减小智能扬声器和智能显示器的电源输入保护电路布局的方案

1、前言

智能扬声器通过尖端的语音识别人工智能和优质的音质继续改善我们的家庭。当与其他家庭自动化设备（例如可视门铃、照明系统、恒温器和安全系统）配合使用时，智能扬声器和智能显示器正迅速成为智能家居网络的控制中心。

为了跟上不断增长的市场并保持领先地位，设计人员正在寻求减小智能扬声器的尺寸和散热量，同时增加功能并提高性能。在更小的封装中有效提供更高性能的半导体器件对于在空间受限的应用中最小化电路板空间至关重要。

电路板的大部分包含直接影响用户体验的关键组件，例如片上音频系统、具有触觉反馈的电容式触摸人机界面控制器，以及 LED 驱动器引擎和 D 类音频放大器。智能扬声器系统中的其他组件（例如电源管理）执行的基本任务不会直接影响用户体验，但会影响尺寸和成本。可以将这些组件的尺寸最小化，同时仍然最大限度地提高性能。

2、输入电源保护电路

对于智能设备，有一个特定组件是输入电源保护电路，如图 1 所示。 输入保护，虽然有时在许多设备中被认为是理所当然的，但它是智能扬声器中的一个关键电路，用于防止在加电或连接时损坏整个系统到不可靠的电源。智能扬声器由外部 AC/DC 适配器或内部开关模式电源供电。该电路可防止任何下游设备在出现故障情况时受到损坏。

图 1：显示构成智能扬声器的典型功能的参考框图

输入电源的主要问题是异常高的电压或电流事件。TI 拥有集成式和分立式解决方案来处理过流保护 (OCP) 和过压保护 (OVP)。

eFuse 设备通常处理 OCP 和 OVP，集成功率金属氧化物半导体场效应晶体管以在这些故障事件下断开所有下游电路。eFuse 设备还管理启动期间的浪涌电流，确保系统电压以受控方式增加。TI TPS2595 等器件在 2 毫米 x 2 毫米封装中提供高达 18 V/4 A 的这种保护。

对于 OCP，常见的分立实施涉及电流检测放大器（例如 INA185）以测量分流电阻器上的电流。INA185 的输出要么馈入模数转换器 (ADC) 以将测量值数字化，要么馈入比较器以向微控制器提供即时警报。ADC 路径提供系统中流动电流的精确测量值，但由于 ADC 的采样频率而增加了读取测量值的延迟。比较器路径大约快 1,000 倍（同时消耗更少的功率），但只提供数字输出信号过流，而不是电流的实际值。

ADC 方法适用于需要精确测量系统中的电流并具有动态更改限制的灵活性的系统。INA185 提供优于 ±0.2% 的满量程精度，是业界最小的采用引线封装的电流检测放大器。该器件的尺寸仅为 1.6 mm x 1.6 mm，非常适合需要优化电路板布局的空间受限系统。

然而，在智能显示器中，系统电压高于 18 V，因此需要更快的 OCP 警报。集成的 eFuse 设备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的组合可以提供相同的功能，并具有更高的灵活性，同时占用最少的电路板空间。像 TI 的 TLV4041 这样的纳秒延迟比较器仅消耗 2 µA 的电源电流，并且可以关闭一个简单的齐纳二极管。配对后，INA185 和 TLV4041 的组合解决方案尺寸为 5 mm 2，响应时间比竞争设备快 50 倍。

当系统电流超过自定义设置的阈值时，使用带有快速比较器的 INA185 等放大器可提供快速而精确的 OCP 警报。根据系统的不同，此限制可以设置为从毫安到几安的任何位置。TLV4041 还具有一个精度（超过温度 1%）的集成基准，无论电流水平如何，都能提供准确的警报，所有这些都在 0.73 毫米 x 0.73 毫米的占位面积中。

图 3 中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，并且还适用于低压和高压智能扬声器系统。相同的电路适用于不同电源电压电平的不同扬声器型号，以进一步简化您的输入电源保护设计。

图 3：功能电路显示如何设置 INA185 和 TLV4041 以生成高压系统的 OCP 警报信号

INA185 (2.56mm2) 和 TLV4041 (0.533mm^2) 的组合解决方案在包含必要的无源元件后占用大约 5mm^2 的电路板空间。该解决方案的总尺寸比提供电流感应功能的同类集成器件小 15%。此外，TLV4041 的延迟仅为 450ns，这使得 TI 的组合解决方案比将通用比较器与电流检测放大器集成在一起的解决方案要快得多。

INA185 (2.56mm 2 ) 和TLV4041 (0.533mm 2 )的组合解决方案在包含必要的无源元件后占用大约5mm 2的电路板空间。该解决方案的总尺寸比提供电流感应功能的同类集成器件小 15%。此外，TLV4041 的延迟仅为 450ns，这使得 TI 的组合解决方案比将通用比较器与电流检测放大器集成在一起的解决方案要快得多。