PCB Tecnico - Progettazione intelligente del circuito degli altoparlanti e consigli di protezione del circuito

La fabbrica di circuiti stampati audio intelligente continua a migliorare la nostra esperienza di vita attraverso la tecnologia di riconoscimento vocale di intelligenza artificiale all'avanguardia e l'alta qualità del suono. Se utilizzati in combinazione con altre apparecchiature domotiche (come campanelli video, sistemi di illuminazione, termostati e sistemi di sicurezza), altoparlanti intelligenti e display intelligenti diventeranno rapidamente i centri di controllo delle reti domestiche intelligenti.

Per tenere il passo con la domanda sempre crescente del mercato e mantenere una posizione di leadership, i progettisti non solo devono aggiungere funzionalità e migliorare le prestazioni agli altoparlanti intelligenti, ma devono anche ridurre le loro dimensioni e migliorare le capacità di dissipazione del calore. Il modo in cui i dispositivi a semiconduttore raggiungono prestazioni più elevate in pacchetti più piccoli è fondamentale per ridurre le dimensioni del circuito stampato in applicazioni a spazio limitato.

La maggior parte dei circuiti integrati integra componenti chiave che influenzano direttamente l'esperienza dell'utente, come un sistema audio on-chip, un controller di interfaccia uomo-macchina touch capacitivo con feedback tattile, un motore driver LED e un amplificatore audio classe D. Altri componenti del sistema di altoparlanti intelligenti (come la gestione dell'alimentazione) non influiscono direttamente sull'esperienza dell'utente, ma influiscono sulle dimensioni e sui costi. I progettisti della fabbrica di circuiti stampati possono continuare a migliorare le loro prestazioni riducendo al contempo le dimensioni di questi componenti.

Il circuito di protezione dell'alimentazione in ingresso mostrato nella figura 1 è tale componente. Sebbene la protezione degli ingressi sia talvolta data per scontata in molti dispositivi, è un circuito chiave negli altoparlanti intelligenti che può prevenire danni all'intero sistema quando è acceso o collegato a un alimentatore inaffidabile. Lo smart speaker è alimentato da un adattatore esterno AC/DC a parete o da un alimentatore switching interno. Questo circuito può proteggere qualsiasi dispositivo a valle da danni quando malfunzionamenti sono causati da eventi come alta tensione o corrente anormale.

Figura 1: Diagramma a blocchi di riferimento per l'implementazione delle funzioni tipiche degli altoparlanti intelligenti

I dispositivi eFuse di solito possono ottenere protezione da sovracorrente (OCP) e protezione da sovratensione (OVP). Utilizza MOSFET integrati (transistor ad effetto semiconduttore dell'ossido di metallo di potenza) per scollegare tutti i circuiti a valle quando questi guasti si verificano. I dispositivi eFuse possono anche gestire la corrente di ingresso durante l'avvio, assicurando che la tensione del sistema sia aumentata in modo controllato. Dispositivi come TPS2595 sono confezionati in 2mm * 2mm, che possono fornire protezione fino a 18V / 4A.

Per la protezione da sovracorrente (OCP), un'implementazione discreta comune prevede l'uso di un amplificatore a senso corrente, come INA185, il cui ruolo è quello di misurare la corrente attraverso la resistenza shunt. L'uscita dell'INA185 viene alimentata in un convertitore analogico-digitale (ADC) per digitalizzare il valore misurato, oppure alimentata in un comparatore per fornire un allarme istantaneo al microcontrollore. Il percorso ADC può misurare accuratamente la corrente nel sistema, ma a causa della frequenza di campionamento dell'ADC, aumenterà il ritardo nella lettura della misura. La velocità del percorso del comparatore è circa 1000 volte più veloce di quella dell'ADC e consuma meno energia, ma fornisce solo un segnale di uscita digitale per indicare che si è verificata una sovracorrente, piuttosto che il valore corrente effettivo.

ADC è adatto per sistemi che hanno bisogno di misurare con precisione la corrente e possono modificare in modo flessibile il limite dinamicamente. L'INA185 ha una precisione completa migliore di ±0,2%. Attualmente è l'amplificatore di corrente più piccolo del settore con un pacchetto di piombo, con una dimensione di solo 1.6mm * 1.6mm, che è molto adatto per sistemi miniaturizzati che hanno bisogno di ottimizzare il layout del circuito stampato.

Tuttavia, nei display intelligenti, la tensione del sistema è superiore a 18V, quindi sono necessari allarmi OCP (sovracorrente) più veloci. Il dispositivo eFuse integrato potrebbe non essere in grado di funzionare in tale sistema, ma la combinazione di un amplificatore di senso di corrente e un comparatore può fornire la stessa funzione aumentando la flessibilità e occupando minimo spazio sulla scheda. Il comparatore di ritardo nanosecondo come TLV4041 consuma solo 2μA di corrente di alimentazione e può essere alimentato da un semplice diodo Zener. La dimensione combinata della soluzione INA185 e TLV4041 è di 5mm2 e la velocità di risposta è 50 volte più veloce rispetto ad altri dispositivi simili.

Quando la corrente del sistema supera una soglia personalizzata, l'utilizzo di amplificatori come INA185 con un comparatore veloce può fornire allarmi di protezione da sovracorrente (OCP) veloci e precisi. A seconda del sistema, questo limite può essere impostato da pochi milliampere a pochi ampere. Il TLV4041 integra anche un riferimento di tensione ad alta precisione (precisione dell'1% su tutto il range di temperatura da -40°C a +125°C), che fornisce allarmi accurati indipendentemente dal livello di corrente, il tutto a 0,73 mm* realizzato in 0,73 mm di spazio.

La soluzione discreta mostrata nella Figura 2 non richiede un regolatore di tensione aggiuntivo di bordo, risparmiando così spazio sul bordo. È adatto a sistemi di altoparlanti intelligenti a bassa tensione e ad alta tensione e può anche essere utilizzato per diversi modelli di altoparlanti con diversi livelli di tensione di alimentazione per semplificare ulteriormente la progettazione di protezione dell'alimentazione in ingresso.

Dopo aver incorporato i componenti passivi necessari, la soluzione combinata di INA185 (2,56 mm2) e TLV4041 (0,533 mm2) occupa circa 5 m2 di spazio di bordo. La dimensione complessiva della soluzione è inferiore del 15% rispetto a dispositivi integrati simili che forniscono il rilevamento della corrente. Inoltre, il ritardo di TLV4041 è di soli 450ns, il che rende la soluzione combinata molto più veloce di una soluzione che integra un comparatore universale e un amplificatore di senso corrente.