稿源：美通社

作者：ADI现场应用工程师Yu Lu和ADI医疗健康系统应用经理Hugh Yu

自2000年(GE)首次推出数字超声技术以来，超声市场发展迅速。超声技术已从基于静态转向动态，并从黑白转向彩色多普勒。随着超声应用越来越多，对组件的要求也不断提高，例如与探头、AFE和电源系统相关的要求。

在医疗诊断领域，越来越多的应用需要超声成像系统输出更高的图像质量。提高图像质量的关键技术之一是提高系统的信噪比(SNR)。本文将讨论影响噪声的不同因素，特别是电源。

超声的工作原理是什么？

超声系统由换能器、发射电路、接收电路、后端数字处理电路、控制电路和显示模块等组成。数字处理模块通常包含现场可编程门阵列(FPGA)，FPGA根据系统的配置和控制参数，生成发射波束合成及相应的波形模式。发射电路中的驱动和高压电路生成高压信号来激励超声换能器。超声换能器通常采用PZT陶瓷制成。换能器将电压信号转换为超声波进入人体，同时接收人体组织产生的回波。回波转换成微小电压信号，并传输至发射/接收(T/R)开关。T/R开关的主要目的是防止高压发射信号损坏低压接收模拟前端。模拟电压信号经过信号调理、放大和滤波后，传输至集成ADC的模拟前端，然后转换成数字数据。数字数据通过JESD204B或LVDS接口发送到FPGA进行接收波束合成，再到后端数字部分进一步处理，从而生成超声图像。

图1.超声系统方框图

电源如何影响超声系统？

从上述超声架构来看，系统噪声会受到许多因素的影响，如发射信号链、接收信号链、TGC增益控制、时钟和电源。而在本文将讨论电源如何影响噪声。

超声系统提供不同类型的成像模式，每种成像模式对动态范围有不同的要求。这也意味着，SNR或噪声要求取决于不同的成像模式。黑白模式需要70dB动态范围，脉冲波多普勒(PWD)模式需要130dB，连续波多普勒(CWD)模式需要160dB。对于黑白模式，本底噪声非常重要，它会影响在远场能够看到的最小超声回波的最大深度，也就是穿透，这是黑白模式的关键指标之一。对于PWD和CWD模式，1/f噪声尤为重要。PWD和CWD图像均包括1kHz以下的低频信号，相位噪声会影响1kHz以上的多普勒频谱。由于超声换能器频率通常为1MHz至15MHz，因此该范围内的任何开关频率噪声都会对其造成影响。在PWD和CWD模式中，如果在其频谱（从100Hz至200kHz）中存在交调频率，多普勒图像中将会出现明显的噪声频谱，这在超声系统中是不可接受的。

另一方面，通过考虑和上面相同的这些因素，良好的电源可改善超声图像。设计人员为超声应用设计电源时，需要考虑多个方面的因素。

开关频率

如前所述，必须避免在采样频带（200Hz至100kHz）内引入不需要的谐波噪声。在电源系统中，很容易找到此类噪声。

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上引入包含主频及谐波频率的不同频率噪声。例如，在400kHz DC/DC稳压器中，1%精度电阻提供±1%误差和4kHz谐波频率。更好的解决方案是选择具有同步功能的开关电源。外部时钟将通过SYNC引脚向所有稳压器发送信号，使所有稳压器切换到相同频率和相同相位下工作。

此外，出于EMI考量或更高的瞬态响应，一些稳压器的开关频率会在主频20%内变化，这会导致400kHz电源中产生0kHz至80kHz谐波频率。恒频开关稳压器有助于解决这一问题。ADI的Silent Switcher电源稳压器和电源模块系列具有恒定频率开关功能，同时能在不开启扩频的情况下，仍保持出色的EMI性能，以及出色的瞬态响应。

白噪声

超声系统中也有许多白噪声源，这会导致超声成像中出现背景噪声。该噪声主要来自信号链、时钟和电源。

目前，使用LDO作为模拟器件的模拟供电引脚输入是最常见的做法。ADI的下一代LDO稳压器具有大约1μV rms的超低噪声，可以提供200mA至3A的电流。电路和规格参数如图2和图3所示。

