隨著(zhù)智慧家庭概念的普及，消費者對于智能家居的功能和性能需求不斷增長(cháng)。設備上開(kāi)始集成了越來(lái)越多的半導體組件，設計的難題之一就是如何讓半導體器件在較小的封裝中實(shí)現更高性能。
以輸入功率保護電路為例，雖然其執行的任務(wù)不會(huì )直接影響用戶(hù)體驗，但簡(jiǎn)化該組件對優(yōu)化設備的尺寸和制造成本至關(guān)重要。在下文中，我們將介紹TI的集成和分立解決方案，是如何最大限度地簡(jiǎn)化輸入功率保護設計的。
智能音箱通過(guò)尖端的語(yǔ)音識別人工智能技術(shù)和高音質(zhì)來(lái)持續提升我們的生活體驗。當與其他的家庭自動(dòng)化設備（如可視門(mén)鈴、照明系統、恒溫器和安保系統）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(cháng)的市場(chǎng)需求并保持領(lǐng)先地位，設計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。如何讓半導體器件在較小的封裝中實(shí)現更高性能，將對減小電路板在空間受限的應用中的尺寸至關(guān)重要。
大多數電路板上集成了直接影響用戶(hù)體驗的關(guān)鍵組件，如片上音頻系統、帶觸覺(jué)反饋的電容式觸摸的人機接口控制器，以及LED驅動(dòng)器引擎和D類(lèi)音頻放大器。智能音箱系統中的其他組件（如電源管理）執行的任務(wù)不會(huì )直接影響用戶(hù)體驗，但會(huì )影響尺寸和成本。設計人員可以在減小這些組件尺寸的同時(shí)，繼續提升其性能。
一個(gè)特定的組件是輸入電源保護電路，如圖1所示。輸入保護雖然有時(shí)在許多器件中被認為是理所當然的存在，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。智能音箱由外部AC/DC壁式適配器或內部開(kāi)關(guān)模式電源供電。該電路可在發(fā)生故障時(shí)保護任何下游器件免受損壞。
圖1：實(shí)現智能音箱典型功能的參考框圖
輸入電源的主要問(wèn)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，可應對過(guò)流保護（OCP）和過(guò)壓保護（OVP）。
eFuse器件通�？梢詰獙CP和OVP，它通過(guò)集成MOSFET（功率金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管），以在這些故障事件下斷開(kāi)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18 V/4 A的保護。
對于OCP，常見(jiàn)的分立實(shí)現涉及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轉換器（ADC）以數字化測量值，要么饋入比較器以向微控制器提供即時(shí)警報。ADC路徑可精確測量系統中的電流，但由于A(yíng)DC的采樣頻率，會(huì )增加讀取測量時(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)數字輸出信號提示過(guò)流，而非實(shí)際的電流值。
ADC適用于需要精確測量電流的系統，且可靈活地動(dòng)態(tài)更改限值。INA185具有優(yōu)于±0.2%的滿(mǎn)量程精度，是業(yè)界最小的帶引線(xiàn)封裝的電流檢測放大器。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。
但是，在智能顯示器中，系統電壓高于18 V，因此需要更快的OCP警報。集成的eFuse器件可能無(wú)法在這樣的系統中運行，但電流檢測放大器和比較器結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(guò)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，且響應時(shí)間比其他同類(lèi)器件快50倍。
當系統電流超過(guò)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。根據系統的不同，此限值可設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(wú)論電流水平如何都能提供準確的警報，所有這些都在0.73 mm*0.73 mm的空間內。
圖3所示的分立式解決方案無(wú)需額外的板載穩壓器，從而節省了電路板空間，此外還同時(shí)適用于低壓和高壓智能音箱系統。相同的電路可適用于不同電源電壓水平的不同揚聲器型號，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化輸入電源保護設計。
圖3：如何設置INA185和TLV4041以生成高壓系統OCP警報信號的功能電路
在納入必要的無(wú)源元件之后，INA185（2.56mm2）和TLV4041（0.533mm2）結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(lèi)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。無(wú)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。 |
