在超声波电源轨设计中，开关频率的噪声问题如何解决？

伴随现代技术的高速发展，不断丰富的医学影像成像技术使得医学影像从辅助检查手段变为现代医学最重要的临床诊断和鉴别诊断的方法。根据Fortune Business Insights的数据，2020年，全球医学影像市场规模为361.9亿美元，预计到2028年，这一数字将增长至565.3亿美元。以超声成像为例，该项技术在20世纪50～60年代开始在临床应用，先是用于对肝脏病灶测距的A型超声仪，其次是用于心脏的M型超声仪，继之出现适用于全身各部位的B型超声仪，最后是多普勒及彩色血流显像。目前，超声成像以其无创伤、无射线、普及率高、价格低廉、便于床旁检查等优点，成为多种疾病的首选和筛选检查手段。

然而，随着超声设备的功能越来越复杂、精度越来越高，以及对图像质量需求的不断增加，降低噪声等影响的措施也就成了超声成像系统中十分关键的要求。就拿如何提高图像质量来说，关键技术之一就是提高系统的信噪比 (SNR)，而这一点在电源管理设计中尤为重要。致力于为电源转换应用提供高性能解决方案的高性能半导体产品和方案提供商亚德诺半导体（ADI公司）推出的Silent Switcher 模块和低噪声 LDO 技术可以有效的解决改善超声设备的系统噪声和图像质量。 

以往，关于系统产品们很少直接提内部电源噪声的指标，但往往很多系统问题，最终结果又和它内部电源轨的噪声是直接相关的，如上述所说的医疗影像设备中的图像质量问题。超声系统中有多种图像模式，每种图像模式对动态范围的要求也不同，这也意味着 SNR 或噪声要求取决于不同的图像模式，由于超声转换器的频率通常为 1 MHz 至 15 MHz，因此它会受到此范围内的任何开关频率噪声的影响。对于像医疗影像这种敏感设备来说，要解决内部电源噪声引起的问题，整个系统中的模拟芯片就需要采用非常干净的电源来供电。这就要求超声电源系统在设计时需要考虑开关频率、白噪声、PCB布局等等。

大多数开关稳压器使用电阻来设置开关频率，该电阻的误差会在 PCB 上引入不同的开关额定频率和谐波。例如，1% 精度电阻在 400 kHz DC/DC 稳压器中提供 ±1% 误差和 4 kHz 谐波频率。比较好的解决方案是选择具有同步功能的电源转换器，外部时钟通过 SYNC 引脚向所有稳压器发送信号，以便所有稳压器以相同的频率和相同的相位切换。此外，一些稳压器具有 20% 的可变开关频率，以考虑 EMI 或更高的瞬态响应，但这会导致 400 kHz 电源中的谐波频率为 0 kHz 至 80 kHz。具有恒定频率的开关稳压器有助于避免这个问题。

ADI公司的 Silent Switcher 电源稳压器和电源模块系列就具有恒定频率开关功能，可在不开启扩频的情况下同时保持出色的电磁干扰（EMI）性能以及瞬态响应。同步降压型稳压器LT8625S采用第三代Silent Switcher技术，带有超低噪声基准，可以支持 18 V输入、最大8A的输出电流。该器件与上一代相比，10Hz到 100kHz的噪声性能有了很大的提升，这也就给需要大电流超低噪声的应用带来可能。通常，输出电流在3A以下的应用可以用DC/DC加 LDO 的方式去实现，但是很难在市面上找到输出电流超过3A的LDO。LT8625S是一款DC/DC 的产品，在有很高效率的同时又具有很低的噪声，因此特别适合一些低噪声的仪器仪表的应用和医疗影像设备等。

LT8625S如此强大的功能其实是来自超低噪声LDO LT3045和采用第二代Silent Switcher技术的LT864XS，ADI将这两者的优势相结合推出了这款LT8625S，该产品可以支持 3v到 18v的输入，同时有100μA的电流源，还可通过外部的电阻来设定输出的电压。频率范围可以支持 300 k Hz到 4M Hz，采用小型20引脚4mm×3mm的LQFN封装，内部集成热环的电容，最大输出电流可以支持8A，输出电压范围可以支持0V到6V。另外值得一提的是，无论输出电压如何，LT8625S在10Hz到 100kHz的噪声只有3μV。

传统上，超声电源系统工程师应该注意每个开关稳压器热回路上的电路和布局设计。对于降压电路，热回路包含一个输入电容、一个顶部 MOSFET、一个底部 MOSFET，以及由布线、布线、边界等引入的寄生电感。Silent Switcher 模块具有两种主要的设计方法——首先，通过创建相反的热回路，由于是双向发射，所以大部分 EMI 将被降低，这种方法将优化近 20 dB。其次，Silent Switcher 模块中的铜柱采用倒装芯片封装，不是直接围绕芯片进行键合，这种方式有助于减少寄生电感并优化尖峰和死区时间。此外，Silent Switcher 技术提供了高功率密度设计，并在小封装中实现了大电流能力。另外，许多 Silent Switcher 模块还具有固定频率、宽频率范围和峰值电流架构，可实现低抖动和快速瞬态响应。所以说，Silent Switcher模块技术是超声波电源轨设计的最佳选择，因为引入它可以有效改善 EMI 和开关频率噪声。

随着我国经济高速发展、人口老龄化问题加重，医疗服务需求也在持续增加，临床影像检查的需求相应快速增长。对于医疗超声设备这类精密仪器来说，需要的负载电流也越来越大，

ADI 的 Silent Switcher 电源模块和 LDO 产品为超声波电源系统设计提供了一个整体解决方案，可最大限度地降低系统噪声水平和开关噪声，在有助于提高图像质量的同时还简化了PCB布局设计的复杂性。