设计适用于超声波智能探头的双极高压 SEPIC 电源
摘要
医疗成像（特别是超声）正在经历重大变革。智能探头超声波扫描仪是一种使用先进技术的手持诊断设备，能够实现人体内部器官及其尺寸的可视化。手持设备前端和后端单元的高集成度给设计人员带来了功耗、热性能、尺寸限制和抗噪性等方面的挑战。本应用手册提供了一种为超声波发送器高效供电的解决方案。此设计可从极低的电压源生成高达 ±80V 的双极可编程高压 (HV)。它可以在每个电源轨上提供 2W 的连续平均功率。与基于变压器的反激式转换器相比，具有非耦合电感器的单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑更适合用于满足关键高度要求 (< 5mm)。它具有对称电源轨 (<1%) 和小于 2% 的负载调整率。它可以与外部时钟同步，以帮助滤除拍频。本应用报告还提供了一种解决方案，可通过引入中间升压级生成高达 ±100V 的可编程输出电压。
商标
Wi-Fi®is a reg TM ofWi-Fi Alliance.
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1 引言
超声波成像广泛用于诊断目的。除了手推车式高性能超声波系统外，现在还可以使用手持设备（智能探头）来完成高质量的超声波成像。这些智能探头利用移动设备/平板电脑的功能和资源来处理和显示超声波图像。这些系统的一个典型用例是将现代医疗成像技术带到偏远地区，从而加快诊断速度。这种小型设备通常由电池 (1S/2S) 或 USB 电源供电。数据可以通过 USB 或 Wi-Fi® 传输。
图 1-1（左侧）显示了此类智能探头超声波扫描仪的通用图片，其中描述了连接到移动设备的探头。图 1-1（右侧）显示了智能探头的系统级方框图，其中包括用于发送和接收超声波脉冲的发送 (TX) 和接收 (RX) 模拟前端 (AFE) 以及用于执行波束形成的 FPGA。整个设置通过电源板供电，电源板包含用于生成负载点电压的直流/直流转换器、用于 TX 的高压电路以及用于数据和电源管理的 USB 控制器。模拟前端和电源模块的整个组件如图 1-2 所示，其中不同部分以红色突出显示。
图 1-1 （左）通用智能探头；（右）智能探头超声波扫描仪的系统方框图
图 1-2 电源和 TX+RX AFE 板本应用报告重点介绍了如何生成为超声波发送器供电的紧凑型无变压器高压电源。此设计通过单级极低的输入电压（通常为 5V）生成高达 ±80V 的可编程双极电源。使用无变压器 SEPIC 架构可以满足尺寸和高度方面的关键限制。SEPIC 架构的高效率可以确保低热足迹。该设计还实现了小于 2% 的负载调整率、快速瞬态响应和极低的噪声。该解决方案可以与外部时钟同步，以便对拍频进行滤波。
下面的表 1-1 总结了智能探头超声波扫描仪中高压电路的设计规格。
| 特征 | 规格 |
|---|---|
| 输入电压范围 |
|
| 输出电压 | 双极（10V 至 80V、25mA 和 -10V 至 -80V、25mA），对称负载 |
| 峰值效率 | 75% |
| 开关频率 | 250kHz |
| 尺寸（长 x 宽） | 15mm x 45mm（单层） |
| 高度 | < 5mm |
| 输出电压调节 | <2% |
| 两个电源轨上具有电压对称性和相等负载 | <1% |
| 输出纹波 | 输出电压的 0.1% |
| 与外部时钟频率同步 | 是 |
1.1 主要设计挑战
最终超声图像的质量直接取决于电源 的质量，因为电源产生的噪声会导致图像失真。主要设计挑战如下：
- 通过 USB 电源可生成单级无变压器双轨高压（在 25mA 下为 ±80V），可实现高度小于 5mm、高压轨对称性小于 1% 且负载调整率在 2% 以内
- 高效的布局和放置方式通过更大限度地减少传导和辐射发射，可实现高信噪比 (SNR)、低于 -90dB 的本底噪声和数据完整性
- 总体系统效率大于 80% 且具有出色的热性能（比环境温度高不到 15°C 的温升）
1.2 生成高压电源的可能拓扑
考虑到电压要求（高达 80V，在某些情况下为 100V）、低功耗水平（每个电源轨约 2W）和解决方案的小尺寸，最优电源拓扑是升压/Cuk、反激式和 SEPIC。由于需要负电源轨，因此反激式和 SEPIC 是更好的选择，因为其易于实现。下面提供了这两种拓扑的简要说明和比较。
SEPIC：SEPIC 是一种灵活的拓扑，可用作升压和降压稳压器，它具有极少的有源元件、简单的控制器和钳位开关波形，以更大限度地降低开关噪声
反激式：反激式转换器是低输出功率应用中最常用的 SMPS 电路，在此类应用中，输出电压必须与输入主电源隔离。反激式拓扑本质上是通过将变压器用作存储电感器进行隔离的降压/升压拓扑。
表 1-2 中显示了反激式转换器与 SEPIC 转换器之间的比较：
| 优点 | 缺点 | |
|---|---|---|
| 反激式 |
|
|
| SEPIC |
|
|
考虑到节 1.1 中讨论的挑战，反激式拓扑也适用于生成双极高压电源。然而，反激式变压器的高度无法达到大约 5mm 的上限（除非设计中使用了昂贵的定制平面变压器）。这就是此设计中选择 SEPIC 拓扑和现成非耦合电感器的原因。
