合適的電源穩壓器可將 DC 電軌雜訊降至最低並提高超音波影像品質

雜訊對醫療和其他超音波系統而言是限制效能的因素之一。「雜訊」一詞看似簡單，卻分為許多不同類型，其中有一些是醫療和患者情況固有的，其他則屬於電子性質。由患者引發的絕大多數雜訊稱為「斑點雜訊」，主要是因為患者組織和器官的不均勻性 (非同質性) 造成。電路設計人員對患者引起的雜訊幾乎無能為力，但對於電子產品雜訊的多種來源與類型，則有很多作法可以將其降至最低。

這些潛在的雜訊來源包括 DC/DC 穩壓器。為了將雜訊降至最低，設計人員可以使用小巧安靜的低壓差 (LDO) 穩壓器，且其在效率上不斷改進中。即使採用這些 LDO，也經常會導致電力浪費，並伴隨相關的熱管理問題。切換式穩壓器是 LDO 的高效率替代方案，但這些裝置基於切換本質，因此具有較高雜訊。若設計人員要發揮這些裝置的完整優勢，就必須減輕雜訊問題。

電源轉換拓撲的設計在近期有所創新，因此雜訊已有降低，進而在雜訊與效率平衡的取捨上有所改變。例如，大功率的單晶片切換式穩壓器能以低雜訊的 DC 電軌有效地供電給數位 IC，不僅具有高效率，且僅有很小的空間需求。

本文將簡單探討超音波的難題。接著會介紹 Analog Devices 的小型 Silent Switcher IC 系列，並以 LT8625S 作為焦點範例，展示這些創新的切換式穩壓器，如何滿足負載在個位數電壓內且不到 10 A 的多種目標，以便符合高效能超音波成像的要求。也會介紹其他其他 Silent Switcher IC 範例，以展示此系列的多樣性。

超音波有其特有的訊號路徑問題

超音波成像的工作原理很簡單，但要開發高效能的成像系統則需要大量設計專業、多樣專業元件，還要注意諸多細節 (圖 1)。

圖 1：超音波成像系統的高階方塊圖透露出，依據簡單的物理原理實作系統時的複雜性。(圖片來源：Analog Devices)

成像系統採用壓電傳感器陣列，利用脈衝產生聲波波前。許多新系統具有多達 256 個此類感測器元件，各元件都必須可獨立控制。發射頻率範圍介於 2 至 20 MHz。

透過可變延遲調整陣列中傳感器的相對時序，發射的脈衝就可進行波束成形，並瞄準特定位置。較高的頻率可提供良好的空間解析度，但穿透能力相對較差，導致影像品質下降。大多數系統使用大約 5 MHz 作為最佳折衷方案。

脈衝發射後，系統就會切換到接收模式並擷取聲波脈衝的回波；每當聲波能量碰到阻抗屏障 (例如在不同類型的組織或器官之間的邊界處)，就會產生聲波脈衝的回波。回波返回時的時間延遲相對於其發送的時間，就可提供成像資訊。

由於超音波訊號在通過組織兩次後，不可避免地會衰減；一次用於順向路徑，一次用於回程回波，因此接收的訊號位準涵蓋很大的動態範圍。最高可到 1 V，最低僅有幾 μV，範圍約為 120 dB。

請注意，在 10 MHz 超音波訊號和 5 cm 穿透深度下，往返訊號會衰減 100 dB。因此，為了在任意位置處理約 60 dB 的瞬間動態範圍，需要的動態範圍為 160 dB (電壓動態範圍為 1 億比 1)。

若要處理寬動態範圍、低位準訊號和訊噪比 (SNR) 不足的問題，最簡單的解決方案似乎是提高發射的傳感器功率。然而，除了明顯的功率要求外，與患者皮膚接觸的超音波探頭，在溫度上也有嚴格的限制。IEC 標準 60601-2-37 (Rev 2007) 規定了探頭表面可允許的最高溫度，當傳感器發射到空氣中時為 50°C，當發射到合適的人體模型時為 43°C。

後者的溫度限制暗指皮膚 (通常在 33°C) 最多可以升溫 10°C。因此，不僅必須限制聲波功率，還必須將相關電子裝置 (包括 DC/DC 穩壓器) 的任何耗散降至最低。

