使用 DCDC 降压转换器为医学成像应用供电

1、前言

从基于推车的超声扫描仪到将图像直接发送到智能手机的便携式智能探头，超声成像领域不断多样化。尽管其设计在架构上存在差异，但每个超声系统都需要一个直流电源，以有效满足系统的电源需求并避免干扰超声频率范围。在本文中，我将回顾为医疗超声系统选择 DC/DC 降压稳压器时的主要设计挑战。

2.与外部时钟同步并尽量减少干扰

电源中的降压稳压器必须能够与外部时钟频率同步。用于医学成像的超声频带通常在 2 MHz 到 20 MHz 的范围内。因此，在为任何超声系统设计开关模式电源时，降压稳压器的开关频率必须不干扰超声频带。具有低开关频率的降压稳压器会将基频和早期谐波频率保持在超声频带之外，但某些谐波仍会持续存在。通过将降压稳压器的开关频率与外部主时钟同步，您可以控制、监测和精确滤除超声波频带之外的开关频率及其谐波。

虽然我在谈论干扰问题，但记住超声电源中任何降压稳压器产生的固有电磁干扰 (EMI) 也很重要。即使过滤掉开关频率及其谐波，降压稳压器也会产生干扰系统其余部分的宽带频率。正确的印刷电路板布局可以大大提高 EMI，但要获得最佳性能，请考虑使用专门设计用于低 EMI 的降压稳压器。该LMQ61460 例如，除了可最大限度降低 EMI 的其他设计功能（如外部频率同步）之外，还集成了旁路电容器。要确认设备确实具有低 EMI，请检查数据表的其他常见条件部分中是否包含来自辐射或传导 EMI 测试（或两者）的数据。图 1 显示了 LMQ61460 的传导 EMI。

图 1：LMQ61460 与Comité International Spécial des Perturbations Radio 25 的传导 EMI （限制：黄色，峰值信号；蓝色：平均信号；F SW = 400 kHz；V OUT = 5 V；I OUT = 5 A）

3.扩展到多个电源轨

可以处理多种电流和电压要求（包括负电压轨）的降压稳压器可能非常有利。超声系统通常有多个电源轨，每个电源轨都设计为处于不同的电压下并提供不同的电流。您可以使用具有宽输入电压范围、宽输出电压范围和足够高的电流限制的器件来将一个电源解决方案扩展到所有需要的电源轨（包括负输出轨）。

利用一个设备为所有导轨供电可以帮助您优化系统的物料清单 (BOM) 并简化布局过程；如果这些好处对您很重要，请考虑采用模块方法。图 2 显示了可编程超声电源电路的部分框图。该LMZ34202 是一个降压转换器模块，其在上述参考设计用于调节正电压轨，一个独立的模块，LMZ34002，用于负电压轨，VEE集成输出电感器。这是一个完全可以接受的设计。但是，如果设计师想要进一步简化 BOM 和布局过程，他或她可以使用具有更高额定电流的设备，例如TPSM53604. 该降压电源模块具有更高的 4A 额定电流，使其能够调节 5V 和 -5V 电压轨。

图 2：三个独立的电源轨。两个用LMZ34202调节，一个用LMZ34002 调节。

4.确保高效率和功率密度

医疗行业继续推动超声波技术的普及，让它们更便携。对于便携式超声波和智能探头等电池供电系统，降压稳压器在所有工作条件下的效率对于最大限度地延长电池寿命至关重要。便携式应用程序还面临空间有限的挑战。尽管这些是固定式超声波的宝贵功能，但为了提高系统的便携性，请考虑选择具有以下功能的降压稳压器：

· 首选工作开关频率下的高效率。

· 低静态电流可减少空载和轻载条件下的电池消耗。

· 高功率密度以节省空间。

当然，在使用需要额外滤波以最小化噪声的开关电源时，可能难以实现高效率和高功率密度。在这种情况下，您可能会选择使用专门的 DC/DC 降压转换器，例如低噪声和低纹波TPS62912或TPS62913 ，它们提供出色的效率和外部时钟同步，并使用集成铁氧体磁珠滤波器补偿滤除高频噪声。

5.结论

在设计用于超声的 DC/DC 电源时，请考虑系统的独特需求。与外部时钟同步的能力对于有效减少和控制超声频带中的谐波至关重要。具有宽输入电压、宽输出电压和可接受的电流限制的降压稳压器将使您能够扩展您的解决方案并优化您的 BOM。最后，在为便携式应用选择降压转换器时，应考虑高功率密度、高效率和低静态电流等特性，以最大限度地提高效率。