德州仪器专家分享：医用超声成像供电技术

    医用超声成像能够用于显现内脏，它无须像内视镜、X线电子计算机断层扫描(CT)或X射线成像等一些其他成像系统那样穿透皮肤或给人体带来辐射。此外，超声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动。超声技术使用的增长将是未来数年内的重要趋势。

    超声系统(见图)通常包含若干关键基本模块，后者会增加供电需求。超声探针包含了多达数百个压电换能器。这些压电换能器能够将输出的电信号转换为声波，或者将输入的声波转换成电信号。

    为了产生将输入给换能器的电信号，需要用到发射波束形成装置。发射波束形成器通常由FPGA或DSP实现的。发射波束形成器产生电脉冲，后者经过定时和调整，照射到人体内的特定部位。

图 超声系统的重要部件

    这些来自发射波束形成器的电信号经过高压脉冲发生器或高压D/A转换器(DAC)，所产生的能量用于激发换能器元件。在脉冲发生器或DAC之间有一个发送/接收开关。在发送期间，它确保低电压接收电路免受高压损坏，这是因为接收回路也需要连接到换能器。

    压电换能器元件将这些电信号转换成能穿透人体的声波信号。这些声波信号在各种内脏边缘会被反射，并返回换能器。

    这些返回的声波一经过换能器，就转化为电信号。这些较低电压的接收信号需要进行放大、滤波并转换为数字格式，从而生成图像。得益于半导体行业的发展，所有这些工作都可以在一个器件内完成：模拟前端(AFE)。

    数字输出将加载到接收波束形成器，后者将对数据进行重建。在图像完成重建之后，便可以对其进行一些视频后处理并形成一种可输出给显示器的格式，以便技术人员查看结果。

负载点电源

    超声成像系统需要考虑提供多种电源电压，在设计阶段早些了解电源需求可以节省构建电源架构的时间。在确定系统总线电压时，最好知道所需要的最高电压。超声发送脉冲发生器可能需要系统中的最高电压，它需要数安培的电流来驱动换能器。

    12V是最受欢迎的一种中级总线电压选择。可能需要实施另一套电源来生成更高的正向和负向电压，以便为脉冲发生器供电。如果超声具有备用电池特性，可能就需要更高的电压为铅酸或串/并联锂离子(Li离子)电池充电，那么28～30V的中级总线电压就是一种很好的选择。

    市面上有许多易于使用的DC/DC开关稳压器能够接受这种电压作为输入，并为显示器、数字处理器和模拟电路提供负载点(POL)电源。此外，超声成像系统可能非常容易受噪声干扰，因为它具有敏感的高精度模拟电路，并需要清晰的显示图像。带有频率同步功能的Dc/dc开关稳压器可以由主时钟频率驱动，以消除那些可能会干扰模拟和视频信号的拍频。

处理器电源

    超声成像系统结合使用FPGA，DSP和微控制器来实现波束形成发送和接收功能，多普勒处理以及图形处理。为处理器供电是简单的。

    但是，高性能处理器的供电必须考虑一些重要的因素。处理器厂商可能会指定最小和最大的电压斜升时间，而许多DC/DC稳压器都提供了可调节软启动引脚，以便编程实现电压斜升时间。如果没有可用的软启动引脚，请选择带有合适的预设软启动时间的DC/DC稳压器。

    处理器数据手册中可能也提供了推荐的内核、I/O、锁相环(PLL)和外设上电时序的时间指标。尽管存在几种不同的方法来为上、下电电压轨供电，顺序时序是最常用的。这种方法很容易实现，只需要将稳压器的POWERGOOD引脚连接到下一个稳压器的使能引脚。

    顺序时序也支持在上电过程中将多种电压轨交错，以尽量减小涌入电流，而不是同时开启所有电压轨。一些低压降稳压器(LDO)和开关稳压器提供了一种特殊的时序或追踪引脚，可以适应几乎任意时序模式。

   较低的处理器内核电压驱动着对更高精度DC/DC转换器的需求。新的稳压器声称在全温度范围内达到±1%或更高的参考精度。低成本的稳压器可能会指定±2%或±3%的参考电压精度。请检查生产厂商的数据手册，以确保稳压精度满足处理器的需求。已重复使用多年的早期的dc/dc转换器可能无法满足目前最新的处理器的电压精度要求。

模拟电路电源

    超声系统的主要模拟部件是AFE，超声发送脉冲发生器以及超声发送/接收开关。这些模拟电路，比如DAC，模数转换器(ADC)，以及高精度仪器应用中的运算放大器(运放)非常容易受噪声和电源纹波的影响。

    噪声是按照谱噪声密度和输出噪声电压(μVRMS)进行分类的。电源纹波抑制(PSRR)指的是输出端来自于输入端纹波的纹波量。大多数设计者都选择线性稳压器来提供干净的电压轨，以实现系统性能的最大化。在数据手册首页宣传其PSRR和噪声性能规格的线性稳压器经过优化，用于为对噪声敏感的模拟集成电路供电。

    AFE，如AFE5808A，包含8通道电压控制放大器，具有低噪声放大器，增益可编程放大器，CW混频器，ADC以及其他模拟电路。该器件需要几种电压来为各种电路模块供电，比如1.8，3.3和5V。

    LDO稳压器适用于为这些AFE电压轨供电，因为所需的电流很小。为了进一步改善效率并节省板上空间，由封装在一起的开关稳压器和LDO可以为高灵敏度的模拟电路供电。例如，TPS54120是一种集成了dc/dc转换器和LDO的低噪声电源，它最大支持1A电流，可以为5或12V总线提供高效的开关稳压器和高PSRR的LDO，输出噪声低至17μVrms。

    超声发送脉冲发生器，如LM96550，包含8个高压脉冲发生器，带有集成二极管，可产生高达±50V的双极脉冲，峰值电流高达2A，脉冲速率高达15MHz。因为发送脉冲发生器还实现了数模转换，所以需要由另一套电压轨为电平位移器和低压逻辑供电。

    需要一种分离轨电源，而在逆变降压/升压结构中的降压转换器(如TPS54060)很容易就能从中级总线电压中得到正和负的电压轨。在每条电压轨上都采用低电流LDO来帮助消除任何来自于逆变降压/升压转换器的开关噪声是一种很好的设计。

    超声发送/接收开关保护低噪声放大器(LNA)的AFE输入不受发送通道的高压脉冲的影响。输入电压是由发送脉冲发生器的输出传送的，而LNA的输出电压是±0.7V，而电流则箝位在1mA。与发送脉冲发生器类似，该开关需要分离轨电源用于模拟供电以及负向高压偏置供电。偏置电源必须是连接到开关的最大负电源电压。

    超声成像系统包含模拟和数字集成电路，这两者有不同的供电考虑。线性稳压器可以为模拟电路提供低噪声性能。开关稳压器提供了更高的效率，通常更适用于为大电流、高性能DSP供电。