图2.下一代低噪声LDO稳压器

图3.下一代LT3045的低噪声谱密度

PCB布局

在设计超声系统中的数据采集板时，通常需要考虑电源部分的大电流和信号链部分的噪声敏感之间的权衡。开关电源产生的噪声很容易耦合到信号路径走线中，并且很难通过数据处理去除。开关噪声通常由开关输入电容（图4）以及上管和下管组成的热回路产生。添加缓冲电路可帮助管理电磁辐射；但同时也会降低效率。在这种情况下，Silent Switcher 架构可以帮助在高开关频率下，优化EMI性能，并且保持高效率。

手持式数字探头

除了因吸收超声能量而引起的发热，换能器本身的温度对换能器附近人体组织的温度影响很大。通过向换能器施加电信号，可生成超声脉冲。有些电量在换能器基元、镜头和衬底材料中转换成热能，导致换能器发热。此外，对换能器探头中收到的信号进行电子处理也可能会产生电热。从换能器表面排出热量会使表面组织的温度升高几摄氏度。IEC标准60601-2-37（2007版）中指定了最大容许换能器表面温度(TSURF)。当换能器对着空气发射超声波时，换能器表面容许的最大温度为50°C；当发射到合适的体模时，该温度为43°C。后一项限制意味着，皮肤温度（通常为33°C）最高可升高10°C。换能器发热是复杂的超声探头设中重要的设计考量，在一些情况下，这些温度限制可能会明显地限制输出的声功率强度。

当换能器向空气发射超声时，安全标准IEC 60601-2-37（2007版）将换能器表面的温度限制到50°C以下，当换能器在33°C（对于外部应用的换能器）或37°C（对于内部换能器）与体模接触时，该标准将其表面温度限制到43°C以下。通常这些温度限制（而不是对波束中最大强度的限制）约束了换能器的声功率输出。Silent Switcher产品将电源以最高效率（和宽范围开关频率）转换为不同电压给数字探头供电。这意味着，功率转换期间的功率损耗很低。这对冷却系统大有帮助，因为没有太多额外功率以热量形式损耗。

Silent Switcher模式优势显著

Silent Switcher模块技术是进行超声电源轨设计时的明智选择。引入该模块技术是为了帮助改善EMI和开关频率噪声。传统上，应该关注每个开关稳压器在热回路上的电路和布局设计。对于降压电路，如图4所示，热回路包含输入电容、顶部MOSFET、底部MOSFET，以及由走线、路由、边界（bounding）等引起的寄生电感。

图4.拆分热回路的原理图

Silent Switcher模块主要提供两种设计方法：

第一，如图4和图5所示，通过创建反向的热回路，由于双向辐射，大多数EMI将被抵消。通过该方法，将优化辐射近20dB。

图5.比较Silent Switcher和非Silent Switcher EMI性能

第二，如图6所示，Silent Switcher模块不是直接晶圆周围绑定接线，而是采用铜柱倒装芯片封装，有助于减少寄生电感，优化尖峰和死区时间。

图6.与传统绑定技术(LT8610)相比较的铜柱倒装芯片封装及其性能(LT8614)

此外，如图7所示，Silent Switcher技术提供高功率密度设计，并且能够在小封装中实现大电流能力，从而保持低θJA，实现高效率（例如，LTM4638能够在6.25mm × 6.25mm × 5.02mm封装中实现15A）。

图7.Silent Switcher电源模块封装内视图

表1.Silent Switcher模块概览

表2.热门Silent Switcher产品

此外，许多Silent Switcher模块也具有固定频率、宽频率范围和峰值电流架构，从而实现低抖动和快速瞬态响应。该产品系列中的热门产品参见表2。

结论

ADI的Silent Switcher电源模块和LDO产品为超声电源轨设计提供了完整的解决方案，尽可能减少了系统噪声水平和开关噪声，不仅有助于改善图像质量，限制温度升高，还简化了PCB布局设计的复杂性。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在现代数字经济的中心发挥重要作用，凭借其种类丰富的模拟与混合信号、电源管理、RF、数字与传感技术，将现实世界的现象转化成有行动意义的洞察。ADI服务于全球12.5万家客户，在工业、通信、汽车与消费市场提供超过7.5万种产品。ADI公司总部位于马萨诸塞州威明顿市。更多信息请访问：http://www.analog.com/cn。

