減小智能揚(yáng)聲器和智能顯示器的電源輸入保護(hù)電路布局的方案

1、前言

智能揚(yáng)聲器通過尖端的語(yǔ)音識(shí)別人工智能和優(yōu)質(zhì)的音質(zhì)繼續(xù)改善我們的家庭。當(dāng)與其他家庭自動(dòng)化設(shè)備（例如可視門鈴、照明系統(tǒng)、恒溫器和安全系統(tǒng)）配合使用時(shí)，智能揚(yáng)聲器和智能顯示器正迅速成為智能家居網(wǎng)絡(luò)的控制中心。

為了跟上不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)并保持領(lǐng)先地位，設(shè)計(jì)人員正在尋求減小智能揚(yáng)聲器的尺寸和散熱量，同時(shí)增加功能并提高性能。在更小的封裝中有效提供更高性能的半導(dǎo)體器件對(duì)于在空間受限的應(yīng)用中最小化電路板空間至關(guān)重要。

電路板的大部分包含直接影響用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵組件，例如片上音頻系統(tǒng)、具有觸覺反饋的電容式觸摸人機(jī)界面控制器，以及 LED 驅(qū)動(dòng)器引擎和 D 類音頻放大器。智能揚(yáng)聲器系統(tǒng)中的其他組件（例如電源管理）執(zhí)行的基本任務(wù)不會(huì)直接影響用戶體驗(yàn)，但會(huì)影響尺寸和成本?？梢詫⑦@些組件的尺寸最小化，同時(shí)仍然最大限度地提高性能。

2、輸入電源保護(hù)電路

對(duì)于智能設(shè)備，有一個(gè)特定組件是輸入電源保護(hù)電路，如圖 1 所示。 輸入保護(hù)，雖然有時(shí)在許多設(shè)備中被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，但它是智能揚(yáng)聲器中的一個(gè)關(guān)鍵電路，用于防止在加電或連接時(shí)損壞整個(gè)系統(tǒng)到不可靠的電源。智能揚(yáng)聲器由外部 AC/DC 適配器或內(nèi)部開關(guān)模式電源供電。該電路可防止任何下游設(shè)備在出現(xiàn)故障情況時(shí)受到損壞。

圖 1：顯示構(gòu)成智能揚(yáng)聲器的典型功能的參考框圖

輸入電源的主要問題是異常高的電壓或電流事件。TI 擁有集成式和分立式解決方案來處理過流保護(hù) (OCP) 和過壓保護(hù) (OVP)。

eFuse 設(shè)備通常處理 OCP 和 OVP，集成功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管以在這些故障事件下斷開所有下游電路。eFuse 設(shè)備還管理啟動(dòng)期間的浪涌電流，確保系統(tǒng)電壓以受控方式增加。TI TPS2595 等器件在 2 毫米 x 2 毫米封裝中提供高達(dá) 18 V/4 A 的這種保護(hù)。

對(duì)于 OCP，常見的分立實(shí)施涉及電流檢測(cè)放大器（例如 INA185）以測(cè)量分流電阻器上的電流。INA185 的輸出要么饋入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以將測(cè)量值數(shù)字化，要么饋入比較器以向微控制器提供即時(shí)警報(bào)。ADC 路徑提供系統(tǒng)中流動(dòng)電流的精確測(cè)量值，但由于 ADC 的采樣頻率而增加了讀取測(cè)量值的延遲。比較器路徑大約快 1,000 倍（同時(shí)消耗更少的功率），但只提供數(shù)字輸出信號(hào)過流，而不是電流的實(shí)際值。

ADC 方法適用于需要精確測(cè)量系統(tǒng)中的電流并具有動(dòng)態(tài)更改限制的靈活性的系統(tǒng)。INA185 提供優(yōu)于 ±0.2% 的滿量程精度，是業(yè)界最小的采用引線封裝的電流檢測(cè)放大器。該器件的尺寸僅為 1.6 mm x 1.6 mm，非常適合需要優(yōu)化電路板布局的空間受限系統(tǒng)。

然而，在智能顯示器中，系統(tǒng)電壓高于 18 V，因此需要更快的 OCP 警報(bào)。集成的 eFuse 設(shè)備可能無法在這樣的系統(tǒng)中運(yùn)行，但電流檢測(cè)放大器和比較器的組合可以提供相同的功能，并具有更高的靈活性，同時(shí)占用最少的電路板空間。像 TI 的 TLV4041 這樣的納秒延遲比較器僅消耗 2 μA 的電源電流，并且可以關(guān)閉一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管。配對(duì)后，INA185 和 TLV4041 的組合解決方案尺寸為 5 mm 2，響應(yīng)時(shí)間比競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備快 50 倍。

當(dāng)系統(tǒng)電流超過自定義設(shè)置的閾值時(shí)，使用帶有快速比較器的 INA185 等放大器可提供快速而精確的 OCP 警報(bào)。根據(jù)系統(tǒng)的不同，此限制可以設(shè)置為從毫安到幾安的任何位置。TLV4041 還具有一個(gè)精度（超過溫度 1%）的集成基準(zhǔn)，無論電流水平如何，都能提供準(zhǔn)確的警報(bào)，所有這些都在 0.73 毫米 x 0.73 毫米的占位面積中。

圖 3 中所示的分立式解決方案無需額外的板載穩(wěn)壓器，從而節(jié)省了電路板空間，并且還適用于低壓和高壓智能揚(yáng)聲器系統(tǒng)。相同的電路適用于不同電源電壓電平的不同揚(yáng)聲器型號(hào)，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化您的輸入電源保護(hù)設(shè)計(jì)。

圖 3：功能電路顯示如何設(shè)置 INA185 和 TLV4041 以生成高壓系統(tǒng)的 OCP 警報(bào)信號(hào)

INA185 (2.56mm2) 和 TLV4041 (0.533mm^2) 的組合解決方案在包含必要的無源元件后占用大約 5mm^2 的電路板空間。該解決方案的總尺寸比提供電流感應(yīng)功能的同類集成器件小 15%。此外，TLV4041 的延遲僅為 450ns，這使得 TI 的組合解決方案比將通用比較器與電流檢測(cè)放大器集成在一起的解決方案要快得多。

INA185 (2.56mm 2 ) 和TLV4041 (0.533mm 2 )的組合解決方案在包含必要的無源元件后占用大約5mm 2的電路板空間。該解決方案的總尺寸比提供電流感應(yīng)功能的同類集成器件小 15%。此外，TLV4041 的延遲僅為 450ns，這使得 TI 的組合解決方案比將通用比較器與電流檢測(cè)放大器集成在一起的解決方案要快得多。