【導讀】隨著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。設備上開始集成了越來越多的半導體組件，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現(xiàn)更高性能。
以輸入功率保護電路為例，雖然其執(zhí)行的任務不會直接影響用戶體驗，但簡化該組件對優(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化輸入功率保護設計的。
智能音箱通過尖端的語音識別人工智能技術(shù)和高音質(zhì)來持續(xù)提升我們的生活體驗。當與其他的家庭自動化設備（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正迅速成為智能家居網(wǎng)絡的控制中心。
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現(xiàn)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(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的人機接口控制器，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）執(zhí)行的任務不會直接影響用戶體驗，但會影響尺寸和成本。設計人員可以在減小這些組件尺寸的同時，繼續(xù)提升其性能。
一個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)模式電源供電。該電路可在發(fā)生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
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，可應對過流保護（OCP）和過壓保護（OVP）。
eFuse器件通常可以應對OCP和OVP，它通過集成MOSFET（功率金屬氧化物半導體場效應晶體管），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18 V/4 A的保護。
對于OCP，常見的分立實現(xiàn)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(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。比較器路徑快約1000倍（同時功率消耗更少），但僅提供一個數(shù)字輸出信號提示過流，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，是業(yè)界最小的帶引線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(tǒng)。
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。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。TI的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5 mm2，且響應時間比其他同類器件快50倍。
當系統(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OCP警報。根據(jù)系統(tǒng)的不同，此限值可設置為幾毫安到幾安培。TLV4041還集成了一個高精度（全溫度范圍1%）的電壓參考，無論電流水平如何都能提供準確的警報，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聲器型號，以進一步簡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(tǒng)
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影響性能的解決方案。
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