关于作者

Yu Lu于2015年获得法国里昂国立应用科学学院的电气工程硕士学位，并于2016年加入Maxim，担任系统工程师，开始其职业生涯。自2019年起，他加入ADI（上海）公司，担任医疗健康市场的FAE（现场应用工程师）。

Hugh Yu于2001年毕业于南京邮电大学，获电子与信息工程硕士学位。2002年至2005年，他在通用电气医疗系统中国有限公司超声部门担任高级硬件工程师；2005年至2010年，在西门子中国研究院担任研究员。目前在ADI（上海）公司担任亚太区医疗健康系统应用经理。

英飞凌科技股份公司（FSE代码：IFX / OTCQX代码：IFNNY）将在其全球性年度创新峰会OktoberTech™ 2022大会上展示前瞻性技术，赋能从云端到边缘的数字化转型。近日，英飞凌科技股份公司发布了新一代软件即服务（SaaS）产品——CIRRENT™ IoT Network Intelligence (INI)。物联网开发者可以利用这款云端SaaS产品加快产品信息的采集速度，降低产品信息采集成本，并将所采集的信息用于提升可靠性和改善产品性能，降低支持成本。

产品和开发团队可以借助该服务迅速地鉴别、监测和解决产品问题，为客户排忧解难。通过将CIRRENT Agent嵌入式软件部署在新产品中或通过OTA（在线升级技术）部署到现有的产品系列中，设备能向CIRRENT Cloud平台进行数据汇报。开发团队可以利用搭载全新人工智能和机器学习功能的在线控制平台，进行产品数据分析，并获取有关产品在实际应用中性能表现的新洞察。

英飞凌科技软件与生态系统业务副总裁Rob Conant表示：“物联网增加了实际应用中产品的可见性，但大量物联网产品公司既缺乏相关数据，又缺乏用于查看数据的工具。英飞凌的CIRRENT INI产品可赋能开发者通过控制界面和相关工具，快速获取产品在实际应用中的相关运行数据。这些数据能够为开发者提供具有实操意义的洞察和见解，帮助他们解决问题并推动战略产品的开发。该产品是英飞凌为帮助客户打造出更优质的产品，在数字化方面做出的又一努力。”

SimpliSafe工程总监Darrell Holigan表示：“我们在产品开发方面也面临挑战，即如何在实现产品差异化的同时，将户外安全摄像头快速推向市场。我们能借助英飞凌的CIRRENT INI产品，快速采集数据，监测设备性能并进行设备优化，以满足客户的需求。数据是帮助客户取得成功的关键，控制平台则是收集和分析数据的重要途径。”

CIRRENT IoT Network Intelligence的新功能

英飞凌的CIRRENT IoT Network Intelligence（INI）是一款基于SaaS的产品，包含了CIRRENT Agent嵌入式软件、数据云存储和云分析功能。CIRRENT INI还配备了一个通过网络端访问的远程控制平台，该控制平台可助力实现数据驱动的产品开发，帮助客户改善用户体验，减少退货情况并增加产品销量。

INI服务日均可处理超过10亿个数据点，并于近期引入了包括人工智能（AI）和机器学习（ML）在内的新功能来加速数据分析和提供重要洞察，以验证和解决问题。

CIRRENT INI预先集成了相关的英飞凌解决方案，包括AIROC™ Wi-Fi芯片、 AIROC云连接管理解决方案和CIRRENT Cloud ID等。使用ModusToolbox™开发平台的开发者可以将CIRRENT Agent嵌入式软件与预集成的库及案例应用进行轻松集成。CIRRENT INI是一款开箱即用的产品，它自带25个内置事件和属性，并且可以扩展，能够专门根据客户的实际应用/场景设置自定义的事件、属性和测量范围。

供货情况

英飞凌 CIRRENT INI产品现已开始供货。此外，该产品还可通过Wi-Fi、以太网或蜂窝网络在产品上进行部署。更多信息，请访问：www.infineon.com/cirrentini。

更多信息

如需了解更多有关CIRRENT产品的信息，请访问CIRRENT产品页面：www.infineon.com/cirrentproductanalytics，或访问www.infineon.com/learnmoreproductanalytics获取更多资料。

