自2000年(GE)首次推出數(shù)字超聲技術(shù)以來,超聲市場發(fā)展迅速。超聲技術(shù)已從基于靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài),并從黑白轉(zhuǎn)向彩色多普勒。隨著超聲應(yīng)用越來越多,對組件的要求也不斷提高,例如與探頭、AFE和電源系統(tǒng)相關(guān)的要求。
在醫(yī)療診斷領(lǐng)域,越來越多的應(yīng)用需要超聲成像系統(tǒng)輸出更高的圖像質(zhì)量。提高圖像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一是提高系統(tǒng)的信噪比(SNR)。本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么?
超聲系統(tǒng)由換能器、發(fā)射電路、接收電路、后端數(shù)字處理電路、控制電路和顯示模塊等組成。數(shù)字處理模塊通常包含現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),F(xiàn)PGA根據(jù)系統(tǒng)的配置和控制參數(shù),生成發(fā)射波束合成及相應(yīng)的波形模式。發(fā)射電路中的驅(qū)動和高壓電路生成高壓信號來激勵超聲換能器。超聲換能器通常采用PZT陶瓷制成。換能器將電壓信號轉(zhuǎn)換為超聲波進入人體,同時接收人體組織產(chǎn)生的回波?;夭ㄞD(zhuǎn)換成微小電壓信號,并傳輸至發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)。T/R開關(guān)的主要目的是防止高壓發(fā)射信號損壞低壓接收模擬前端。模擬電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理、放大和濾波后,傳輸至集成ADC的模擬前端,然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)。數(shù)字數(shù)據(jù)通過JESD204B或LVDS接口發(fā)送到FPGA進行接收波束合成,再到后端數(shù)字部分進一步處理,從而生成超聲圖像。
圖1.超聲系統(tǒng)方框圖
電源如何影響超聲系統(tǒng)?
從上述超聲架構(gòu)來看,系統(tǒng)噪聲會受到許多因素的影響,如發(fā)射信號鏈、接收信號鏈、TGC增益控制、時鐘和電源。而在本文將討論電源如何影響噪聲。
超聲系統(tǒng)提供不同類型的成像模式,每種成像模式對動態(tài)范圍有不同的要求。這也意味著,SNR或噪聲要求取決于不同的成像模式。黑白模式需要70dB動態(tài)范圍,脈沖波多普勒(PWD)模式需要130dB,連續(xù)波多普勒(CWD)模式需要160dB。對于黑白模式,本底噪聲非常重要,它會影響在遠場能夠看到的最小超聲回波的最大深度,也就是穿透,這是黑白模式的關(guān)鍵指標(biāo)之一。對于PWD和CWD模式,1/f噪聲尤為重要。PWD和CWD圖像均包括1kHz以下的低頻信號,相位噪聲會影響1kHz以上的多普勒頻譜。由于超聲換能器頻率通常為1MHz至15MHz,因此該范圍內(nèi)的任何開關(guān)頻率噪聲都會對其造成影響。在PWD和CWD模式中,如果在其頻譜(從100Hz至200kHz)中存在交調(diào)頻率,多普勒圖像中將會出現(xiàn)明顯的噪聲頻譜,這在超聲系統(tǒng)中是不可接受的。
另一方面,通過考慮和上面相同的這些因素,良好的電源可改善超聲圖像。設(shè)計人員為超聲應(yīng)用設(shè)計電源時,需要考慮多個方面的因素。
開關(guān)頻率
如前所述,必須避免在采樣頻帶(200Hz至100kHz)內(nèi)引入不需要的諧波噪聲。在電源系統(tǒng)中,很容易找到此類噪聲。
大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器使用電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。該電阻的誤差會在PCB上引入包含主頻及諧波頻率的不同頻率噪聲。例如,在400kHz DC/DC穩(wěn)壓器中,1%精度電阻提供±1%誤差和4kHz諧波頻率。更好的解決方案是選擇具有同步功能的開關(guān)電源。外部時鐘將通過SYNC引腳向所有穩(wěn)壓器發(fā)送信號,使所有穩(wěn)壓器切換到相同頻率和相同相位下工作。
此外,出于EMI考量或更高的瞬態(tài)響應(yīng),一些穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率會在主頻20%內(nèi)變化,這會導(dǎo)致400kHz電源中產(chǎn)生0kHz至80kHz諧波頻率。恒頻開關(guān)穩(wěn)壓器有助于解決這一問題。ADI的Silent Switcher電源穩(wěn)壓器和電源模塊系列具有恒定頻率開關(guān)功能,同時能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(tài)響應(yīng)。
白噪聲
超聲系統(tǒng)中也有許多白噪聲源,這會導(dǎo)致超聲成像中出現(xiàn)背景噪聲。該噪聲主要來自信號鏈、時鐘和電源。
