在超聲波電源軌設計中，開關頻率的噪聲問題如何解決？

伴隨現代技術的高速發展，不斷豐富的醫學影像成像技術使得醫學影像從輔助檢查手段變為現代醫學最重要的臨床診斷和鑒別診斷的方法。根據Fortune Business Insights的數據，2020年，全球醫學影像市場規模為361.9億美元，預計到2028年，這一數字將增長至565.3億美元。以超聲成像為例，該項技術在20世紀50～60年代開始在臨床應用，先是用于對肝臟病灶測距的A型超聲儀，其次是用于心臟的M型超聲儀，繼之出現適用于全身各部位的B型超聲儀，最后是多普勒及彩色血流顯像。目前，超聲成像以其無創傷、無射線、普及率高、價格低廉、便于床旁檢查等優點，成為多種疾病的首選和篩選檢查手段。

然而，隨著超聲設備的功能越來越復雜、精度越來越高，以及對圖像質量需求的不斷增加，降低噪聲等影響的措施也就成了超聲成像系統中十分關鍵的要求。就拿如何提高圖像質量來說，關鍵技術之一就是提高系統的信噪比 (SNR)，而這一點在電源管理設計中尤為重要。致力于為電源轉換應用提供高性能解決方案的高性能半導體產品和方案提供商亞德諾半導體（ADI公司）推出的Silent Switcher 模塊和低噪聲 LDO 技術可以有效的解決改善超聲設備的系統噪聲和圖像質量。 

以往，關于系統產品們很少直接提內部電源噪聲的指標，但往往很多系統問題，最終結果又和它內部電源軌的噪聲是直接相關的，如上述所說的醫療影像設備中的圖像質量問題。超聲系統中有多種圖像模式，每種圖像模式對動態范圍的要求也不同，這也意味著 SNR 或噪聲要求取決于不同的圖像模式，由于超聲轉換器的頻率通常為 1 MHz 至 15 MHz，因此它會受到此范圍內的任何開關頻率噪聲的影響。對于像醫療影像這種敏感設備來說，要解決內部電源噪聲引起的問題，整個系統中的模擬芯片就需要采用非常干凈的電源來供電。這就要求超聲電源系統在設計時需要考慮開關頻率、白噪聲、PCB布局等等。

大多數開關穩壓器使用電阻來設置開關頻率，該電阻的誤差會在 PCB 上引入不同的開關額定頻率和諧波。例如，1% 精度電阻在 400 kHz DC/DC 穩壓器中提供 ±1% 誤差和 4 kHz 諧波頻率。比較好的解決方案是選擇具有同步功能的電源轉換器，外部時鐘通過 SYNC 引腳向所有穩壓器發送信號，以便所有穩壓器以相同的頻率和相同的相位切換。此外，一些穩壓器具有 20% 的可變開關頻率，以考慮 EMI 或更高的瞬態響應，但這會導致 400 kHz 電源中的諧波頻率為 0 kHz 至 80 kHz。具有恒定頻率的開關穩壓器有助于避免這個問題。

ADI公司的 Silent Switcher 電源穩壓器和電源模塊系列就具有恒定頻率開關功能，可在不開啟擴頻的情況下同時保持出色的電磁干擾（EMI）性能以及瞬態響應。同步降壓型穩壓器LT8625S采用第三代Silent Switcher技術，帶有超低噪聲基準，可以支持 18 V輸入、最大8A的輸出電流。該器件與上一代相比，10Hz到 100kHz的噪聲性能有了很大的提升，這也就給需要大電流超低噪聲的應用帶來可能。通常，輸出電流在3A以下的應用可以用DC/DC加 LDO 的方式去實現，但是很難在市面上找到輸出電流超過3A的LDO。LT8625S是一款DC/DC 的產品，在有很高效率的同時又具有很低的噪聲，因此特別適合一些低噪聲的儀器儀表的應用和醫療影像設備等。

LT8625S如此強大的功能其實是來自超低噪聲LDO LT3045和采用第二代Silent Switcher技術的LT864XS，ADI將這兩者的優勢相結合推出了這款LT8625S，該產品可以支持 3v到 18v的輸入，同時有100μA的電流源，還可通過外部的電阻來設定輸出的電壓。頻率范圍可以支持 300 k Hz到 4M Hz，采用小型20引腳4mm×3mm的LQFN封裝，內部集成熱環的電容，最大輸出電流可以支持8A，輸出電壓范圍可以支持0V到6V。另外值得一提的是，無論輸出電壓如何，LT8625S在10Hz到 100kHz的噪聲只有3μV。

傳統上，超聲電源系統工程師應該注意每個開關穩壓器熱回路上的電路和布局設計。對于降壓電路，熱回路包含一個輸入電容、一個頂部 MOSFET、一個底部 MOSFET，以及由布線、布線、邊界等引入的寄生電感。Silent Switcher 模塊具有兩種主要的設計方法——首先，通過創建相反的熱回路，由于是雙向發射，所以大部分 EMI 將被降低，這種方法將優化近 20 dB。其次，Silent Switcher 模塊中的銅柱采用倒裝芯片封裝，不是直接圍繞芯片進行鍵合，這種方式有助于減少寄生電感并優化尖峰和死區時間。此外，Silent Switcher 技術提供了高功率密度設計，并在小封裝中實現了大電流能力。另外，許多 Silent Switcher 模塊還具有固定頻率、寬頻率范圍和峰值電流架構，可實現低抖動和快速瞬態響應。所以說，Silent Switcher模塊技術是超聲波電源軌設計的最佳選擇，因為引入它可以有效改善 EMI 和開關頻率噪聲。

隨著我國經濟高速發展、人口老齡化問題加重，醫療服務需求也在持續增加，臨床影像檢查的需求相應快速增長。對于醫療超聲設備這類精密儀器來說，需要的負載電流也越來越大，

ADI 的 Silent Switcher 電源模塊和 LDO 產品為超聲波電源系統設計提供了一個整體解決方案，可最大限度地降低系統噪聲水平和開關噪聲，在有助于提高圖像質量的同時還簡化了PCB布局設計的復雜性。