智能音箱保护电路设计小诀窍

贸泽电子设计圈 2019-09-30 12:00

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智能音箱通过尖端的人工智能语音识别技术和高音质来持续提升我们的生活体验。当与其他的家庭自动化设备（如可视门铃、照明系统、恒温器和安保系统）配合使用时，智能音箱和智能显示器会迅速成为智能家居网络的控制中心。

为跟上不断增长的市场需求并保持领先地位，设计人员不仅需要为智能音箱增加功能，提升性能，还需要减小其尺寸并提高散热能力。如何让半导体器件在较小的封装中实现更高性能，对于减少空间受限应用中的电路板尺寸至关重要。

大多数电路板上集成了直接影响用户体验的关键组件，如片上音频系统、带触觉反馈的电容式触摸人机接口控制器，以及LED驱动器引擎和D类音频放大器。智能音箱系统中的其他组件（如电源管理）不会直接影响用户体验，但会影响尺寸和成本。设计人员可以在减小这些组件尺寸的同时，继续提升其性能。

图1所示的输入电源保护电路就是这样一个组件。输入保护虽然有时在许多器件中被认为是理所当然的存在，但它是智能音箱中的一个关键电路，可防止在上电或连接不可靠的电源时损坏整个系统。智能音箱由外部AC/DC壁式适配器或内部开关电源供电。该电路可在由于非正常高电压或电流等事件引起故障时，保护任何下游器件免受损坏。

图1：实现智能音箱典型功能的参考框图

eFuse器件通常可以实现过流保护（OCP）和过压保护（OVP）。它通过集成MOSFET（功率金属氧化物半导体场效应晶体管），在发生这些故障时断开所有下游电路。eFuse器件还可在启动期间管理浪涌电流，确保系统电压以受控方式增加。TPS2595等器件采用2mm×2mm封装，可提供高达18V/4A的保护。

对于过流保护（OCP），常见的分立实现会涉及到使用电流检测放大器，如INA185，其作用是测量分流电阻两端的电流。INA185的输出要么馈入模数转换器（ADC）以数字化测量值，要么馈入比较器以向微控制器提供即时警报。ADC路径可精确测量系统中的电流，但由于ADC的采样频率，会增加读取测量时的延迟。而比较器路径的速度比ADC约快1000倍，功耗也更少，但只是提供一个数字输出信号提示发生过流，而非实际的电流值。

ADC适用于需要精确测量电流的系统，且可灵活地动态更改限值。INA185具有优于±0.2%的满量程精度，是目前业界最小的带引线封装的电流检测放大器，尺寸仅为1.6mm×1.6mm，非常适合需要优化电路板布局的小型化系统。

但是，在智能显示器中，系统电压高于18V，因此需要更快的过流保护（OCP）警报。集成的eFuse器件可能无法在这样的系统中运行，但电流检测放大器和比较器结合使用可提供相同的功能，同时增加灵活性，并占用极小的电路板空间。TLV4041等纳秒延时比较器仅消耗2μA的电源电流，可通过简易的齐纳二极管供电。INA185和TLV4041组合使用的解决方案尺寸为5mm²，且响应速度比其他同类器件快50倍。

当系统电流超过自定义阈值时，使用带有快速比较器的INA185等放大器可提供快速、精确的过流保护（OCP）警报。根据系统的不同，此限值可设置为几毫安到几安培。TLV4041还集成了一个高精度（在-40°C至+ 125°C的整个温度范围内精度为1%）的电压参考，无论电流水平如何都能提供准确的警报，所有这些都在0.73mm*0.73mm的空间内实现。

图2所示的分立式解决方案无需额外的板载稳压器，从而节省了电路板空间，适用于低压和高压智能音箱系统，还可用于不同电源电压水平的不同扬声器型号，以进一步简化输入电源保护设计。

图2：如何设置INA185和TLV4041以生成高压系统过流保护（OCP）警报信号的功能电路

在纳入必要的无源元件之后，INA185（2.56mm²）和TLV4041（0.533mm²）结合使用的解决方案占用了大约5mm²的电路板空间。该解决方案的总体尺寸比提供电流检测功能的同类集成器件减小了15%。此外，TLV4041的延迟仅为450ns，这使得组合解决方案比集成通用比较器和电流检测放大器的解决方案快得多。

本文转载自：TI E2E™ 中文社区

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