智能音箱通過尖端的人工智能語音識別技術(shù)和高音質(zhì)來持續(xù)提升我們的生活體驗。當(dāng)與其他的家庭自動化設(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，智能音箱和智能顯示器會迅速成為智能家居網(wǎng)絡(luò)的控制中心。

 

為跟上不斷增長的市場需求并保持領(lǐng)先地位，設(shè)計人員不僅需要為智能音箱增加功能，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現(xiàn)更高性能，對于減少空間受限應(yīng)用中的電路板尺寸至關(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人機接口控制器，以及LED驅(qū)動器引擎和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）不會直接影響用戶體驗，但會影響尺寸和成本。設(shè)計人員可以在減小這些組件尺寸的同時，繼續(xù)提升其性能。

 

圖1所示的輸入電源保護電路就是這樣一個組件。輸入保護雖然有時在許多器件中被認為是理所當(dāng)然的存在，但它是智能音箱中的一個關(guān)鍵電路，可防止在上電或連接不可靠的電源時損壞整個系統(tǒng)。智能音箱由外部AC/DC壁式適配器或內(nèi)部開關(guān)電源供電。該電路可在由于非正常高電壓或電流等事件引起故障時，保護任何下游器件免受損壞。
 

 

圖1：實現(xiàn)智能音箱典型功能的參考框圖

 

eFuse器件通?？梢詫崿F(xiàn)過流保護（OCP）和過壓保護（OVP）。它通過集成MOSFET（功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），在發(fā)生這些故障時斷開所有下游電路。eFuse器件還可在啟動期間管理浪涌電流，確保系統(tǒng)電壓以受控方式增加。TPS2595等器件采用2mm×2mm封裝，可提供高達18V/4A的保護。

 

對于過流保護（OCP），常見的分立實現(xiàn)會涉及到使用電流檢測放大器，如INA185，其作用是測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)字化測量值，要么饋入比較器以向微控制器提供即時警報。ADC路徑可精確測量系統(tǒng)中的電流，但由于ADC的采樣頻率，會增加讀取測量時的延遲。而比較器路徑的速度比ADC約快1000倍，功耗也更少，但只是提供一個數(shù)字輸出信號提示發(fā)生過流，而非實際的電流值。

 

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

 

但是，在智能顯示器中，系統(tǒng)電壓高于18V，因此需要更快的過流保護（OCP）警報。集成的eFuse器件可能無法在這樣的系統(tǒng)中運行，但電流檢測放大器和比較器結(jié)合使用可提供相同的功能，同時增加靈活性，并占用極小的電路板空間。TLV4041等納秒延時比較器僅消耗2μA的電源電流，可通過簡易的齊納二極管供電。INA185和TLV4041組合使用的解決方案尺寸為5mm2，且響應(yīng)速度比其他同類器件快50倍。

 

當(dāng)系統(tǒng)電流超過自定義閾值時，使用帶有快速比較器的INA185等放大器可提供快速、精確的過流保護（OCP）警報。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還集成了一個高精度（在-40°C至+ 125°C的整個溫度范圍內(nèi)精度為1%）的電壓參考，無論電流水平如何都能提供準確的警報，所有這些都在0.73mm*0.73mm的空間內(nèi)實現(xiàn)。

 

圖2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，適用于低壓和高壓智能音箱系統(tǒng)，還可用于不同電源電壓水平的不同揚聲器型號，以進一步簡化輸入電源保護設(shè)計。

 

圖2：如何設(shè)置INA185和TLV4041以生成高壓系統(tǒng)過流保護（OCP）警報信號的功能電路

 

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，這使得組合解決方案比集成通用比較器和電流檢測放大器的解決方案快得多。