应对便携超声系统低功耗高性能的挑战

作者：王丽英 　日期：2010-11-8

世界人口数目不断飙升，老龄化问题日益严峻，令医疗诊断及护理设备的需求持续上涨。目前的医疗设备都较为笨重、价格昂贵，且能耗巨大，医护人员需要外型小巧、能源效率较高且极具成本效益的医疗诊断设备。

在全球各地，便携式医疗诊断设备的需求不断增加。预期在2050 年之前世界人口将增加23 亿，他们大部分集中在发展中国家，且多数都无法负担昂贵的医疗费用，在这些发展中国家，急需大量低成本高性能的便携医疗诊断设备；即便在发达国家，例如美国，有统计表明，其人口之中有20%前往乡镇诊所看病，而这些诊所需要的都是小型的便携式医疗设备；另外，救护车、急救人员、战地、灾区及其他欠缺医疗服务的偏远地区都需要便携式诊断设备，这些因素都促使便携式医疗诊断设备的需求不断上升。其中，便携式超声系统是最普遍采用的一种有效快速的诊断设备。

目前医院常提供的B超和彩超都是超声诊断系统，一般都是台式设备，外型庞大。要想设计出便携式超声诊断系统，必须克服功耗和性能的挑战：采用电池供电的便携式超声系统必须尽量降低能耗，但同时必须确保设备运行时电池由始至终都能提供充足的供电；同时，小型的设备也必须确保极高的影像分辨率，即使在现场操作也能发挥卓越的性能，帮助医生作出正确的诊断。

美国国家半导体公司前不久推出了一款专为便携式超声波系统而设计的8通道超声波发射/接收芯片组，这款PowerWise芯片组采用创新电路架构，让工程师可以设计电池寿命更长、且影像分辨率可媲美大型超声波扫描机的便携式超声波系统。


图 PowerWise8通道超声波发射/接收芯片组方案

这款8通道芯片组由4颗芯片组成，内置了一切必要的电路，其中包括接收系统模拟前端电路（AFE）（LM96511）、发射/接收系统开关（LM96530）、发射系统脉冲发生器（LM96550）及可配置发射系统波束成形器（LM96570）。其高度集成的特性令系统设计师可以利用该芯片组来开发小巧轻盈、影像更清晰、更易据此作出准确诊断的128通道便携式超声波系统。

并且，4颗芯片间协同工作令芯片组可实现超高性能及效率。例如，只要重新配置发射系统波束成形器，便可校准电路板走线之间的延迟误差以及脉冲发生器的延迟误差。这样可大幅改善失真情况，而且还可让系统进行第二次谐波成像。发射/接收系统开关也让系统设计师在设计上有更大的灵活性，他们可以为偏压电流灵活地选择不同的设置值，以便在功耗与性能之间做出适当的取舍。

该模拟前端电路采用非常独特的架构，不但能确保出众的影像质量，还可将B模式的功耗尽量降低。这颗模拟前端电路还内置业界最高分辨率的数字可变增益放大器（DVGA）及低功耗的连续时间Sigma-delta (CTSD) 模拟/数字转换器（ADC）。此外，数字可变增益放大器还具有多个传统模拟可变增益放大器所没有的优点，例如，各通道之间可以更好地校准并具有更好的信号频谱性能。连续时间Sigma-delta ADC本身还有砖墙式混叠信号滤除功能。相比之下，采用传统流水线式ADC的模拟前端电路不但功耗较高，而且滤除混叠信号的能力也较低。

美国国家半导体为便携式超声波系统提供一个全方位的信号路径解决方案，其中包括时钟电路及电源管理芯片。同时，为这款芯片组提供了全套评估套件、参考电路图及设计工具，让用户可以仔细评估芯片性能，加快产品上市时间。