低噪声Silent Switcher模块和LDO稳压器有助于改善超声噪声和图像质量

本文将简要介绍超声成像系统进行，并详细分析超声电源管理设计方面的一些挑战和解决方案。文中主要讨论了4个设计考虑因素：系统噪声电平、开关噪声、电磁干扰(EMI)，以及与其电源相关的超声散热。本文还将说明Silent Switcher® μModule®模块和低噪声LDO技术如何帮助解决常见的问题并改善系统噪声，提高图像质量。

简介

自2000年(GE)首次推出数字超声技术以来，超声市场发展迅速。超声技术已从基于静态转向动态，并从黑白转向彩色多普勒。随着超声应用越来越多，对组件的要求也不断提高，例如与探头、AFE和电源系统相关的要求。

在医疗诊断领域，越来越多的应用需要超声成像系统输出更高的图像质量。提高图像质量的关键技术之一是提高系统的信噪比(SNR)。下文将讨论影响噪声的不同因素，特别是电源。

超声的工作原理是什么？

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等组成。数字处理模块通常包含现场可编程门阵列(FPGA)，FPGA根据系统的配置和控制参数生成发射波束成形器及相应的波形图案。然后，发射电路中的驱动和高压电路生成高压信号来激励超声换能器。超声换能器通常采用PZT陶瓷制成。换能器将电压信号转换为超声波进入人体，同时接收人体组织产生的回波。回波转换成小电压信号，并传输至发射/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。模拟电压信号经过信号调理、放大和滤波后，传输至AFE的集成ADC，然后转换成数字数据。数字数据通过JESD204B或LVDS接口发射到FPGA进行接收波束成形，然后发射到后端数字部分进一步处理，从而创建超声图像。

图1.超声系统方框图。

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，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。

超声系统提供不同类型的成像模式，每种成像模式对动态范围有不同的要求。这也意味着，SNR或噪声要求取决于不同的成像模式。黑白模式需要70 dB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。对于黑白模式，本底噪声非常重要，它会影响在远场能够看到的最小超声回波的最大深度，也就是穿透性，这是黑白模式的关键特性之一。对于PWD和CWD模式，1/f噪声尤为重要。PWD和CWD图像均包括1 kHz以下的低频谱，相位噪声会影响1 kHz以上的多普勒频谱。由于超声换能器频率通常为1 MHz至15 MHz，因此该范围内的任何开关频率噪声都会对其造成影响。如果PWD和CWD频谱（从100 Hz至200 kHz）中存在互调频率，多普勒图像中将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，通过考虑相同的因素，良好的电源可改善超声图像。设计人员为超声应用设计电源时，应了解多个因素。

开关频率

如前所述，必须避免将意外的谐波频率引入采样频带（200 Hz至100 kHz）。在电源系统中，很容易找到此类噪声。

大多数开关稳压器使用电阻来设置开关频率。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，在400 kHz DC/DC稳压器中，1%精度电阻提供±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转换开关。外部时钟将通过SYNC引脚向所有稳压器发送信号，使所有稳压器切换到相同频率和相同相位下工作。

此外，出于EMI考量或更高的瞬态响应，一些稳压器具有20%的可变开关频率，这会导致400 kHz电源中产生0 kHz至80 kHz谐波频率。恒频开关稳压器有助于解决这一问题。ADI的Silent Switcher稳压器和μModule稳压器系列具有恒定频率开关功能，同时在不开启扩频的情况下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬态响应。

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出现背景噪声。该噪声主要来自信号链、时钟和电源。

现在，在模拟处理组件的模拟电源引脚添加LDO稳压器是常见的做法。ADI的下一代LDO稳压器具有大约1 μV rms的超低噪声，涵盖200 mA至3 A的电流。电路和规格参数如图2和图3所示。

图3.下一代LT3073的低噪声谱密度。

PCB布局

在设计超声系统中的数据采集板时，通常需要考虑高电流电源部分和高度敏感的信号链部分之间的权衡。开关电源产生的噪声很容易耦合到信号路径走线中，并且很难通过数据处理去除。开关噪声通常由开关输入电容（图4）以及上侧或下侧开关生成的热回路产生。添加缓冲电路可帮助管理电磁辐射；但同时也会降低效率。即使在高开关频率下，Silent Switcher架构也有助于提高EMI性能，并保持高效率。

