利用高效MicroSiP電源模塊助力超聲波智能探頭小型化設(shè)計

Other Parts Discussed in Post:LM27762, TPSM82822

Chen Yan

近年來，隨著居民健康意識的提高，超聲檢測的需求越來越多。在傳統(tǒng)的超聲檢測場景下，待檢者須在醫(yī)院超聲機臺邊排隊等候。如果出現(xiàn)了待檢者難以抵達醫(yī)院或者超聲機臺資源緊張的情況，如何完成對待檢者的檢測就成了一個難以解決的痛點。超聲波智能探頭的出現(xiàn)，重新構(gòu)建了新的超聲檢測場景。超聲波智能探頭的體積通常來說僅有手掌大小，醫(yī)生可直接攜帶智能探頭去待檢者的場景下進行檢測，大大提高了超聲檢測設(shè)備在應(yīng)用中的靈活性。

在超聲智能探頭的設(shè)計中，整體電路的小型化和EMI性能是最為關(guān)鍵的考量點，因此電源軌的設(shè)計至關(guān)重要。TI是全球第一家成功使用了SiP(System-in-Package)電源模塊封裝技術(shù)并成功量產(chǎn)的公司。在MicroSiP封裝形式中，IC嵌入到基片中，所有的被動元器件（電容，電感）焊接在基片上。緊湊的封裝具備最小化體積的優(yōu)勢外，同時也使得開關(guān)電源的電流和電壓環(huán)路最小化，提高了整體電源模塊的EMI性能。

圖1是一個典型的應(yīng)用于電池供電的超聲波智能探頭的整體解決方案。電池供電的方案由于其便攜性逐漸成為智能探頭的主流。

圖 1超聲波智能探頭解決方案

本文主要討論超聲波智能探頭解決方案中TI的產(chǎn)品。

超聲波智能探頭的主信號鏈路由32通道的發(fā)射端芯片TX7332和32通道的接收端芯片接收端芯片AFE5832LP組成，根據(jù)設(shè)備探頭基元通道數(shù)的不同，可以增加發(fā)射端和接收端芯片的數(shù)量，或者用高壓開關(guān)進行通道數(shù)的拓展。

TX7332集成了32通道的pulser電路，可以產(chǎn)生3電平的高壓脈沖（最高可達±100V），每通道的輸出電流可以從0.3A到1.2A自由配置。同時TX7332集成了T/R開關(guān)，在發(fā)送高壓脈沖時處于關(guān)斷狀態(tài)以保護低壓端的接收電路，在需要接收反射回來的信號時導(dǎo)通，使探頭和接收端連通。T/R開關(guān)的導(dǎo)通電阻為24?。同時TX7332支持對每個通道的發(fā)波進行不同的配置。

AFE5832LP是一款集成模擬前端(AFE)，針對醫(yī)療超聲波應(yīng)用進行了優(yōu)化。該器件通過具有兩個裸片的多芯片模塊(MCM) 進行實現(xiàn)：一個壓控放大器(VCA) 裸片和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 裸片。AFE5832LP還支持各種功率和噪聲組合選項，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。作為一種極低功耗的AFE解決方案，AFE5832LP每通道的功耗為18.5mW，因此適用于具有嚴格的電池壽命要求的系統(tǒng)。

對于TX7332和AFE5832LP的詳細應(yīng)用報告可以參考下述技術(shù)文章。

https://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/zhca983

下述這篇應(yīng)用文章提供了一個低壓輸入，最高可產(chǎn)生TX7332中的pulser電源軌的±80V電壓的解決方案。每路高壓的最大功率為2W。整體電路基于PWM控制器LM3488，電路拓撲選擇了SEPIC架構(gòu)，如圖2所示。

https://www.ti.com/lit/pdf/sloa284

圖 2 SEPIC架構(gòu)示意圖

TX7332的-5V電源軌由LM27762提供。LM27762是一個低噪聲的電荷泵，可以同時產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的正負電壓，調(diào)節(jié)范圍在±1.5V~±5V之間。LM27762的輸入電壓范圍在2.7V~5.5V之間，最大輸出電流可支持±250mA，LM27762工作頻率為2MHz以減小輸出阻抗和電壓紋波。正常工作的靜態(tài)電流僅為390uA，關(guān)斷電流僅為0.5uA。LM27762可以為大電流，低噪聲的負壓電壓應(yīng)用場景提供理想的偏置。

