德州儀器專家分享：醫(yī)用超聲成像供電技術(shù)

醫(yī)用超聲成像能夠用于顯現(xiàn)內(nèi)臟，它無須像內(nèi)視鏡、X線電子計算機(jī)斷層掃描(CT)或X射線成像等一些其他成像系統(tǒng)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(shù)使用的增長將是未來數(shù)年內(nèi)的重要趨勢。

超聲系統(tǒng)(見圖)通常包含若干關(guān)鍵基本模塊，后者會增加供電需求。超聲探針包含了多達(dá)數(shù)百個壓電換能器。這些壓電換能器能夠?qū)⑤敵龅碾娦盘栟D(zhuǎn)換為聲波，或者將輸入的聲波轉(zhuǎn)換成電信號。

為了產(chǎn)生將輸入給換能器的電信號，需要用到發(fā)射波束形成裝置。發(fā)射波束形成器通常由FPGA或DSP實現(xiàn)的。發(fā)射波束形成器產(chǎn)生電脈沖，后者經(jīng)過定時和調(diào)整，照射到人體內(nèi)的特定部位。

圖 超聲系統(tǒng)的重要部件

這些來自發(fā)射波束形成器的電信號經(jīng)過高壓脈沖發(fā)生器或高壓D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)，所產(chǎn)生的能量用于激發(fā)換能器元件。在脈沖發(fā)生器或DAC之間有一個發(fā)送/接收開關(guān)。在發(fā)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(zhuǎn)換成能穿透人體的聲波信號。這些聲波信號在各種內(nèi)臟邊緣會被反射，并返回?fù)Q能器。

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

數(shù)字輸出將加載到接收波束形成器，后者將對數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。在圖像完成重建之后，便可以對其進(jìn)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(shù)人員查看結(jié)果。

負(fù)載點電源

超聲成像系統(tǒng)需要考慮提供多種電源電壓，在設(shè)計階段早些了解電源需求可以節(jié)省構(gòu)建電源架構(gòu)的時間。在確定系統(tǒng)總線電壓時，最好知道所需要的最高電壓。超聲發(fā)送脈沖發(fā)生器可能需要系統(tǒng)中的最高電壓，它需要數(shù)安培的電流來驅(qū)動換能器。

12V是最受歡迎的一種中級總線電壓選擇?？赡苄枰獙嵤┝硪惶纂娫磥砩筛叩恼蚝拓?fù)向電壓，以便為脈沖發(fā)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(lián)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(guān)穩(wěn)壓器能夠接受這種電壓作為輸入，并為顯示器、數(shù)字處理器和模擬電路提供負(fù)載點(POL)電源。此外，超聲成像系統(tǒng)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(guān)穩(wěn)壓器可以由主時鐘頻率驅(qū)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(tǒng)結(jié)合使用FPGA，DSP和微控制器來實現(xiàn)波束形成發(fā)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(wěn)壓器都提供了可調(diào)節(jié)軟啟動引腳，以便編程實現(xiàn)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(yù)設(shè)軟啟動時間的DC/DC穩(wěn)壓器。

處理器數(shù)據(jù)手冊中可能也提供了推薦的內(nèi)核、I/O、鎖相環(huán)(PLL)和外設(shè)上電時序的時間指標(biāo)。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(xiàn)，只需要將穩(wěn)壓器的POWERGOOD引腳連接到下一個穩(wěn)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(wěn)壓器(LDO)和開關(guān)穩(wěn)壓器提供了一種特殊的時序或追蹤引腳，可以適應(yīng)幾乎任意時序模式。

較低的處理器內(nèi)核電壓驅(qū)動著對更高精度DC/DC轉(zhuǎn)換器的需求。新的穩(wěn)壓器聲稱在全溫度范圍內(nèi)達(dá)到±1%或更高的參考精度。低成本的穩(wěn)壓器可能會指定±2%或±3%的參考電壓精度。請檢查生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)手冊，以確保穩(wěn)壓精度滿足處理器的需求。已重復(fù)使用多年的早期的dc/dc轉(zhuǎn)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(tǒng)的主要模擬部件是AFE，超聲發(fā)送脈沖發(fā)生器以及超聲發(fā)送/接收開關(guān)。這些模擬電路，比如DAC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及高精度儀器應(yīng)用中的運(yùn)算放大器(運(yùn)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(jìn)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(shù)設(shè)計者都選擇線性穩(wěn)壓器來提供干凈的電壓軌，以實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最大化。在數(shù)據(jù)手冊首頁宣傳其PSRR和噪聲性能規(guī)格的線性穩(wěn)壓器經(jīng)過優(yōu)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(wěn)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(jìn)一步改善效率并節(jié)省板上空間，由封裝在一起的開關(guān)穩(wěn)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(zhuǎn)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(guān)穩(wěn)壓器和高PSRR的LDO，輸出噪聲低至17μVrms。

超聲發(fā)送脈沖發(fā)生器，如LM96550，包含8個高壓脈沖發(fā)生器，帶有集成二極管，可產(chǎn)生高達(dá)±50V的雙極脈沖，峰值電流高達(dá)2A，脈沖速率高達(dá)15MHz。因為發(fā)送脈沖發(fā)生器還實現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中的降壓轉(zhuǎn)換器(如TPS54060)很容易就能從中級總線電壓中得到正和負(fù)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(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲是一種很好的設(shè)計。

超聲發(fā)送/接收開關(guān)保護(hù)低噪聲放大器(LNA)的AFE輸入不受發(fā)送通道的高壓脈沖的影響。輸入電壓是由發(fā)送脈沖發(fā)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(fā)送脈沖發(fā)生器類似，該開關(guān)需要分離軌電源用于模擬供電以及負(fù)向高壓偏置供電。偏置電源必須是連接到開關(guān)的最大負(fù)電源電壓。

超聲成像系統(tǒng)包含模擬和數(shù)字集成電路，這兩者有不同的供電考慮。線性穩(wěn)壓器可以為模擬電路提供低噪聲性能。開關(guān)穩(wěn)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。