Teknik PCB - Rancangan sirkuit berbicara cerdas dan tip perlindungan papan sirkuit

Fabrik papan sirkuit audio bijak terus meningkatkan pengalaman hidup kita melalui teknologi pengenalan pidato kecerdasan buatan terbaik dan kualiti bunyi tinggi. Apabila digunakan bersama dengan peralatan automati rumah lain (seperti bel pintu video, sistem pencahayaan, termostat dan sistem keselamatan), pembicara pintar dan paparan pintar akan cepat menjadi pusat kawalan rangkaian rumah pintar.

Untuk menjaga permintaan pasar yang semakin meningkat dan menjaga kedudukan pemimpin, para desainer tidak hanya perlu menambah ciri-ciri dan meningkatkan prestasi kepada pembicara pintar, tetapi juga perlu mengurangi saiz mereka dan meningkatkan kemampuan penyebaran panas. Bagaimana membuat peranti setengah konduktor mencapai prestasi yang lebih tinggi dalam pakej yang lebih kecil adalah penting untuk mengurangkan saiz papan sirkuit dalam aplikasi yang dikuasai ruang.

Kebanyakan papan sirkuit mengintegrasikan komponen kunci yang secara langsung mempengaruhi pengalaman pengguna, seperti sistem audio on-chip, pengawal antaramuka manusia-mesin sentuhan kapasitif dengan balas balik haptik, enjin pemacu LED dan amplifier audio kelas-D. Komponen lain dalam sistem pembicara pintar (seperti pengurusan kuasa) tidak akan mempengaruhi secara langsung pengalaman pengguna, tetapi akan mempengaruhi saiz dan kos. Penjana kilang papan litar boleh terus meningkatkan prestasi mereka sambil mengurangi saiz komponen ini.

Sirkuit perlindungan kuasa input yang dipaparkan dalam Figur 1 adalah komponen seperti ini. Walaupun perlindungan input kadang-kadang dianggap sebagai dibenarkan dalam banyak peranti, ia adalah sirkuit kunci dalam speaker cerdas yang boleh mencegah kerosakan kepada seluruh sistem apabila ia diaktifkan atau disambungkan dengan bekalan kuasa yang tidak dipercayai. Penutur pintar diaktifkan oleh penyesuaian dinding AC/DC luaran atau bekalan kuasa penukaran dalaman. Sirkuit ini boleh melindungi mana-mana peranti turun dari kerosakan bila kerosakan disebabkan oleh peristiwa seperti tenaga tinggi yang tidak normal atau semasa.

Figure 1: Diagram blok rujukan untuk melaksanakan fungsi biasa bagi pembicara cerdas

Peranti eFuse biasanya boleh mencapai perlindungan over-current (OCP) dan over-voltage protection (OVP). Ia menggunakan MOSFET terintegrasi (transistor kesan medan oksid logam kuasa) untuk memadamkan semua sirkuit bawah apabila kesalahan ini berlaku. Peranti eFuse juga boleh mengendalikan semasa permulaan semasa semasa semasa pemulaan, memastikan tenaga sistem meningkat dengan cara yang dikawal. Peranti seperti TPS2595 dikemas dalam 2mm*2mm, yang boleh memberikan perlindungan hingga 18V/4A.

Untuk perlindungan semasa-berlebihan (OCP), pelaksanaan diskret umum melibatkan penggunaan penyembah sens semasa, seperti INA185, yang peranan adalah untuk mengukur semasa di seluruh resistor shunt. Output INA185 sama ada dimasukkan ke dalam penyukar analog-ke-digital (ADC) untuk digitalisasikan nilai diukur, atau dimasukkan ke dalam penyukar untuk menyediakan penggera segera kepada pengendali mikro. Laluan ADC boleh mengukur semasa dalam sistem dengan tepat, tetapi disebabkan frekuensi pengumpulan ADC, ia akan meningkatkan lambat dalam membaca pengukuran. Kelajuan laluan perbandingan adalah kira-kira 1000 kali lebih cepat daripada yang ADC, dan ia mengkonsumsi kurang kuasa, tetapi ia hanya menyediakan isyarat output digital untuk menunjukkan bahawa overcurrent telah berlaku, daripada nilai semasa sebenar.

ADC sesuai untuk sistem yang perlu mengukur semasa dengan tepat, dan boleh mengubah had secara dinamik secara fleksibel. INA185 mempunyai ketepatan skala penuh yang lebih baik daripada ±0.2%. Ia adalah pengangkat sensasi semasa paling kecil industri dengan pakej yang memimpin, dengan saiz hanya 1.6mm*1.6mm, yang sangat sesuai untuk sistem miniatur yang perlu optimasi bentangan papan sirkuit.

Namun, dalam paparan cerdas, tekanan sistem lebih tinggi dari 18V, jadi penggera perlindungan terlalu cepat (OCP) diperlukan. Peranti eFuse terintegrasi mungkin tidak mampu beroperasi dalam sistem seperti itu, tetapi kombinasi penyampai perasaan semasa dan pembaraban boleh menyediakan fungsi yang sama semasa meningkatkan fleksibiliti dan mengambil ruang papan minimal. Pemperbandingan lambat nano sekonda seperti TLV4041 hanya memakan 2μA semasa bekalan kuasa dan boleh diaktifkan oleh diod Zener sederhana. Saiz penyelesaian kombinasi bagi INA185 dan TLV4041 adalah 5mm2, dan kelajuan balas 50 kali lebih cepat daripada peranti yang sama lain.

Apabila semasa sistem melebihi ambang suai, penggunaan penyampai seperti INA185 dengan perbandingan cepat boleh menyediakan penggera perlindungan terlalu cepat dan tepat (OCP). Bergantung pada sistem, had ini boleh ditetapkan dari beberapa miliamper ke beberapa amper. The TLV4041 also integrates a high-precision (1% accuracy over the entire temperature range of -40°C to +125°C) voltage reference, which provides accurate alarms regardless of the current level, all at 0.73mm* Realized in 0.73mm space.

Solusi diskret yang dipaparkan dalam Figur 2 tidak memerlukan pengatur tenaga dalam papan tambahan, jadi menyimpan ruang papan. Ia sesuai untuk sistem tombol pintar tenaga rendah dan tenaga tinggi, dan juga boleh digunakan untuk model tombol berbeza dengan aras tenaga bekalan kuasa yang berbeza untuk mempermudahkan lagi rancangan perlindungan kuasa masukan.

Selepas memasukkan komponen pasif yang diperlukan, penyelesaian kombinasi INA185 (2.56mm2) dan TLV4041 (0.533 mm2) menguasai sekitar 5 mm2 ruang papan. Saiz keseluruhan penyelesaian adalah 15% lebih kecil daripada peranti terintegrasi yang sama yang menyediakan pengesan semasa. Selain itu, lambat TLV4041 hanya 450ns, yang membuat penyelesaian kombinasi jauh lebih cepat daripada penyelesaian yang mengintegrasikan pembaraban universal dan penyampai sens semasa.