超声换能器阵列驱动用多通道高压电源的相位控制
在先进超声应用领域，如高强度聚焦超声治疗、无损检测中的相控阵扫描、以及超声清洗和声化学中的复杂声场塑造，多阵元换能器阵列已成为实现动态波束形成与调控的核心部件。每个阵元通常由一个压电陶瓷换能器构成，其工作需要数十至数百伏峰峰值的高频交流高压驱动。为了形成具有特定指向性或聚焦能力的声场，阵列中各个阵元被激发的信号必须在幅度和相位上满足精确的关系。这就对驱动阵列的多通道高压电源提出了一个核心要求：不仅每一通道能独立输出可调幅度的高频高压，更重要的是，各通道之间的输出相位必须具备极高的独立可控精度和长期稳定性。
实现多通道高压电源的精密相位控制，其技术挑战贯穿于信号生成、功率放大、高压输出及反馈监测整个链条。首先，在信号源层面，需要产生多路具有精确相位关系的高频基准信号。传统模拟移相电路温漂大、精度有限，难以满足要求。现代方案普遍采用直接数字频率合成技术作为核心。直接数字频率合成芯片或现场可编程门阵列内的直接数字频率合成模块，能够基于一个高稳定度的公共时钟源，独立生成多路频率相同、但初始相位可数字编程的正弦波数字序列。其相位分辨率可达0.1度甚至更高，切换速度快，且相位关系由数字设定值锁定，不受环境温度和时间的漂移影响。这些数字序列经过高速数模转换器转换为模拟信号，形成各通道的低压基准正弦波。
然而，挑战在于如何将这一精密的相位关系，无失真地保持并放大到高压输出端。每个通道通常由独立的功率放大级和高压升压变压器构成。功率放大器，无论是线性放大还是开关式（如D类）放大，其本身会引入一定的相移。这个相移与工作频率、负载阻抗（即换能器的等效阻抗）、以及放大器本身的特性有关。由于换能器阻抗会随温度、驱动电平和机械负载变化，且各通道的元件参数存在微小差异，导致各通道的相移并不一致且可能动态变化。如果不对这种不一致性进行补偿，直接数字频率合成设定的精确相位关系将在高压输出端严重失真。
因此，必须引入闭环相位控制。其基本思路是：从每个通道的高压输出端，通过一个小型的高压电容分压器或罗氏线圈，耦合回一个能代表输出高压相位和幅度的反馈信号。该反馈信号与原始的基准信号一同送入相位检测电路。相位检测器（例如采用乘法器与低通滤波器构成的鉴相器）输出一个直流电压，其值与两路输入信号的相位差成正比。这个误差电压被送入一个伺服控制环节（通常是比例积分控制器），其输出用于微调该通道直接数字频率合成信号的相位设定值（或调节一个模拟移相器的控制电压），从而构成一个负反馈环路，迫使高压输出信号的相位锁定在基准信号的相位上。通过这种方式，每个通道都独立地将自己的输出相位校准至统一的参考基准，从而抵消了功率级和负载引入的相移差异。
要实现高性能的闭环控制，有几个关键点。一是反馈信号的获取必须高保真、低相移。分压器或传感器的带宽必须远高于驱动频率，其自身引入的附加相移应尽可能小且稳定。二是相位检测环路需要有足够的动态范围和灵敏度，以分辨微小的相位误差。三是控制环路的带宽需要精心设计。带宽过窄，响应太慢，无法跟踪负载变化引起的相移；带宽过宽，则可能放大高频噪声，导致输出相位抖动。通常，环路带宽应设定在远低于驱动频率，但高于负载预期变化频率的数倍至数十倍。
除了相位，幅度的一致性同样影响波束形成质量。因此，一个完整的驱动系统通常包含幅度和相位的双闭环控制。幅度环通过采样输出电压的有效值或峰值，与设定值比较，通过调节功率放大器的增益来稳定输出幅度。相位环和幅度环需要解耦设计，避免相互干扰。
对于大型阵列，通道数量可能达到数十甚至上百个。这带来了系统集成和成本控制的挑战。一种方案是采用模块化设计，每个模块包含1至4个带独立闭环控制的通道。所有模块共享一个高稳定度的主时钟和数字控制总线。上位机通过总线向各模块发送频率、相位和幅度的设定参数，并可以轮询读取各通道的实际输出状态。这种架构既保证了各通道的独立精确控制，又便于系统扩展和维护。
此外，在诸如高强度聚焦超声治疗等应用中，还需要支持复杂的波束扫描与调制。这就要求多通道电源能够实时、快速地动态更新各通道的相位和幅度参数。控制系统的数字接口（如以太网、光纤）需要有足够高的数据吞吐率，且内部的直接数字频率合成和控制环路更新速率必须跟上，以实现声束的快速电子偏转与聚焦。
综上所述，驱动超声换能器阵列的多通道高压电源，其技术核心已从单纯提供高压高频能量，转变为实现多路高压信号间相位与幅度关系的精密同步与动态编程。它是一门结合了高频功率电子、射频信号处理、高精度反馈控制与数字系统设计的交叉技术。相位控制的精度，直接决定了超声阵列能否生成预想的声场模式，从而影响到治疗的安全性、检测的分辨率或工艺的效率。随着超声应用不断向更高频率、更复杂阵列和更智能控制方向发展，对多通道高压电源相位控制性能的要求也将愈发严苛，推动着相关技术持续向前演进。
