Leiterplattentechnisch - Smart Lautsprecher Schaltung Design und Leiterplatte Schutz Tipps

Intelligente Audio-Leiterplattenfabrik verbessert weiterhin unsere Lebenserfahrung durch modernste künstliche Intelligenz Spracherkennungstechnologie und hohe Klangqualität. In Verbindung mit anderen Hausautomationsgeräten (wie Video-Türklingeln, Beleuchtungssystemen, Thermostaten und Sicherheitssystemen) werden Smart-Lautsprecher und Smart-Displays schnell zu den Leitstellen von Smart-Home-Netzwerken.

Um mit der ständig steigenden Marktnachfrage Schritt zu halten und eine führende Position zu halten, müssen Designer Smart-Lautsprecher nicht nur Funktionen hinzufügen und die Leistung verbessern, sondern auch deren Größe reduzieren und die Wärmeableitungsfähigkeit verbessern. Wie Halbleiterbauelemente höhere Leistung in kleineren Gehäusen erzielen, ist entscheidend, um die Größe der Leiterplatte in platzbeschränkten Anwendungen zu reduzieren.

Die meisten Leiterplatten integrieren Schlüsselkomponenten, die direkt auf das Benutzererlebnis Einfluss haben, wie ein On-Chip-Audiosystem, einen kapazitiven Touch-Mensch-Maschine-Interface-Controller mit haptischem Feedback, einen LED-Treiber-Motor und einen Class-D-Audioverstärker. Andere Komponenten des intelligenten Lautsprechersystems (z. B. Energiemanagement) haben keinen direkten Einfluss auf die Benutzererfahrung, sondern beeinflussen Größe und Kosten. Leiterplattenhersteller können ihre Leistung weiter verbessern und gleichzeitig die Größe dieser Komponenten reduzieren.

Die in Abbildung 1 gezeigte Eingangsstromschutzschaltung ist eine solche Komponente. Obwohl der Eingangsschutz in vielen Geräten manchmal als selbstverständlich angesehen wird, handelt es sich um eine Schlüsselschaltung in intelligenten Lautsprechern, die Schäden am gesamten System verhindern kann, wenn es eingeschaltet oder an eine unzuverlässige Stromversorgung angeschlossen wird. Der Smart Speaker wird über einen externen AC/DC-Wandadapter oder ein internes Schaltnetzteil mit Strom versorgt. Diese Schaltung kann alle nachgeschalteten Geräte vor Schäden schützen, wenn Störungen durch Ereignisse wie anormale Hochspannung oder Strom verursacht werden.

Abbildung 1: Referenzblockdiagramm zur Implementierung typischer Funktionen von Smart Speakers

eFuse-Geräte können in der Regel Überstromschutz (OCP) und Überspannungsschutz (OVP) erreichen. Es verwendet integrierte MOSFETs (Power Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistors), um alle nachgeschalteten Schaltungen zu trennen, wenn diese Fehler auftreten. eFuse-Geräte können auch Einschaltstrom während des Anlaufs verwalten, wodurch sichergestellt wird, dass die Systemspannung kontrolliert erhöht wird. Geräte wie TPS2595 sind in 2mm*2mm verpackt, die Schutz bis zu 18V/4A bieten können.

Für den Überstromschutz (OCP) ist eine übliche diskrete Implementierung die Verwendung eines Stromsensorverstärkers wie INA185, dessen Aufgabe es ist, den Strom über den Shunt-Widerstand zu messen. Der Ausgang des INA185 wird entweder in einen Analog-Digital-Wandler (ADC) eingespeist, um den Messwert zu digitalisieren, oder in einen Komparator eingespeist, um den Mikrocontroller sofort zu alarmieren. Der ADC-Pfad kann den Strom im System genau messen, aber aufgrund der Abtastfrequenz des ADC erhöht er die Verzögerung beim Lesen der Messung. Die Geschwindigkeit des Komparatorpfades ist etwa 1000-mal schneller als die des ADC, und es verbraucht weniger Strom, aber es liefert nur ein digitales Ausgangssignal, um anzuzeigen, dass Überstrom aufgetreten ist, anstatt den tatsächlichen Stromwert.

ADC eignet sich für Systeme, die Strom präzise messen müssen und die Grenzwerte flexibel dynamisch ändern können. Der INA185 hat eine vollwertige Genauigkeit besser als ±0,2%. Es ist derzeit der kleinste Strommessverstärker der Branche mit einem bleihaltigen Gehäuse, mit einer Größe von nur 1.6mm*1.6mm, der sehr gut für miniaturisierte Systeme geeignet ist, die das Layout der Leiterplatte optimieren müssen.

Bei intelligenten Displays ist die Systemspannung jedoch höher als 18V, so dass schnellere Überstromschutzalarme (OCP) erforderlich sind. Das integrierte eFuse-Gerät kann in einem solchen System möglicherweise nicht arbeiten, aber die Kombination aus einem Stromsensorverstärker und einem Komparator kann die gleiche Funktion bieten und gleichzeitig die Flexibilität erhöhen und minimalen Platzbedarf auf der Platine einnehmen. Der Nanosekunden-Delay-Komparator wie TLV4041 verbraucht nur 2μA Stromversorgungsstrom und kann mit einer einfachen Zenerdiode betrieben werden. Die kombinierte Lösungsgröße von INA185 und TLV4041 beträgt 5mm2, und die Reaktionsgeschwindigkeit ist 50-mal schneller als andere ähnliche Geräte.

Wenn der Systemstrom einen benutzerdefinierten Schwellenwert überschreitet, kann der Einsatz von Verstärkern wie INA185 mit einem schnellen Komparator schnelle und genaue Überstromschutzalarme (OCP) liefern. Je nach System kann diese Grenze von wenigen Milliamperen auf wenige Ampere gesetzt werden. Der TLV4041 integriert auch eine hochpräzise Spannungsreferenz (1% Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich von -40°C bis +125°C), die genaue Alarme unabhängig vom Strompegel liefert, alles bei 0,73mm* Realisiert in 0,73mm Raum.

Die diskrete Lösung in Abbildung 2 benötigt keinen zusätzlichen Bordspannungsregler und spart somit Platz auf der Platine. Es eignet sich für Nieder- und Hochspannungs-intelligente Lautsprechersysteme und kann auch für verschiedene Lautsprechermodelle mit unterschiedlichen Spannungsniveaus für die Stromversorgung verwendet werden, um das Design des Eingangsstromschutzes weiter zu vereinfachen.

Nach dem Einbau der notwendigen passiven Komponenten nimmt die kombinierte Lösung aus INA185 (2.56mm2) und TLV4041 (0.533mm2) ca. 5mm2 Plattenfläche ein. Die Gesamtgröße der Lösung ist 15% kleiner als vergleichbare integrierte Geräte, die Stromerfassung ermöglichen. Darüber hinaus beträgt die Verzögerung von TLV4041 nur 450ns, was die kombinierte Lösung viel schneller macht als eine Lösung, die einen universellen Komparator und einen Stromsensorverstärker integriert.