德州儀器專家分享：醫用超聲成像供電技術

　　醫用超聲成像能夠用于顯現內臟，它無須像內視鏡、X線電子計算機斷層掃描（CT）或X射線成像等一些其他成像系統那樣穿透皮膚或給人體帶來輻射。此外，超聲成像要比非侵入式的核磁共振成像（MRI）的成本更低且更易于移動。超聲技術使用的增長將是未來數年內的重要趨勢。

　　超聲系統（見圖）通常包含若干關鍵基本模塊，后者會增加供電需求。超聲探針包含了多達數百個壓電換能器。這些壓電換能器能夠將輸出的電信號轉換為聲波，或者將輸入的聲波轉換成電信號。

　　為了產生將輸入給換能器的電信號，需要用到發射波束形成裝置。發射波束形成器通常由FPGA或DSP實現的。發射波束形成器產生電脈沖，后者經過定時和調整，照射到人體內的特定部位。

　　圖 超聲系統的重要部件

　　這些來自發射波束形成器的電信號經過高壓脈沖發生器或高壓D/A轉換器（DAC），所產生的能量用于激發換能器元件。在脈沖發生器或DAC之間有一個發送/接收開關。在發送期間，它確保低電壓接收電路免受高壓損壞，這是因為接收回路也需要連接到換能器。

　　壓電換能器元件將這些電信號轉換成能穿透人體的聲波信號。這些聲波信號在各種內臟邊緣會被反射，并返回換能器。

　　這些返回的聲波一經過換能器，就轉化為電信號。這些較低電壓的接收信號需要進行放大、濾波并轉換為數字格式，從而生成圖像。得益于半導體行業的發展，所有這些工作都可以在一個器件內完成：模擬前端（AFE）。

　　數字輸出將加載到接收波束形成器，后者將對數據進行重建。在圖像完成重建之后，便可以對其進行一些視頻后處理并形成一種可輸出給顯示器的格式，以便技術人員查看結果。

　　負載點電源

　　超聲成像系統需要考慮提供多種電源電壓，在設計階段早些了解電源需求可以節省構建電源架構的時間。在確定系統總線電壓時，最好知道所需要的最高電壓。超聲發送脈沖發生器可能需要系統中的最高電壓，它需要數安培的電流來驅動換能器。

　　12V是最受歡迎的一種中級總線電壓選擇。可能需要實施另一套電源來生成更高的正向和負向電壓，以便為脈沖發生器供電。如果超聲具有備用電池特性，可能就需要更高的電壓為鉛酸或串/并聯鋰離子（Li離子）電池充電，那么28～30V的中級總線電壓就是一種很好的選擇。

　　市面上有許多易于使用的DC/DC開關穩壓器能夠接受這種電壓作為輸入，并為顯示器、數字處理器和模擬電路提供負載點（POL）電源。此外，超聲成像系統可能非常容易受噪聲干擾，因為它具有敏感的高精度模擬電路，并需要清晰的顯示圖像。帶有頻率同步功能的Dc/dc開關穩壓器可以由主時鐘頻率驅動，以消除那些可能會干擾模擬和視頻信號的拍頻。

　　處理器電源

　　超聲成像系統結合使用FPGA，DSP和微控制器來實現波束形成發送和接收功能，多普勒處理以及圖形處理。為處理器供電是簡單的。

　　但是，高性能處理器的供電必須考慮一些重要的因素。處理器廠商可能會指定最小和最大的電壓斜升時間，而許多DC/DC穩壓器都提供了可調節軟啟動引腳，以便編程實現電壓斜升時間。如果沒有可用的軟啟動引腳，請選擇帶有合適的預設軟啟動時間的DC/DC穩壓器。

　　處理器數據手冊中可能也提供了推薦的內核、I/O、鎖相環（PLL）和外設上電時序的時間指標。盡管存在幾種不同的方法來為上、下電電壓軌供電，順序時序是最常用的。這種方法很容易實現，只需要將穩壓器的POWERGOOD引腳連接到下一個穩壓器的使能引腳。

　　順序時序也支持在上電過程中將多種電壓軌交錯，以盡量減小涌入電流，而不是同時開啟所有電壓軌。一些低壓降穩壓器（LDO）和開關穩壓器提供了一種特殊的時序或追蹤引腳，可以適應幾乎任意時序模式。

　　較低的處理器內核電壓驅動著對更高精度DC/DC轉換器的需求。新的穩壓器聲稱在全溫度范圍內達到±1%或更高的參考精度。低成本的穩壓器可能會指定±2%或±3%的參考電壓精度。請檢查生產廠商的數據手冊，以確保穩壓精度滿足處理器的需求。已重復使用多年的早期的dc/dc轉換器可能無法滿足目前最新的處理器的電壓精度要求。

　　模擬電路電源

　　超聲系統的主要模擬部件是AFE，超聲發送脈沖發生器以及超聲發送/接收開關。這些模擬電路，比如DAC，模數轉換器（ADC），以及高精度儀器應用中的運算放大器（運放）非常容易受噪聲和電源紋波的影響。

　　噪聲是按照譜噪聲密度和輸出噪聲電壓（μVRMS）進行分類的。電源紋波抑制（PSRR）指的是輸出端來自于輸入端紋波的紋波量。大多數設計者都選擇線性穩壓器來提供干凈的電壓軌，以實現系統性能的最大化。在數據手冊首頁宣傳其PSRR和噪聲性能規格的線性穩壓器經過優化，用于為對噪聲敏感的模擬集成電路供電。

　　AFE，如AFE5808A，包含8通道電壓控制放大器，具有低噪聲放大器，增益可編程放大器，CW混頻器，ADC以及其他模擬電路。該器件需要幾種電壓來為各種電路模塊供電，比如1.8，3.3和5V。

　　LDO穩壓器適用于為這些AFE電壓軌供電，因為所需的電流很小。為了進一步改善效率并節省板上空間，由封裝在一起的開關穩壓器和LDO可以為高靈敏度的模擬電路供電。例如，TPS54120是一種集成了dc/dc轉換器和LDO的低噪聲電源，它最大支持1A電流，可以為5或12V總線提供高效的開關穩壓器和高PSRR的LDO，輸出噪聲低至17μVrms。

　　超聲發送脈沖發生器，如LM96550，包含8個高壓脈沖發生器，帶有集成二極管，可產生高達±50V的雙極脈沖，峰值電流高達2A，脈沖速率高達15MHz。因為發送脈沖發生器還實現了數模轉換，所以需要由另一套電壓軌為電平位移器和低壓邏輯供電。

　　需要一種分離軌電源，而在逆變降壓/升壓結構中的降壓轉換器（如TPS54060）很容易就能從中級總線電壓中得到正和負的電壓軌。在每條電壓軌上都采用低電流LDO來幫助消除任何來自于逆變降壓/升壓轉換器的開關噪聲是一種很好的設計。

　　超聲發送/接收開關保護低噪聲放大器（LNA）的AFE輸入不受發送通道的高壓脈沖的影響。輸入電壓是由發送脈沖發生器的輸出傳送的，而LNA的輸出電壓是±0.7V，而電流則箝位在1mA。與發送脈沖發生器類似，該開關需要分離軌電源用于模擬供電以及負向高壓偏置供電。偏置電源必須是連接到開關的最大負電源電壓。

　　超聲成像系統包含模擬和數字集成電路，這兩者有不同的供電考慮。線性穩壓器可以為模擬電路提供低噪聲性能。開關穩壓器提供了更高的效率，通常更適用于為大電流、高性能DSP供電。