正确的电源稳压器能最大限度地减少直流电轨噪声并提高超声图像的质量
作者：Bill Schweber
噪声是医疗和其他超声系统性能的限制因素。当然，“噪声”这个简单的术语代表了许多不同的噪声，其中一些是在医疗和病人情形下的固有噪声，而另一些则是指电子噪声。由病人导致的主要噪声称为“斑点噪声”，很大程度上是由于病人的组织和器官的非均匀性（非均质性）造成的。电路设计者对于病人自身引起的噪声几乎无能为力，但对于减少由于电子器件形成或导致的各种噪声源、噪声类型来说，还是大有作为的。
在这些潜在的噪声源中，就包括了 DC/DC 稳压器。为了将噪声降至最低，设计者可以使用效率不断提高的小型静音低压差 (LDO) 稳压器。即使是这种 LDO，也存在能耗浪费，造成发热问题。LDO 的有效替代品是开关稳压器，但开关稳压器因其开关性质而具有高噪声。如果设计者要充分利用这些设备，就需要减少噪声。
最近在电源转换拓扑结构设计方面的创新能够减少这种噪声，使得在噪声和效率之间进行权衡时发生了变化。例如，大功率单片开关稳压器可以有效地为数字 IC 供电，这种稳压器具有低噪声直流电源轨、高效率和最小空间要求。
本文简要讨论超声方面的挑战。然后介绍 Analog Devices 的微型 Silent Switcher IC 系列，并重点以 LT8625S 为例，说明这种创新型开关稳压器如何满足高性能超声成像所需的个位数电压、10 A 以下范围内的多个负载目标要求。此外，还以其他静音开关 IC 为例说明该系列的广泛性。
超声波有独特的信号路径问题
超声波成像的工作原理很简单，但开发高性能成像系统需要相当多的设计专业知识、许多特殊组件，以及对微妙细节的关注（图 1）。
图 1：超声成像系统的高级框图说明了基于简单物理原理实现系统的复杂性。（图片来源：Analog Devices）
成像系统使用压电传感器阵列，通过脉冲产生声学波前。许多新系统有多达 256 个此类传感器元件，而且每个元件都必须独立控制。发射频率从 2 MHz 到 20 MHz 不等。
通过使用可变延迟来调节阵列中传感器的相对时间，可使发射的脉冲形成波束并瞄准特定位置。较高的频率具有良好的空间分辨率，但穿透能力相对较弱，导致图像质量下降。作为最优折中方案，大多数系统的频率是 5 MHz。
脉冲一经发射，系统就会切换到接收模式并捕捉声波脉冲的回声，只要声波能量遇到阻抗屏障，如不同组织或器官之间的边界，就会产生回声。回波的返回时间相对于其发送时间的延迟提供了成像信息。
由于超声信号在两次通过组织时不可避免地发生衰减，一次是前向路径，一次是返回的回波，因此接收到的信号水平跨越了一个较宽的动态范围。这种信号水平可以从高达 1 伏，到低至数微伏，也就是大约 120 dB 的范围。
请注意，对于 10 MHz 的超声信号和 5 cm 的穿透深度，往返信号会衰减 100dB。因此，要在任何位置处理约 60 dB 的瞬时动态范围，所需的动态范围将是 160 dB（电压动态范围为 1 亿比 1）。
增大发射传感器的功率似乎是处理宽动态范围、低电平信号和信噪比 (SNR) 不足的最简单的解决方案。然而，除了明显的功率要求外，对于接触病人皮肤的超声探头的温度也有严格限制。按照 IEC 标准 60601-2-37（2007 年修订版）的规定，当传感器向空气中传输时，传感器表面的最高允许温度为 50°C；向合适的人体模型传输时，最高允许温度为 43°C。
后一个限制值意味着皮肤（通常为 33℃）最多可以被加热 10℃。因此，不仅必须限制声功率，而且还必须最大限度地减少相关电子设备（包括 DC/DC 稳压器）的热耗散。
为了保持相对稳定的信号水平并最大限度地提高 SNR，使用了一种特殊的自动增益控制 (AGC) 方式，称为时间增益补偿 (TGC)。TGC 放大器通过使用指数因子放大信号来补偿指数信号衰减，该系数是由接收器等待返回脉冲的时间决定的。