為了保持相對恆定的訊號位準，並將 SNR 最大化，會使用一種特殊形式的自動增益控制 (AGC)，稱為時間增益補償 (TGC)。TGC 放大器會利用指數因數來放大訊號，藉此補償指數訊號衰減。指數因數則由接收器等待回波脈衝的時間長短來決定。

請注意，超音波成像模式有分不同類型，如圖 2 所示：

• 灰階會產生基本的黑白影像。可以解析最小至 1 mm 的假影。
• 都卜勒模式會追蹤回波訊號的頻率偏移來偵測物體的速度，並以假色進行顯示。可用於檢查體內流動的血液或其他液體。都卜勒模式需要將連續波發射到體內，就會產生回波訊號的快速傅立葉轉換 (FFT)。

圖 2：頸外動脈分叉處的灰階 (A) 和彩色都卜勒 (B) 模式視圖。請注意，ECA 的分支 (各影像左下的星號處)，以彩色都卜勒成像能看的最清楚。(CCA：頸總動脈；ICA：頸內動脈；ECA：頸外動脈)。(圖片來源： Radiologic Clinics of North America)

• 靜脈和動脈模式會使用都卜勒搭配灰階模式一同顯示。可用於詳細顯示動脈和靜脈血流。

簡化的方塊圖省略了一些關鍵元件，較詳細的圖就會顯示額外功能 (圖 3)。

圖 3：現代超音波系統的更詳細方塊圖就可凸顯出複雜性，以及設計中涵蓋的眾多數位功能。(圖片來源：Analog Devices)

首先是供電功能。無論系統是交流線路供電還是電池供電，都需要多個 DC/DC 穩壓器來開發各種電軌電壓。這些電壓介於某些功能用的幾伏特，到壓電傳感器用的更高電壓。

此外，由於現代超音波系統絕大多數都採數位化，除了用於發射和接收路徑的類比前端外，更含有 FPGA 可實作數位控制的波束成形和其他功能。這些 FPGA 需要相對較大的電流量，範圍高達 10 A。

雜訊會限制性能

與絕大多數數據採集系統一樣，雜訊也是限制醫療超音波系統效能的因素之一。除了患者引起的斑點雜訊外，還有多種類型的電子電路和元件雜訊：

• 高斯雜訊在統計上是隨機的「白」雜訊，主要是源自熱波動，或來自主動和被動元件的電子電路雜訊。
• 散粒 (波松) 雜訊是由電荷的離散性質造成。
• 脈衝雜訊，有時稱為鹽和胡椒雜訊，有時會在數位影像上看到。可能是由圖像訊號中明顯且突然的干擾所引起，看起來就像是稀疏分布的白黑像素，因此有此非正式名稱。

這些雜訊源會影響影像的解析度和品質。適當挑選電子元件 (如低雜訊放大器和電阻)，並使用合適的類比和數位濾波器，就可將雜訊源降至最低。此外，可利用複雜的影像和訊號處理演算法，在後製中將一些雜訊降至最低。

穩壓器雜訊：關鍵因素

還有另一個與雜訊相關的問題必須解決：降壓型 DC/DC 穩壓器的切換雜訊。這些穩壓器主要用於供電給 FPGA 和 ASIC 等數位 IC。問題在於，電磁 (EM) 輻射以及電軌和其他導線上的傳導，會影響敏感的類比訊號處理電路。

設計人員可試著使用鐵氧體磁珠、謹慎佈局和電源軌濾波將這種雜訊降至最低，但這些作法會增加元件數量、增加印刷電路板 (PCB) 佔位空間，並且通常只能部分成功。

傳統上，若要盡力將 DC/DC 穩壓器產生的雜訊降至最低，設計人員可以挑選在本質上就低雜訊輸出，但效率上相對較差 (約 50%) 的 LDO。另一種方法就是使用效率約為 90% 或更高的切換式穩壓器，但基於切換時脈，輸出端的脈衝雜訊約有數 mV。

跟大多數工程決策要進行一連串取捨不一樣，DC/DC 穩壓器的情況則需二選一：低雜訊配低效率或高雜訊配高效率。更沒有妥協，例如接受 LDO 的雜訊高出 20%，以換取效率適度提高。