关于英飞凌

英飞凌科技股份公司是全球领先的半导体解决方案提供商，致力于让生活更便捷、更安全、更环保。英飞凌的微电子技术是通向美好未来的关键。英飞凌在全球拥有约50,280名员工，2021财年（截至9月30日）的收入约为111亿欧元。英飞凌在法兰克福证券交易所（股票代码：IFX）及美国场外交易市场OTCQX International Premier（股票代码：IFNNY）上市。

更多信息，请访问www.infineon.com

更多新闻，请登录英飞凌新闻中心：https://www.infineon.com/cms/cn/about-infineon/press/press-releases/

英飞凌中国

英飞凌科技股份公司于1995年正式进入中国大陆市场。自1995年10月在无锡建立第一家企业以来，英飞凌的业务取得非常迅速的增长，在中国拥有约2600名员工，已经成为英飞凌全球业务发展的重要推动力。英飞凌在中国建立了涵盖研发、生产、销售、市场、技术支持等在内的完整的产业链，并在销售、技术研发、人才培养等方面与国内领先的企业、高等院校开展了深入的合作。

适用于任何三维环境的激光雷达地图构建系统

Velodyne Lidar, Inc. (Nasdaq: VLDR, VLDRW)宣布签订了一份多年期协议，将向GreenValley International提供激光雷达传感器，用于手持式、移动式和无人机(UAV)三维地图构建解决方案，并适用于GPS受限环境。Velodyne已经开始根据协议向GreenValley发运传感器。 

GreenValley利用Velodyne的Puck激光雷达传感器来提供感知和导航能力，使其系统能够在移动地图构建解决方案中利用同步定位与地图构建(SLAM)技术。得益于激光雷达在无GPS的情况下的扫描能力，林业人员、考古工作者、土木工程师和测绘人员无需提前准备或使用复杂的后处理软件即可建立强大的数据集。Velodyne的高能效、多功能传感器使GreenValley能够将其技术融入各种外形尺寸的产品中，如背包、无人机/UAV和能够在各种室内外环境中使用的手持式移动设备，且不受温度、光线或降水的影响。 

GreenValley International首席执行官Qinghua Guo博士表示：“在采用Velodyne业界领先的激光雷达传感器后，GreenValley不仅实现了创新，还为各行各业提供了尖端、可靠的三维地图构建解决方案。目前，Velodyne的激光雷达传感器为我们的航空和手持式地图构建产品目录中的特定型号提供支持。我们已经收到了来自最终用户的高度赞扬，因此我们对双方未来的合作倍感振奋。” 

Velodyne Lidar首席执行官Ted Tewksbury博士表示：“GreenValley正在通过其创新、可靠的激光雷达三维地图构建解决方案改变着各行各业。在Velodyne激光雷达传感器的支持下，GreenValley的航空和移动式地图构建产品系列大幅提高了数据处理效率，为全球客户节省了时间，降低了成本。” 

关于Velodyne Lidar

Velodyne Lidar (Nasdaq: VLDR, VLDRW)通过实时环绕视图激光雷达传感器的发明，开创了自动驾驶技术的新纪元。Velodyne是激光雷达的全球领先企业，并以其突破性的激光雷达技术的广泛组合而享有盛誉。Velodyne革命性的传感器和软件解决方案提供灵活性、质量和性能，可满足各行各业的需求，包括机器人、工业、智能基础设施、自动驾驶汽车和高级驾驶辅助系统(ADAS)等。依托持续的创新，Velodyne致力于通过促进所有人的安全出行来改变生活和社区。 

关于GreenValley International

GreenValley International是全面的三维测绘和地图构建解决方案的领导者。GreenValley专注于激光雷达和图像融合技术，专门从事激光雷达、UAV、SLAM、摄影测量等技术，以实现三维空间的精确数字化呈现。GVI的LiAir（UAV/固定翼）、LiMobile（车载）、LiBackpack和LiPod（地面）等高精度激光雷达扫描系统可助力打造智慧城市，并为能源、农业、林业、道路工程、地理信息(GIS)、采矿等领域提供智能解决方案。LiDAR360、LiPowerline、LiStreet和其他GVI软件解决方案为准确的点云编辑和可视化提供核心处理和分析功能。 

原文版本可在businesswire.com上查阅： https://www.businesswire.com/news/home/20221117005179/en/