请注意，如图 2 所示，超声成像模式有多种：
· 灰度 产生一个基本的黑白图像。这种图像可以解决小至 1 mm 的伪影。
· 多普勒模式 通过跟踪返回信号的频率偏移并以假彩色显示来检测运动物体的速度。这种模式用于检查血液或其他在体内流动的液体。多普勒模式需要向人体发射连续波，并产生返回信号的快速傅里叶变换 (FFT)。
图 2：颅外颈动脉在颈动脉分叉处的灰度 (A) 和彩色多普勒 (B) 的外观。请注意，ECA 的分支（星号，每张图像的左下方）在彩色多普勒成像中最容易看到。（CCA：颈总动脉；ICA：颈内动脉；ECA：颈外动脉）。（图片来源：Radiologic Clinics of North America）
· 静脉和动脉模式 使用多普勒与灰度模式相结合。这两种模式用来详细显示动脉和静脉血流。
简化框图遗漏了一些关键部件，而更详细的图则能显示更多的功能（图 3）。
图 3：框图越详细使得现代超声系统看起来约复杂，并能显示出设计中嵌入的许多数字功能。（图片来源：Analog Devices）
首先是电源功能。无论系统是通过交流线路还是电池供电，都需要通过多个 DC/DC 稳压器来开发各种电源轨电压。这些电压范围从某些功能的几伏，到更高的压电传感器电压。
此外，由于现代超声系统除了发射和接收路径的模拟前端外，其余部分基本上都是数字的；现代超声系统包括用于实现数字控制波束形成和其他功能所需的 FPGA。这些 FPGA 需要相对较大的电流，其范围高达 10 A。
噪声限制了性能
与大多数数据采集系统一样，噪声也是限制医用超声系统性能的因素之一。除了病人引起的斑点噪声外，还有各种不同的的电子电路噪声、元器件噪声：
· 高斯噪声是统计学上的随机“白”噪声或者是有源和无源元器件产生的电子电路噪声。其中，白噪声主要由于热波动造成。
· 散粒（泊松）噪声是由于电荷的离散性造成的。
· 脉冲噪声有时称为椒盐噪声，有时会在数字图像上看到。椒盐噪声可由图像信号中突然出现的尖锐干扰引起，被看做是稀疏出现的黑白像素，因此有了这个俗称。
这些噪声源影响图像的分辨率和质量。通过选择诸如低噪声放大器和电阻器等适当的电子元器件以及适当的模拟和数字滤波器，可以最大限度地降低这些噪声。此外，通过复杂的图像和信号处理算法可以在后期处理时最大限度地减小一些噪声。
稳压器噪声：一个关键因素
还有一个与噪声有关的问题必须解决：来自降压 DC/DC 稳压器的开关噪声。这种稳压器主要向如 FPGA 和 ASIC 等数字 IC 供电。问题是，这些噪声还通过电磁 (EM) 辐射，以及通过电源轨和其他导体的传导，影响敏感的模拟信号处理电路。
设计人员尝试通过铁氧体磁珠、精心的布局和电源轨滤波来尽可能减少这种噪声，但这样做的代价是增加元器件数量和印刷电路板的面积，而且往往只能获得部分成功。
传统上，对于尽可能地减少 DC/DC 稳压器噪声设计者来说，可以选择 LDO。这种器件提供低噪声输出，但效率相对较差，约为 50%。另一种方法是，使用效率约为 90% 或更高的开关稳压器。但由于开关时钟的原因，会输出毫伏级脉冲噪声。
与大多数工程决策不同的是，DC/DC 稳压器的情况需要二选一：要么低效率、低噪声，要么高效率、高噪声。这种矛盾无法调和，例如接受 LDO 中 20% 的高噪声以适当地提高其效率。
LDO 的固有低噪声可能会受到另一个因素的影响。由于相对较大的体积适用于较高的电流水平——主要是出于散热考虑，这种器件通常必须安装在离其负载较远的位置。这使得 LDO 输出轨有可能接收来自系统中数字器件的辐射噪声，从而破坏了敏感模拟电路的洁净电源轨。
由于热管理问题，LDO 的安装解决方案是只使用一个稳压器，位于 PC 板的侧面或拐角处。这样做有助于管理 LDO 的耗散问题，并可能简化 DC/DC 的系统级架构。然而，这种听起来简单的解决方案却存在很多问题：