圖 3 LM27762簡化示意圖

TPS7A88是一個雙通道，低噪聲，高電源抑制比的LDO，最大輸出電流可達1A，同時僅有200mV的壓降。TPS7A88最低可工作在1.4V輸入電壓，0.8V輸出電壓的環(huán)境下。每個通道的線性調(diào)整器均集成了一個低噪聲的0.8V的電壓基準(zhǔn)。同時內(nèi)部的保護電路（比如欠壓保護鎖定）可以防止器件在輸入電壓不夠高的時候啟動，這樣的設(shè)計可以保證輸出電壓具有良好的精度。折返電流限制會在輸出短路的情況下限制輸出電流。內(nèi)部的power good檢測電路可以讓用戶在多個LDO級聯(lián)的情況下設(shè)置時序，而且當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置的閾值時會有alert信號產(chǎn)生。

圖 4 TPS7A8801簡化示意圖

TPS82140最高可支持17V的電壓輸入，最大輸出電流為2A，整體尺寸為3.0mm x 2.8mm x 1.5mm。TPS82140 MicroSiP電源模塊采用了DCS-Control? (Direct Control with Seamless transition into Power Save Mode)的工作模式。

這種工作模式結(jié)合了遲滯控制和電壓控制的優(yōu)點，在中到重載的時候工作在PWM(Pulse Width Modulation)模式，輕載的時候工作在PSM(Power Save Mode)模式。在PWM工作模式下，開關(guān)電源的開關(guān)頻率為2MHz，當(dāng)負載電流減小時，開關(guān)電源進入PSM模式，降低了開關(guān)頻率以減小IC的靜態(tài)電流，從而實現(xiàn)輕載高效。

DCS-Control?同時支持這兩種模式，可以在不影響輸出電壓的前提下完成從PWM到PSM模式的無縫切換。TPS82140提供出色的直流電壓調(diào)制以及快速的瞬態(tài)負載相應(yīng)，同時具備極低的輸出電壓紋波，適用于射頻，醫(yī)療等應(yīng)用場景。

TPSM82822電源模塊集成了同步降壓轉(zhuǎn)換器和電感器，可簡化設(shè)計、減少外部元件并節(jié)省印刷電路板 (PCB) 面積。該器件采用緊湊的薄型封裝，面積僅為2.0mm x 2.5mm，適用于通過標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝設(shè)備進行自動組裝。為了最大限度地提高效率，該轉(zhuǎn)換器以4MHz 的標(biāo)稱開關(guān)頻率在脈寬調(diào)制(PWM)模式下工作，并且會在輕負載電流條件下自動進入節(jié)能工作模式。

在節(jié)能模式下，器件的工作靜態(tài)電流典型值為4μA。通過使用 DCS-Control 拓撲，該器件可實現(xiàn)出色的負載瞬態(tài)性能和精確的輸出穩(wěn)壓。器件的 EN 和 PG 引腳支持順序配置，可帶來靈活的系統(tǒng)設(shè)計。集成的軟啟動功能降低了輸入電源需要提供的浪涌電流。過溫保護和斷續(xù)短路保護功能使得該解決方案穩(wěn)健且可靠。

圖 5 TPSM82822簡化示意圖

TI可以提供應(yīng)用于超聲波智能探頭的整體解決方案，上述高性能的便攜式方案同時也可以為設(shè)計者帶來便利。

審核編輯：金巧