手持式数字探头

除了因吸收超声而引起的发热，换能器本身的温度对换能器附近组织的温度影响很大。通过向换能器施加电信号，可生成超声脉冲。一些电能在元件、镜头和基底材料中耗散，导致换能器发热。此外，对换能器头中收到的信号进行电子处理也可能会产生电热。从换能器表面排出热量会使表面组织的温度升高几摄氏度。IEC标准60601-2-37（2007版）中指定了最大容许换能器表面温度(TSURF)。1当换能器信号发射到空气中时，最大容许换能器表面温度为50°C；当发射到合适的假体时，该温度为43°C。后一项限制意味着，皮肤温度（通常为33°C）最高可升高10°C。在复杂的换能器中，换能器发热是重要的设计考量，在一些情况下，这些温度限制可能会有效约束能够达到的声输出。

当换能器在空气中运行时，安全标准IEC 60601-2-37（2007版）1将换能器表面的温度限制到50°C以下，当换能器在33°C（对于外部应用的换能器）或37°C（对于内部换能器）与假体接触时，该标准将其表面温度限制到43°C以下。通常这些温度限制（而不是对波束中最大强度的限制）约束了换能器的声输出。Silent Switcher设备将功率（具有最高3 MHz的宽开关带宽）转换到数字探头的不同电压域的效率最高。这意味着，功率转换期间的功率损耗很低。这对冷却系统大有帮助，因为没有太多额外功率以热量形式损耗。

Silent Switcher模式大有帮助

Silent Switcher μModule稳压器技术是进行超声电源轨设计时的明智选择。引入该模块技术是为了帮助改善EMI和开关频率噪声。传统上，我们应该关注每个开关稳压器在热回路上的电路和布局设计。对于降压电路，如图4所示，热回路包含输入电容、顶部MOSFET、底部MOSFET，以及由走线、路由、边界(bounding)等引起的寄生电感。

Silent Switcher模块主要提供两种设计方法：

第一，如图4和图5所示，通过创建反向的热回路，由于双向辐射，大多数EMI将被抵消。通过该方法，将优化辐射近20 dB。

图5.比较静音开关和非静音开关EMI性能。

第二，如图6所示，Silent Switcher模块不是直接在晶圆周围绑定接线，而是采用铜柱倒装芯片封装，有助于减少寄生电感，优化尖峰和死区时间。

图6.与传统绑定技术(LT8610)相比较的铜柱倒装芯片封装及其性能(LT8614)。

此外，如图7所示，Silent Switcher技术提供高功率密度设计，并且能够在小封装中实现大电流能力，从而保持低θ JA，实现高效率（例如， LTM4638能够在6.25 mm × 6.25 mm × 5.02 mm封装中实现15 A）。

图7.Silent Switcher电源模块封装内视图。

	低频噪声	开关噪声谐波	高散热性能
架构	Silent Switcher 3设备中的超低噪声基准	Silent Switcher技术与铜柱封装	封装中的Silent Switcher技术与散热器
特性	在低f噪声方面，性能与LDO稳压器相同	低EMI，低开关噪声 快速开关频率，短死区	高功率密度 更小的热阻
应用中的优势	不再需要后置LDO稳压器，同时保持相同的图像质量	高频率与高效率 更高的频率，更小的滤波器尺寸	对于相同电流电平，最大程度减小降幅

	开关频率	控制模式	开关抖动	功率级架构	EMI	有效值噪声
LTM8053-1	200 kHz 至 3 MHz	固定频率峰值电流	小	Silent Switcher 2模块	超低	0.8 μV rms（带有 LT3045）
LTM8060	200 kHz 至 3 MHz	固定频率峰值电流	小	Silent Switcher 2模块	超低	0.8 μV rms（带有LT3045）
LT8625S	300 kHz 至 4 MHz	固定频率峰值电流	小	Silent Switcher 3变换器	超低	4 μV rms（不带LT3045）

此外，许多Silent Switcher μModule稳压器也具有固定频率、宽频率范围和峰值电流架构，从而实现低抖动和快速瞬态响应。该产品系列中的热门产品参见表2。

结论

ADI的Silent Switcher电源μModule稳压器模块和LDO产品为超声电源轨设计提供了完整的解决方案，尽可能减少了系统噪声电平和开关噪声。这有助于改善图像质量，而且有助于限制温度升高，并简化PCB布局设计复杂性。

审核编辑：郭婷