PCB科技 - 智慧揚聲器電路設計和電路板保護提示

智慧音訊電路板廠 通過尖端的人工智慧語音辨識科技和高音質，不斷改善我們的生活體驗. When used in conjunction with other home automation equipment (such as video doorbells, 照明系統, thermostats and security systems), 智慧揚聲器和智慧顯示器將很快成為智能家居網絡的控制中心.

為了跟上不斷增長的市場需求並保持領先地位，設計師不僅需要為智慧揚聲器添加功能並提高效能，還需要减小其尺寸並提高散熱能力。 在空間受限的應用中，如何使半導體器件在更小的封裝中實現更高的效能對於减小電路板的尺寸至關重要。

大多數 電路板 集成直接影響用戶體驗的關鍵組件, 例如片上音訊系統, 一種具有觸覺迴響的電容式觸摸人機界面控制器, LED驅動引擎和D類音訊放大器. Other components in the smart speaker system (such as power management) will not directly affect the user experience, 但會影響規模和成本. 電路板廠 設計師可以繼續改進其效能，同時减小這些組件的尺寸.

圖1所示的輸入電源保護電路就是這樣一個部件。 雖然在許多設備中，輸入保護有時被認為是理所當然的，但它是智慧揚聲器中的一個關鍵電路，可以防止在通電或連接到不可靠電源時損壞整個系統。 智慧揚聲器由外部交流/直流牆壁轉接器或內部開關電源供電。 當异常高壓或電流等事件導致故障時，該電路可保護任何下游設備免受損壞。

圖1：實現智慧揚聲器典型功能的參攷方框圖

eFuse設備通常可以實現過電流保護（OCP）和過電壓保護（OVP）。 當這些故障發生時，它使用集成MOSFET（功率金屬氧化物半導體場效應電晶體）斷開所有下游電路。 eFuse設備還可以在啟動期間管理浪湧電流，確保系統電壓以受控管道新增。 TPS2595等設備採用2mm×2mm封裝，可提供高達18V/4A的保護。

對於過電流保護（OCP），常見的離散實現涉及使用電流感應放大器，如INA185，其作用是量測分流電阻器上的電流。 INA185的輸出要麼饋入模數轉換器（ADC）以將測量值數位化，要麼饋入比較器以向微控制器提供即時報警。 ADC路徑可以精確量測系統中的電流，但由於ADC的採樣頻率，它會新增讀取測量值的延遲。 比較器路徑的速度大約是ADC路徑的1000倍，並且功耗更低，但它只提供數位輸出信號來訓示發生過電流，而不是實際電流值。

ADC適用於需要精確量測電流的系統, 並且可以靈活地動態更改限制. INA185的滿標度精度優於±0.2%. 它是現時業界最小的帶引線封裝的電流感應放大器, 大小僅為1.6毫米*1.6mm, 這非常適合需要優化電路板佈局的小型化系統.

然而，在智慧顯示器中，系統電壓高於18V，囙此需要更快的過電流保護（OCP）報警。 集成eFuse設備可能無法在這樣的系統中運行，但電流感應放大器和比較器的組合可以提供相同的功能，同時新增靈活性並佔用最小的板空間。 像TLV4041這樣的納秒延遲比較器只消耗2mA的電源電流，可以由一個簡單的齊納二極體供電。 INA185和TLV4041的組合溶液尺寸為5mm2，響應速度比其他類似設備快50倍。

當系統電流超過自定義閾值時，使用帶有快速比較器的放大器（如INA185）可以提供快速準確的過電流保護（OCP）報警。 根據系統的不同，此限值可以設定為從幾毫安培到幾安培。 TLV4041還集成了高精度（在-40°C至+125°C的整個溫度範圍內精度為1%）參攷電壓，無論電流水准如何，都能在0.73mm*的空間內提供準確的報警。

圖2所示的離散解決方案不需要額外的車載電壓調節器，從而節省了電路板空間。 它適用於低壓和高壓智慧揚聲器系統，也可用於不同型號、不同電源電壓等級的揚聲器，進一步簡化輸入電源保護設計。

在加入必要的無源元件後，INA185（2.56mm2）和TLV4041（0.533mm2）的組合解決方案佔用了大約5mm2的板空間。 該解決方案的總體尺寸比提供電流傳感的類似集成設備小15%。 此外，TLV4041的延遲僅為450ns，這使得組合解決方案比集成通用比較器和電流感應放大器的解決方案快得多。