【解決方案】低雜訊Silent Switcher模組與LDO穩壓器助改善超音波雜訊和圖像品質

摘要

本文將簡單介紹超音波成像系統，並詳細分析超音波電源管理設計中的一些挑戰和解決方案。文中討論四個主要的設計考慮因素：系統雜訊電平、開關雜訊、電磁干擾（EMI）以及與電源相關的超音波散熱。本文還將解釋Silent Switcher ® μModule® 模組和低雜訊LDO技術如何幫助解決最常見的問題，並改善系統雜訊和圖像品質。

簡介

在GE奇異公司在2000年推出第一台數位超音波後，促使超音波市場迅速發展。該技術已經從靜態轉向動態，從黑白轉向彩色多普勒。越來越多的超音波應用，對元件的要求也提高，例如與探頭、AFE 和電源系統相關的元件。

在醫療診斷領域，越來越多應用需要超音波成像系統提供更高的圖像品質。提高圖像品質的關鍵技術之一，是提高系統的信噪比（SNR）。下面將討論影響雜訊的不同因素，尤其是電源。

超音波的工作原理

超音波系統由換能器、發射電路、接收電路、後端數位處理電路、控制電路、顯示模組等組成。數位處理模組通常包括現場可編程門陣列（FPGA），根據系統的配置和控制參數生成發射波束成形器和相應的波形圖案。然後，發射電路的驅動器和高壓電路產生高壓信號來激勵超音波換能器。超音波換能器通常由PZT陶瓷製成。它將電壓信號轉換為超音波進入人體，同時接收人體組織產生的回波。回波被轉換為小電壓信號，並傳遞到發射/接收（T/R）開關。T/R開關的主要目的是防止高壓發射訊號損壞低壓接收類比前端。經過訊號調理、放大和濾波後，類比電壓訊號被傳遞到AFE的集成ADC，然後轉換為數位數據。數位數據通過JESD204B或LVDS介面傳輸到FPGA進行接收波束成形，然後傳輸到後端數位部分進行進一步處理以創建超音波圖像。

電源如何影響超音波系統

從上述超音波架構來看，系統雜訊會受到許多因素的影響，例如發射訊號鏈、接收訊號鏈、TGC增益控制、時鐘和電源。在本文中，我們將討論電源如何影響雜訊。

超音波系統中有不同種類的圖像模式，每種圖像模式對動態範圍都有不同的要求。這也意味著SNR或雜訊要求取決於不同的圖像模式。黑白模式需要 70 dB 動態範圍，脈衝波都卜勒 （PWD） 模式需要 130 dB，連續波多都卜勒（CWD） 模式需要 160 dB。本底雜訊在黑白模式相當重要，它會影響在遠場中可以看到的最小超音波回波的最大深度（也就是穿透性），這是黑白模式的關鍵特徵之一。1/f雜訊對於PWD和CWD模式尤為重要。PWD和CWD圖像都包括1 kHz以下的低頻譜，相位雜訊會影響高於1 kHz的都卜勒頻譜。由於超音波換能器頻率通常在1 MHz至15 MHz之間，因此在該範圍內任何開關頻率雜訊都會對其產生影響。如果PWD和CWD頻譜（從100 Hz到200 kHz）中存在互調頻率，則都卜勒圖像中會出現明顯的雜訊頻譜，這在超音波系統中是不可接受的。

另一方面，良好的電源可以透過考慮相同的因素來改善超音波圖像。設計人員在為超音波應用設計電源時，應瞭解幾個因素。

如前所述，有必要避免將意外的諧波頻率引入採樣頻段（200 Hz至100 kHz）。在電源系統中很容易發現這種雜訊。

大多數開關穩壓器使用電阻器來設置開關頻率。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切換開關。外部時脈將通過SYNC引腳向所有穩壓器發送信號，以使所有穩壓器以切換到相同頻率和相同相位下運作。

此外，出於EMI考慮或更高的瞬態回應，一些穩壓器具有20%的可變開關頻率，這將導致400 kHz電源中產生0 kHz至80 kHz諧波頻率。恆定頻率的開關穩壓器有助於解決此問題。ADI公司的Silent Switcher穩壓器和μModule穩壓器系列具有恆定頻率開關功能，同時在不開啟擴頻的情況下，仍可保持出色的EMI性能，及出色的瞬態回應。

