如何最大限度地減少智能音箱和智能顯示器的輸入功率保護(hù)

Other Parts Discussed in Post： TPS2595， INA185， TLV4041

智能音箱通過尖端的語音識(shí)別人工智能技術(shù)和高音質(zhì)來持續(xù)提升我們的生活體驗(yàn)。當(dāng)與其他的家庭自動(dòng)化設(shè)備（如可視門鈴、照明系統(tǒng)、恒溫器和安保系統(tǒng)）配合使用時(shí)，智能音箱和智能顯示器正迅速成為智能家居網(wǎng)絡(luò)的控制中心。

為跟上不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求并保持領(lǐng)先地位，設(shè)計(jì)人員不僅需要為智能音箱增加功能和提升性能，還需要減小其尺寸并提高散熱能力。如何讓半導(dǎo)體器件在較小的封裝中實(shí)現(xiàn)更高性能，將對(duì)減小電路板在空間受限的應(yīng)用中的尺寸至關(guān)重要。

大多數(shù)電路板上集成了直接影響用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵組件，如片上音頻系統(tǒng)、帶觸覺反饋的電容式觸摸的人機(jī)接口控制器，以及LED驅(qū)動(dòng)器引擎和D類音頻放大器。智能音箱系統(tǒng)中的其他組件（如電源管理）執(zhí)行的任務(wù)不會(huì)直接影響用戶體驗(yàn)，但會(huì)影響尺寸和成本。設(shè)計(jì)人員可以在減小這些組件尺寸的同時(shí)，繼續(xù)提升其性能。

一個(gè)特定的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)在許多器件中被認(rèn)為是理所當(dāng)然的存在，但它是智能音箱中的一大關(guān)鍵電路，可防止在上電或連接不可靠的電源時(shí)損壞整個(gè)系統(tǒng)。智能音箱由外部AC/DC壁式適配器或內(nèi)部開關(guān)模式電源供電。該電路可在發(fā)生故障時(shí)保護(hù)任何下游器件免受損壞。

輸入電源的主要問題是不自然的高電壓或電流事件。TI具有集成和分立解決方案，可應(yīng)對(duì)過流保護(hù)（OCP）和過壓保護(hù)（OVP）。

eFuse器件通?？梢詰?yīng)對(duì)OCP和OVP，它通過集成MOSFET（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器件還可在啟動(dòng)期間管理浪涌電流，確保系統(tǒng)電壓以受控方式增加。TI TPS2595等器件采用2 mm×2 mm封裝，可提供高達(dá)18 V/4 A的保護(hù)。

對(duì)于OCP，常見的分立實(shí)現(xiàn)涉及使用電流檢測(cè)放大器，如INA185，其作用是測(cè)量分流電阻兩端的電流。INA185的輸出要么饋入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以數(shù)字化測(cè)量值，要么饋入比較器以向微控制器提供即時(shí)警報(bào)。ADC路徑可精確測(cè)量系統(tǒng)中的電流，但由于ADC的采樣頻率，會(huì)增加讀取測(cè)量時(shí)的延遲。比較器路徑快約1000倍（同時(shí)功率消耗更少），但僅提供一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)提示過流，而非實(shí)際的電流值。

ADC適用于需要精確測(cè)量電流的系統(tǒng)，且可靈活地動(dòng)態(tài)更改限值。INA185具有優(yōu)于±0.2%的滿量程精度，是業(yè)界最小的帶引線封裝的電流檢測(cè)放大器。該器件尺寸僅為1.6 mm×1.6 mm，非常適合需要優(yōu)化電路板布局的小型化系統(tǒng)。

增強(qiáng)智能音箱和擴(kuò)展基座的設(shè)計(jì)了解更多有關(guān)應(yīng)用在智能音箱和擴(kuò)展基座中的快速響應(yīng)過流事件檢測(cè)電路。

但是，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器件可能無法在這樣的系統(tǒng)中運(yùn)行，但電流檢測(cè)放大器和比較器結(jié)合使用可提供相同的功能，同時(shí)增加靈活性，并占用極小的電路板空間。TI的TLV4041等納秒延時(shí)比較器僅消耗2μA的電源電流，可通過簡(jiǎn)易的齊納二極管供電。INA185和TLV4041組合使用的解決方案尺寸為5 mm2，且響應(yīng)時(shí)間比其他同類器件快50倍。

當(dāng)系統(tǒng)電流超過自定義閾值時(shí)，使用帶有快速比較器的INA185等放大器可提供快速、精確的OCP警報(bào)。根據(jù)系統(tǒng)的不同，此限值可設(shè)置為幾毫安到幾安培。TLV4041還集成了一個(gè)高精度（全溫度范圍1%）的電壓參考，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 mm*0.73 mm的空間內(nèi)。

圖3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，此外還同時(shí)適用于低壓和高壓智能音箱系統(tǒng)。相同的電路可適用于不同電源電壓水平的不同揚(yáng)聲器型號(hào)，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化輸入電源保護(hù)設(shè)計(jì)。

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

在納入必要的無源元件之后，INA185（2.56mm2）和TLV4041（0.533mm2）結(jié)合使用的解決方案占用了大約5mm2的電路板空間。該解決方案的總體尺寸比提供電流檢測(cè)功能的同類集成器件減小了15%。此外，TLV4041的延遲僅為450ns，這使得TI的組合解決方案比集成通用比較器和電流檢測(cè)放大器的解決方案快得多。

TI廣泛的產(chǎn)品組合涵蓋多種解決方案，可最大限度地降低智能音箱的輸入功率保護(hù)。無論是需要集成器件的低壓音箱還是可使用分立器件的高壓音箱，TI都能提供小尺寸且不會(huì)影響性能的解決方案。

審核編輯：金巧