LDO 固有的低雜訊可能會受到另一個因素的影響。為了處理更大的電流位準而採用相對較大的尺寸 (主要是因為散熱考量)，因此經常必須放置在離負載較遠的位置。就可藉此機會，讓 LDO 輸出軌拾取系統中數位元件的輻射雜訊，以免敏感類比電路的乾淨電軌受到影響。

礙於熱管理問題引起的 LDO 放置問題，有個解決方案，就是使用單一穩壓器，將其擺在 PCB 的側邊或角落。如此將有助於管理 LDO 耗散問題，並可簡化 DC/DC 系統級架構。但這個看似簡單的解決方案其實有不少問題：

• 由於距離和高電流位準 (ΔV 壓降 = 負載電流 (I) x 走線電阻 (R))，穩壓器和負載之間具有不可避免的 IR 壓降，代表負載上的電壓不會達到標稱 LDO 輸出值，甚至在每個負載上都可能不同。要將這種壓降減至最低，可以透過 PCB 走線寬度或厚度的增加，或是使用直立式匯流排來達成，但這會佔用寶貴的電路板空間並擴大物料清單 (BOM)。
• 可以在負載端使用遙測技術來監測電壓，但這僅對單點非分散式負載較為有效。此外，遙測引線可能會導致 DC 電軌振盪，因為較長的電源軌和感測引線具有電感，會影響穩壓器的暫態效能。
• 最後，也是通常最難管理的問題在於，較長的電源軌也會受到更多的電磁干擾 (EMI) 或無線射頻干擾 (RFI) 雜訊拾取的影響。

要克服 EMI/RFI 問題，通常要先從使用額外的旁路電容、直插式鐵氧體磁珠和其他措施開始。然而，問題往往會繼續存在。此外，這種雜訊會讓雜訊輻射所面臨的多種法規要求更加困難，具體取決於其規模和頻率。

Silent Switcher 穩壓器可解決取捨難題

通常更理想的替代解決方案是使用個別 DC/DC 穩壓器，並盡可能靠近其負載 IC。這可將 IR 壓降、PCB 覆蓋區，以及電軌雜訊的拾取與輻射降至最低。但若想讓此作法變得可行，就必須採用可放置於負載旁，且仍符合所有電流要求的小型、高效、低雜訊穩壓器。

這就是為何 Analog Devices 的多款 Silent Switcher 穩壓器能解決問題的原因。這些穩壓器採用多種設計創新技術，因此不僅能以數 A 至 10 A 的電流位準提供個位數的電壓輸出，還可達到極低雜訊。

這些穩壓器並非是為了在 LDO 的低雜訊屬性和切換式穩壓器的效率之間進行「折衷」或取捨。相反地，此創新設計能讓工程師發揮切換式穩壓器的完整效率優勢，且僅有超低的雜訊位準，甚至接近 LDO 的水準。實際上，更可讓設計人員在雜訊和效率之間，達到兩種屬性的最佳平衡。

這些穩壓器有助於拋棄 LDO 與切換式穩壓器兩者間差異的傳統思維。可選擇 Silent Switcher 1 (第一代)、Silent Switcher 2 (第二代) 和Silent Switcher 3 (第三代) 裝置。這些裝置的設計人員已識別多種雜訊源，也採取方法衰減各個雜訊源，後續每一代產品都進一步改進 (圖 4)。

圖 4：Silent Switcher DC/DC 穩壓器涵蓋三代產品，後續每一代都以前代產品為基礎，並進一步延伸其性能。(圖片來源：Analog Devices)

Silent Switcher 1 裝置具有低 EMI、高效率以及高切換頻率的優點，可將許多會干擾系統運作，或引起法規疑慮的殘餘雜訊移出頻段。Silent Switcher 2 不僅具備 Silent Switcher 1 技術的所有特點，還添加整合式精密電容、採用更小的覆蓋區，而且不受 PCB 佈局的影響。最後，Silent Switcher 3 系列可在 10 Hz 至 100 kHz 的低頻段中展現超低雜訊的特性，這對於超音波應用尤其重要。

這些切換式穩壓器只有幾平方毫米的微小外形，再加上固有的效率，因此能擺放在非常靠近負載 FPGA 或 ASIC 的地方。不僅能發揮最大效能，還可消彌規格書所示效能與實際表現之間的差異。