目前,使用LDO作為模擬器件的模擬供電引腳輸入是最常見的做法。ADI的下一代LDO穩(wěn)壓器具有大約1μV rms的超低噪聲,可以提供200mA至3A的電流。電路和規(guī)格參數(shù)如圖2和圖3所示。
圖2.下一代低噪聲LDO穩(wěn)壓器
圖3.下一代LT3045的低噪聲譜密度
PCB布局
在設(shè)計超聲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集板時,通常需要考慮電源部分的大電流和信號鏈部分的噪聲敏感之間的權(quán)衡。開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲很容易耦合到信號路徑走線中,并且很難通過數(shù)據(jù)處理去除。開關(guān)噪聲通常由開關(guān)輸入電容(圖4)以及上管和下管組成的熱回路產(chǎn)生。添加緩沖電路可幫助管理電磁輻射;但同時也會降低效率。在這種情況下,Silent Switcher 架構(gòu)可以幫助在高開關(guān)頻率下,優(yōu)化EMI性能,并且保持高效率。
手持式數(shù)字探頭
除了因吸收超聲能量而引起的發(fā)熱,換能器本身的溫度對換能器附近人體組織的溫度影響很大。通過向換能器施加電信號,可生成超聲脈沖。有些電量在換能器基元、鏡頭和襯底材料中轉(zhuǎn)換成熱能,導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)熱。此外,對換能器探頭中收到的信號進行電子處理也可能會產(chǎn)生電熱。從換能器表面排出熱量會使表面組織的溫度升高幾攝氏度。IEC標(biāo)準(zhǔn)60601-2-37(2007版)中指定了最大容許換能器表面溫度(TSURF)。當(dāng)換能器對著空氣發(fā)射超聲波時,換能器表面容許的最大溫度為50°C;當(dāng)發(fā)射到合適的體模時,該溫度為43°C。后一項限制意味著,皮膚溫度(通常為33°C)最高可升高10°C。換能器發(fā)熱是復(fù)雜的超聲探頭設(shè)中重要的設(shè)計考量,在一些情況下,這些溫度限制可能會明顯地限制輸出的聲功率強度。
當(dāng)換能器向空氣發(fā)射超聲時,安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-2-37(2007版)將換能器表面的溫度限制到50°C以下,當(dāng)換能器在33°C(對于外部應(yīng)用的換能器)或37°C(對于內(nèi)部換能器)與體模接觸時,該標(biāo)準(zhǔn)將其表面溫度限制到43°C以下。通常這些溫度限制(而不是對波束中最大強度的限制)約束了換能器的聲功率輸出。Silent Switcher產(chǎn)品將電源以最高效率(和寬范圍開關(guān)頻率)轉(zhuǎn)換為不同電壓給數(shù)字探頭供電。這意味著,功率轉(zhuǎn)換期間的功率損耗很低。這對冷卻系統(tǒng)大有幫助,因為沒有太多額外功率以熱量形式損耗。
Silent Switcher模式優(yōu)勢顯著
Silent Switcher模塊技術(shù)是進行超聲電源軌設(shè)計時的明智選擇。引入該模塊技術(shù)是為了幫助改善EMI和開關(guān)頻率噪聲。傳統(tǒng)上,應(yīng)該關(guān)注每個開關(guān)穩(wěn)壓器在熱回路上的電路和布局設(shè)計。對于降壓電路,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。
圖4.拆分熱回路的原理圖
Silent Switcher模塊主要提供兩種設(shè)計方法:
第一,如圖4和圖5所示,通過創(chuàng)建反向的熱回路,由于雙向輻射,大多數(shù)EMI將被抵消。通過該方法,將優(yōu)化輻射近20dB。
圖5.比較Silent Switcher和非Silent Switcher EMI性能
第二,如圖6所示,Silent Switcher模塊不是直接晶圓周圍綁定接線,而是采用銅柱倒裝芯片封裝,有助于減少寄生電感,優(yōu)化尖峰和死區(qū)時間。
圖6.與傳統(tǒng)綁定技術(shù)(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(shù)提供高功率密度設(shè)計,并且能夠在小封裝中實現(xiàn)大電流能力,從而保持低θJA,實現(xiàn)高效率(例如,LTM4638能夠在6.25mm × 6.25mm × 5.02mm封裝中實現(xiàn)15A)。
圖7.Silent Switcher電源模塊封裝內(nèi)視圖
表1.Silent Switcher模塊概覽
表2.熱門Silent Switcher產(chǎn)品
此外,許多Silent Switcher模塊也具有固定頻率、寬頻率范圍和峰值電流架構(gòu),從而實現(xiàn)低抖動和快速瞬態(tài)響應(yīng)。該產(chǎn)品系列中的熱門產(chǎn)品參見表2。
結(jié)論
ADI的Silent Switcher電源模塊和LDO產(chǎn)品為超聲電源軌設(shè)計提供了完整的解決方案,盡可能減少了系統(tǒng)噪聲水平和開關(guān)噪聲,不僅有助于改善圖像質(zhì)量,限制溫度升高,還簡化了PCB布局設(shè)計的復(fù)雜性。