· 由于距离和高电流水平、稳压器和负载之间不可避免的存在 IR下降（ΔV 下降 = 负载电流 (I) × 印制线电阻 (R) ），意味着负载电压不是 LDO 的标称输出，甚至每个负载的电压都有所不同。可通过增加 PC 板的印制线宽度或厚度，或使用直立母线来最大限度地减小这种压降，但代价是占用宝贵的电路板空间并增大材料清单 (BOM)。
· 可以使用遥测方法来检测负载电压，但这种方法只对单点、非分散负载有良好的效果。此外，遥测引线可能会导致直流电路振荡，因为较长的电源轨和检测导线的电感会影响稳压器的瞬态性能。
· 最后，也是通常难以解决的问题，较长的电源轨也会受到更多的电磁干扰 (EMI) 或射频干扰 (RFI) 噪声拾取的影响。
要消除 EMI/RFI 问题，通常从增加旁路电容、直列式铁氧体磁珠和其他措施开始。不过，这往往是个很顽固的问题。而且，这种噪声会加大满足各种噪声排放法规要求时带来的挑战（具体取决于噪声幅度和频率）。
Silent Switcher 稳压器解决了这一权衡难题
另一种通常更好的解决办法是，在尽可能靠近负载 IC 的位置使用一个 DC/DC 稳压器。这样可以最大限度减小 IR 压降、PC 板基底面以及电源轨噪声拾取和辐射。不过，为使这种方法可行，就必须采用可以放置于负载旁，但仍能满足所有电流要求的小巧、高效的低噪声稳压器。
这就是为什么 Analog Devices 的许多 Silent Switcher 稳压器能够解决问题。这种稳压器不仅能在数个安培到 10 A 的电流水平下提供个位数的电压输出，而且噪声极低。这是通过多种设计创新完成的创举。
采用这种稳压器不是一种“折中”方法 ，也不是在 LDO 低噪声属性和开关稳压器效率之间进行取舍。相反，这种稳压器的创新设计使工程师们能够以非常低和接近 LDO 的噪声水平拥有开关器件的全部效率优势。实际上，设计人员能够在低噪声与高效率这两种属性之间做到鱼与熊掌兼得。
这种稳压器改变了人们对 LDO 与开关稳压器之间差距的传统认知。这种稳压器可用于Silent Switcher 1（第一代）、Silent Switcher 2（第二代）和 Silent Switcher 3（第三代）器件。这些器件的设计者确定了各种噪声源，并设计了削弱每个噪声源的方法，并对随后的每一代都进行了进一步改进（图 4）。
图 4：Silent Switcher DC/DC 稳压器已发展到第三代，每一代产品都以前代产品为基础，进一步扩展了前一代的性能。（图片来源：Analog Devices）
Silent Switcher 1 器件的优点包括低 EMI、高效率和高开关频率，后者可将许多残余噪声移出会干扰系统运行或产生监管问题的频谱部分。Silent Switcher 2 则在 Silent Switcher 1 技术的所有特性之外增加了一些优点，如集成式精密电容器、更小的基底面，以及消除了对 PC 板布局的敏感性。最后，Silent Switcher 3 系列在 10 Hz 至 100 kHz 的低频段具有超低噪声特性，这对超声波应用尤其关键。
由于这些开关式器件只有几毫米见方的微小外形，在加上其固有效率，可将其置于离负载 FPGA 或 ASIC 非常近的位置。这将最大限度地提高性能，并消除数据表性能和实际使用情况之间的差异。
图 5 所示为 Silent Switcher 器件的噪声和热属性总结。
图 5：这些稳压器的用户从 Silent Switchers 设计中获得了切实的噪声和散热优势。（图片来源：Analog Devices）
Silent Switcher 矩阵的许多选择
Silent Switcher 稳压器包括许多分组、版本和型号，具有不同的额定电压和电流，以满足系统设计的具体要求。此外，这些稳压器还提供各种微小的封装（图 6）。
图 6：使用 Silent Switcher 技术的许多设备实现了许多电压、电流、噪声和其他属性的排列组合。（图片来源：Analog Devices）