Silent Switcher 裝置的雜訊和熱屬性概述如圖 5 所示。

圖 5：這些穩壓器的使用者能透過 Silent Switcher 的設計享受明確的雜訊和散熱效益。(圖片來源：Analog Devices)

Silent Switcher 系列的眾多選擇

Silent Switcher 穩壓器提供多種系列、版本與機型，並搭配不同的電壓和電流額定值，可滿足系統設計與多種小型封裝的特定要求。

圖 6：採用 Silent Switcher 技術的眾多裝置，可提供電壓、電流、雜訊和其他屬性的多種排列組合。(圖片來源：Analog Devices)

第一代和第二代裝置包括但不限於 5 V 的款式搭配 3、4、6 和 10 A 輸出，例如：

• LTC3307：5 V、3 A 同步降壓 Silent Switcher，採用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• LTC3308A：5 V、4 A 同步降壓 Silent Switcher，採用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• LTC3309A：5 V、6 A 同步降壓 Silent Switcher，採用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• LTC3310：5 V、10 A 同步降壓 Silent Switcher 2，採用 3 mm × 3 mm LQFN 封裝

以上機型也各有提供不同版本。例如，LTC3310 就提供四種基本版本，包括一些符合 AEC-Q100 汽車標準的版本。請注意，無論是第一代 (SS1) 裝置 (LTC3310 和 LTC3310-1)，還是第二代 (SS2) 裝置 (LTC3310S 與 LTC3310S-1)，皆有提供可調式與固定式輸出的版本。

細看第三代裝置 LT8625S，就可發現 Silent Switcher 3 設計的特點；這款 2.7 至 18 V 輸入、8 A 輸出的裝置具有出色的低雜訊性能 (圖 7)。

圖 7：LT8625S 只需要幾個標準外部元件 (圖中顯示 LTC8624S，屬於 4 A 版本的相同款式)。(圖片來源：Analog Devices)

LT8625S 特點包括：

• 具有高增益誤差放大器，可達到超快暫態暫態響應
• 僅需快速 15 ns 的最短切換導通時間
• 在溫度範圍內達到 ±0.8% 漂移的精密參考
• 多相操作支援多達 12 相，可達到更高的總電流輸出
• 可調式和可同步時脈介於 300 kHz 至 4 MHz
• 可編程的電源良好指示器
• 提供 20 引腳 4 mm × 3 mm (LT8625SP) 或 24 引腳 4 mm × 4 mm LQFN (LT8625SP-1) 封裝

雜訊性能規格可指出為何此產品特別適合超音波應用 (圖 8)：

• 超低均方根 (RMS) 雜訊 (10 Hz 至 100 kHz)：4 μV_RMS
• 超低斑點雜訊：10 kHz 時 4 nV/√Hz
• 任何 PCB 上皆可達到超低 EMI 輻射
• 內部旁路電容可減少 EMI 輻射

圖 8：此圖指出，LT8625S 的低頻 (左) 和寬頻 (右) 雜訊頻譜密度皆很小。(圖片來源：Analog Devices)

除了具有低雜訊效能，還可在整個負載範圍內達到高效率和低功率損耗 (圖 9)。

圖 9：LT8625S 的高工作效率和低熱衝擊可緩解系統設計疑慮。(圖片來源：Analog Devices)

透過搭配的 DC3219A 展示電路／評估板，可加速使用 20 引腳 LT8625S 進行設計導入 (圖 10)。此板件的預設值為 1.0 V，最大 DC 輸出電流為 8 A。使用者可以根據需求更改電壓設定。

圖 10：為了進行探索和加快設計導入，DC3291A 評估板可支援 LT8625S。(圖片來源：Analog Devices)

結論

超音波成像系統是不可或缺且零風險的醫療診斷工具。為了達到所需的影像清晰度、解析度和其他效能指標，就必須瞭解，接收到的訊號可能會處於極低的位準，並具有寬廣的動態範圍。因此工程師就必須挑選低雜訊的元件、採用謹慎的設計技術，並確保 DC 電軌盡可能達到低雜訊。

Analog Devices 的 Silent Switcher 穩壓器系列提供切換式 DC/DC 穩壓器固有的高效率，同時還具有與效率低得多的 LDO 相當的雜訊水準。此外，尺寸小巧，僅有幾平方毫米，可貼近其所支援的負載，就可將拾取輻射電路雜訊的可能性降至最低。