2 使用 SEPIC 拓扑的高压电路设计
图 2-1显示了 SEPIC 拓扑的通用电路原理图。它使用三个电感器：L1、L2 和 L3。这三个电感器可以缠绕在同一个磁芯上，因为要在整个开关周期中对它们施加相同的电压，并且使用耦合电感器在 PCB 上占用的空间更小。但是，它们必须进行定制，并且高度可能不小，因此该解决方案使用非耦合电感器。电容器 CS1 和 CS2 将输入与输出隔离开来，并针对短路负载提供保护。
图 2-1 SEPIC 拓扑方案有关 SEPIC 的详细信息，请参阅设计 SEPIC 转换器 和 LM3488/-Q1 适用于升压、SEPIC 和反激式直流/直流转换器的汽车高效控制器。这些文档介绍了耦合电感器方法，但电流解决方案采用非耦合电感器。
2.1 采用 SEPIC 拓扑的 TI 高压电源架构
该设计实现了单级架构，仅使用单个转换器和一个开关，后跟两个互补输出部分，以生成相应的正负高压轨。定制的耦合电感器可以降低漏电感导致的能量损耗，但是，使用非耦合电感器有助于满足高度要求和更好的元件选择 [1]。反馈来自正输出轨。图 2-2 显示了完整的设计原理图，图 2-3 显示了电路板的照片，其中突出显示了高压部分。
图 2-2 智能探头高压电路设计原理图
图 2-3 突出显示高压部分的电源板表 2-1 介绍了使用 LM3488 器件的 SEPIC 电源转换器的元件选择和公式。
| 参数 | 方程 | 所选元件 |
|---|---|---|
| 占空比 | 方程式 1.  |
LM3488，它可以达到 100% 的占空比。 |
| L1（用于最小 40% 的电流纹波） | 方程式 2.  其中，R 是电流输入的纹波百分比 (0.4) |
100µH（电流纹波的 23%），Isat = 1.2A，DCR = 0.377Ω |
| L2、L3（用于最小 40% 的电流纹波）-> L3、L4（在图 2-2 中） | 方程式 3. 其中，R 是电流输入的纹波百分比 (0.4) |
1000µH（电流纹波的 41%），Isat=80mA，DCR=5.4Ω |
| MOSFET Q1（在图 2-2 中） | VSW(PEAK) = VIN + VOUT+VD=86.28 =86.28V TOFF < 210ns，250kHz 且 D = 94.14%； VGS(TH)< VIN |
CSD19538Q3A VDS,MAX = 100V； RDS,ON = 58mΩ；VGS,TH = 3.2V； TOFF = 9ns |
| CS2、CS3 -> C25、C35（在图 2-2 中） | VCS > VIN, MAX； 方程式 4.  |
2.2µF；VDC = 50V |
| D2、D3 -> D3、D6 | VIN+VOUT = 85V - 肖特基二极管以更大限度地降低损耗 | STPS1150；VFORWARD = 0.78V；VRRM = 150V |
| COUT2、COUT3 ->C70、C232、C30、C31、C71、C233、C36（在图 2-2 中） | 方程式 5.  方程式 6.  Vripple= 1% *Vout |
4 x 2.2µF - VDC = 100V |
| CIN -> C22、C23、C24（在图 2-2 中） | 方程式 7.  |
2x 47µf - 0.1µF - VDC = 10V |
| 补偿（RC、CC1 和 CC2）R40、C27、C177（在图 2-2 中） | 方程式 8.  方程式 9.  方程式 10.  方程式 11.  方程式 12.  |
Rc = 4.70kΩ - Cc1 = 0.1µF - Cc2 = 0.1µF |
SEPIC 电路的输出与一个 π 滤波器级联，后跟一个发射极跟随器配置（电源滤波器），以更大限度地减少交流纹波。该滤波器旨在提供 24.44dB（请参阅方程式 13）的交流纹波衰减，如 节 3.2中的图 3-3 至图 3-6 所示。
其中 f0 是 RC 滤波器的截止频率，f 是输入的开关频率。
3 测试结果
这里在 5V 输入电源下对图 2-2 中所示的电路进行了性能表征，测试结果将在后续几个小节中介绍。
4 设计的可能变体
本节介绍了此设计的可能变体。
4.1 选项 1：可编程输出电压
根据各种超声工作模式，高压电路的输出应该是可编程的。通过用一个电阻器 R3 替换二极管 D18 并连接反馈电阻器（如图 4-1 所示），便可以实现该功能，如图 2-2 所示。输出电压可以通过控制电压 (VDAC) 改变。可以使用公式 (2)、(3) 和 (4) 设置电阻器，其中 R1 和 R2 是反馈电阻器。
图 4-1 可编程输出的实现
图 4-2 显示了已编程输出电压和控制电压之间的线性关系。
图 4-2 输出电压与控制电压 (VDAC) 之间的线性关系设计人员应注意次级电感器的饱和电流额定值，以在降低输出电压的情况下增加输出电流。在 SEPIC 转换器中，关断期间电流主要由次级电感器提供。在此设计中，次级电感器的额定电流为 80mA。
