如何優(yōu)化智能家具的輸入功率保護(hù)
發(fā)布時(shí)間:2019-11-13 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著智慧家庭概念的普及,消費(fèi)者對(duì)于智能家居的功能和性能需求不斷增長(zhǎng)。設(shè)備上開始集成了越來越多的半導(dǎo)體組件,設(shè)計(jì)的難題之一就是如何讓半導(dǎo)體器件在較小的封裝中實(shí)現(xiàn)更高性能。
以輸入功率保護(hù)電路為例,雖然其執(zhí)行的任務(wù)不會(huì)直接影響用戶體驗(yàn),但簡(jiǎn)化該組件對(duì)優(yōu)化設(shè)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(jiǎn)化輸入功率保護(hù)設(shè)計(jì)的。
智能音箱通過尖端的語音識(shí)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(yàn)。當(dāng)與其他的家庭自動(dòng)化設(shè)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(shí),智能音箱和智能顯示器正迅速成為智能家居網(wǎng)絡(luò)的控制中心。
為跟上不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求并保持領(lǐng)先地位,設(shè)計(jì)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(dǎo)體器件在較小的封裝中實(shí)現(xiàn)更高性能,將對(duì)減小電路板在空間受限的應(yīng)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(yàn)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(jī)接口控制器,以及LED驅(qū)動(dòng)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(wù)不會(huì)直接影響用戶體驗(yàn),但會(huì)影響尺寸和成本。設(shè)計(jì)人員可以在減小這些組件尺寸的同時(shí),繼續(xù)提升其性能。
一個(gè)特定的組件是輸入電源保護(hù)電路,如圖1所示。輸入保護(hù)雖然有時(shí)在許多器件中被認(rèn)為是理所當(dāng)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(shí)損壞整個(gè)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(shí)保護(hù)任何下游器件免受損壞。
圖1:實(shí)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(yīng)對(duì)過流保護(hù)(OCP)和過壓保護(hù)(OVP)。
eFuse器件通??梢詰?yīng)對(duì)OCP和OVP,它通過集成MOSFET(功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(dòng)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(dá)18 V/4 A的保護(hù)。
對(duì)于OCP,常見的分立實(shí)現(xiàn)涉及使用電流檢測(cè)放大器,如INA185,其作用是測(cè)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(cè)量值,要么饋入比較器以向微控制器提供即時(shí)警報(bào)。ADC路徑可精確測(cè)量系統(tǒng)中的電流,但由于ADC的采樣頻率,會(huì)增加讀取測(cè)量時(shí)的延遲。比較器路徑快約1000倍(同時(shí)功率消耗更少),但僅提供一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)提示過流,而非實(shí)際的電流值。
ADC適用于需要精確測(cè)量電流的系統(tǒng),且可靈活地動(dòng)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(cè)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(bào)。集成的eFuse器件可能無法在這樣的系統(tǒng)中運(yùn)行,但電流檢測(cè)放大器和比較器結(jié)合使用可提供相同的功能,同時(shí)增加靈活性,并占用極小的電路板空間。TI的TLV4041等納秒延時(shí)比較器僅消耗2μA的電源電流,可通過簡(jiǎn)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(yīng)時(shí)間比其他同類器件快50倍。
當(dāng)系統(tǒng)電流超過自定義閾值時(shí),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(bào)。根據(jù)系統(tǒng)的不同,此限值可設(shè)置為幾毫安到幾安培。TLV4041還集成了一個(gè)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(zhǔn)確的警報(bào),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(shí)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(yáng)聲器型號(hào),以進(jìn)一步簡(jiǎn)化輸入電源保護(hù)設(shè)計(jì)。
圖3:如何設(shè)置INA185和TLV4041以生成高壓系統(tǒng)
OCP警報(bào)信號(hào)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(cè)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(cè)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(hù)。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(huì)影響性能的解決方案。
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