超音波系統中也有許多白噪音源，這會導致超音波成像中的背景雜訊。這種雜訊主要來自訊號鏈、時鐘和電源。

在模擬處理元件的模擬電源引腳上增加LDO穩壓器現在很常見。ADI公司的次世代LDO穩壓器具有約1 μV rms超低雜訊，覆蓋200 mA至3 A電流。電路和規格如圖2和圖3所示。

圖2. 次世代低雜訊LDO穩壓器

圖3. 次世代LT3045的低雜訊頻譜密度

 

在超音波系統中設計數據採集板時，通常需要考慮到高功率電源部件和高度敏感訊號鏈部件之間的權衡。開關電源產生的雜訊很容易耦合到訊號路徑走線中，而且很難透過數據處理消除。開關雜訊通常由開關輸入電容（圖4）和上側或下側開關產生的熱迴路產生。添加緩衝電路可以幫助管理電磁輻射；但是，它同時也會降低效率。即使在高開關頻率下，Silent Switcher電源架構有助於提升EMI性能，並保持高效率。

除了因吸收超音波而產生熱能以外，換能器本身的溫度對換能器附近組織的溫度影響很大。透過向換能器施加電訊號，可生成超聲波脈衝。一些電能在元件、鏡頭和基底材料中耗散，導致換能器發熱。在換能器頭中對接收到的信號進行電子處理也可能導致電加熱。來自換能器面的熱量傳導會導致淺表組織中的溫升幾攝氏度。IEC標準60601-2-37（2007版）中規定了最大容許的探頭表面溫度（TSURF，IEC 60601-2-37 Rev 2007）.當換能器傳輸到空氣中時為50°C，當傳輸到合適的模型時為43°C。後一個限制意味著皮膚溫度（通常在33°C）可以升高10°C。 換能器加熱是複雜換能器的一個重要設計考慮因素，在某些情況下，這些溫度限制可能會有效地約束可以達到的聲學輸出。

當換能器在空氣中運作時，安全標準（IEC 60601-2-37 Rev 2007）將換能器表面的溫度限制到50°C以下，在33°C（對於外部應用的換能器）或37°C（對於內部換能器）下與假體接觸時，溫度限制在43°C以下。通常正是這些溫度限制（而不是對光束中最大強度的限制）限制了換能器的聲學輸出。Silent Switcher設備將功率（開關頻寬高達3 MHz）轉換為數位探頭的不同電壓域效率最高。這意味著，功率轉換期間的功率損耗很低。這有助於冷卻系統，因為沒有太多額外的熱量損耗。

Silent Switcher模式大有幫助

Silent Switcher μModule穩壓器技術是超音波電源軌設計的明智選擇。引入它是為了幫助改善EMI和開關頻率雜訊。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。對於降壓轉換器，如圖4所示，熱迴路包含一個輸入電容、一個頂部MOSFET、一個底部MOSFET和由布線、路由、邊界等引起的寄生電感。

Silent Switcher 模組提供兩種主要設計方法：
首先，如圖4和圖5所示，透過創建一個反向的熱迴路，大部分EMI將因雙向輻射而被抵銷。這種方法將優化輻射近 20 dB。

圖4. 拆分熱迴路的原理圖

圖5. 比較Silent Switcher與無Silent Switcher的EMI性能

第二，如圖6所示，Silent Switcher模組不是直接在晶圓周圍綁定接線，而是採用銅柱倒裝晶元封裝，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）相比較的銅柱倒裝晶元封裝及其性能（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電源模組封裝內視圖。

表1. Silent Switcher 產品概覽

表2. 採用Silent Switcher技術的熱門超低雜訊電源解決方案

此外，許多Silent Switcher μModule穩壓器也具有固定頻率、寬頻率範圍和峰值電流架構，從而實現低抖動和快速瞬態回應。 該產品系列中的熱門產品參見表2。

結論

ADI的Silent Switcher電源μModule穩壓器模組和LDO產品為超音波電源軌設計提供了完整的解決方案，盡可能減少了系統雜訊電平和開關雜訊。 這有助於改善圖像品質，而且有助於限制溫度升高，並簡化PCB布局設計複雜性。

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