第一代和第二代器件包括但不限于具有 3 A、4 A、6 A 和 10 A 输出的 5 V 装置，如：
· LTC3307：5 V、3 A 同步降压 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装
· LTC3308A：5 V、4 A 同步降压 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装
· LTC3309A：5 V、6 A 同步降压 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装
· LTC3310：采用 3 mm × 3 mm LQFN 封装的 5 V、10 A 同步降压型 Silent Switcher 2
其中每款器件都有多个版本。例如，LTC3310 有四个基础版本，包括一些通过 AEC-Q100 汽车级标准鉴定的版本。请注意，第一代 (SS1) 器件 LTC3310 和 LTC3310-1 以及第二代 (SS2) 器件 LTC3310S 和 LTC3310S-1 均可用作可调作输出或固定输出的输出器件。
请仔细观察第三代器件 LT8625S，它突出了 Silent Switcher 3 的设计特点。这款 2.7 V - 18 V 输入、8 A 输出的器件实现了出色的低噪声性能（图 7）。
图 7：LT8625S 只需要一些标准的外部器件（所示为与其相同的 4 A 版本 LTC8624S）。（图片来源：Analog Devices）
LT8625S 的特性如下：
· 采用了高增益误差放大器，因此具有超快的瞬态响应
· 快速的最小开关时间，只有 15 ns
· 具有 ±0.8% 温度漂移的精密基准
· 多相工作，支持多达 12 相，可实现更高的总电流输出
· 可调节、可同步：300 kHz 至 4 MHz
· 可编程电源良好指示器
· 采用 20 引线 4 mm × 3 mm （LT8625SP）或 24 引线 4 mm × 4 mm LQFN（LT8625SP-1）封装
具有特别适合超声应用的噪声性能规格（图 8）：
· 超低均方根 (RMS) 噪声 （10 Hz 至 100 kHz）：4 μVRMS
· 超低斑点噪声：10 kHz 时，4 nV/√Hz
· 在任何 PC 板上都具有超低 EMI 排放
· 内部旁路电容器可减少辐射式 EMI
图 8：本图说明了 LT8625S 的低频（左）和宽带（右）噪声谱密度都很小。（图片来源：Analog Devices）
这种低噪声性能是在整个负载范围内，在高效率、低功率损耗下实现的（图 9）。
图 9：LT8625S 的高工作效率、低热影响让系统设计无后顾之忧。（图片来源：Analog Devices）
随着配套的 DC3219A 演示电路/评估板（图 10）的推出，加快了 20 引线 LT8625S 的设计导入。该板的默认设置为 1.0 V，最大直流输出为 8 A。用户可以根据需要改变电压设置。
图 10：为便于探索和加块设计导入，DC3291A 评估板支持 LT8625S。（图片来源：Analog Devices）
结束语
超声波成像系统是一种不可或缺的无风险医疗诊断工具。为了达到规定的图像清晰度、分辨率和其他性能指标，关键是要认识到所接收到的信号可能处于极低水平且具有很宽的动态范围。这就要求工程师选择低噪声器件，采用谨慎的设计技术，并确保直流电源轨的噪声尽可能低。
Analog Devices 的 Silent Switcher 系列具有开关式 DC/DC 稳压器固有的高效率，以及媲美效率低得多的 LDO 的噪声水平。此外，这类器件尺寸很小，只有几毫米见方，这使其可以靠近所支持的负载放置，从而最大限度地降低接收辐射电路噪声的可能性。
