高開關頻率下
，Silent Switcher架構也有助於提高EMI性能，並保持高效率。

手持式數字探頭

chuleyinxishouchaoshengeryinqidefare，huannengqibenshendewenduduihuannengqifujinzuzhidewenduyingxianghenda。tongguoxianghuannengqishijiadianxinhao，keshengchengchaoshengmaichong。yixiediannengzaiyuanjian、鏡(jing)頭(tou)和(he)基(ji)底(di)材(cai)料(liao)中(zhong)耗(hao)散(san)
，導(dao)致(zhi)換(huan)能(neng)器(qi)發(fa)熱(re)。此(ci)外(wai)，對(dui)換(huan)能(neng)器(qi)頭(tou)中(zhong)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)電(dian)子(zi)處(chu)理(li)也(ye)可(ke)能(neng)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)熱(re)。從(cong)換(huan)能(neng)器(qi)表(biao)麵(mian)排(pai)出(chu)熱(re)量(liang)會(hui)使(shi)表(biao)麵(mian)組(zu)織(zhi)的(de)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)幾(ji)攝(she)氏(shi)度(du)。IEC標準60601-2-37（2007版）中指定了最大容許換能器表麵溫度(TSURF)。1當換能器信號發射到空氣中時，最大容許換能器表麵溫度為50°C；當發射到合適的假體時，該溫度為43°C。後一項限製意味著
，皮膚溫度（通常為33°C）最高可升高10°C。在複雜的換能器中
，換能器發熱是重要的設計考量
，在一些情況下，這些溫度限製可能會有效約束能夠達到的聲輸出。

當換能器在空氣中運行時，安全標準IEC 60601-2-37（2007版）1將換能器表麵的溫度限製到50°C以下，當換能器在33°C（對於外部應用的換能器）或37°C（對於內部換能器）與假體接觸時，該標準將其表麵溫度限製到43°C以下。通常這些溫度限製（而不是對波束中最大強度的限製）約束了換能器的聲輸出。Silent Switcher設備將功率（具有最高3 MHz的寬開關帶寬）轉zhuan換huan到dao數shu字zi探tan頭tou的de不bu同tong電dian壓ya域yu的de效xiao率lv最zui高gao。這zhe意yi味wei著zhe，功gong率lv轉zhuan換huan期qi間jian的de功gong率lv損sun耗hao很hen低di。這zhe對dui冷leng卻que係xi統tong大da有you幫bang助zhu
，因yin為wei沒mei有you太tai多duo額e外wai功gong率lv以yi熱re量liang形xing式shi損sun耗hao。

Silent Switcher模式大有幫助

Silent Switcher模塊技術是進行超聲電源軌設計的明智選擇。引入該模式是為了幫助改善EMI和開關頻率噪聲。傳統上，我們應該關注每個開關穩壓器的熱回路上的電路和布局設計。對於降壓電路，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、路由、邊界(bounding)等引起的寄生電感。

Silent Switcher模塊主要提供兩種設計方法：

第一，如圖4和圖5所示
，通過創建對立的熱回路
，由於雙向輻射，大多數EMI將減少。通過該方法
，將優化近20 dB。

圖4.拆分熱回路的原理圖。

圖5.比較靜音開關和非靜音開關EMI性能。

第二，如圖6所示，Silent Switcher模塊不是直接在芯片周圍焊接，而是采用銅柱倒裝芯片封裝
，有助於減少寄生電感，優化尖峰和死區時間。

圖6.與傳統綁定技術(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技術提供高功率密度設計，並且能夠在小封裝中實現大電流能力

，從而保持低θ JA

，實現高效率（例如， LTM4638 能夠在6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm封裝中實現15 A）。

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Silent Switcher產品

此外，許多Silent Switcher模塊也具有固定頻率、寬頻率範圍和峰值電流架構，從而實現低抖動和快速瞬態響應。該產品係列中的熱門產品參見表2。

結論

ADI的Silent Switcher電源模塊和LDOchanpinweichaoshengdianyuanguishejitigonglewanzhengdejiejuefangan，jinkenengjianshaolexitongzaoshengdianpinghekaiguanzaosheng。zheyouzhuyugaishantuxiangzhiliang，erqieyouzhuyuxianzhiwendushenggao，bingjianhuaPCB布局設計複雜性。

參考電路

¹ IEC標準60601-2-37。2007。

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