【導讀】智能音箱通過尖端的人工智能語音識別技術和高音質來持續提升我們的生活體驗。當與其他的家庭自動化設備（如可視門鈴、照明系統、恒溫器和安保系統）配合使用時，智能音箱和智能顯示器會迅速成為智能家居網絡的控制中心。
智能音箱通過尖端的人工智能語音識別技術和高音質來持續提升我們的生活體驗。當與其他的家庭自動化設備（如可視門鈴、照明系統、恒溫器和安保系統）配合使用時，智能音箱和智能顯示器會迅速成為智能家居網絡的控制中心。
為跟上不斷增長的市場需求并保持領先地位，設計人員不僅需要為智能音箱增加功能，提升性能，還需要減小其尺寸并提高散熱能力。如何讓半導體器件在較小的封裝中實現更高性能，對于減少空間受限應用中的電路板尺寸至關重要。
大多數電路板上集成了直接影響用戶體驗的關鍵組件，如片上音頻系統、帶觸覺反饋的電容式觸摸人機接口控制器，以及LED驅動器引擎和D類音頻放大器。智能音箱系統中的其他組件（如電源管理）不會直接影響用戶體驗，但會影響尺寸和成本。設計人員可以在減小這些組件尺寸的同時，繼續提升其性能。
圖1所示的輸入電源保護電路就是這樣一個組件。輸入保護雖然有時在許多器件中被認為是理所當然的存在，但它是智能音箱中的一個關鍵電路，可防止在上電或連接不可靠的電源時損壞整個系統。智能音箱由外部AC/DC壁式適配器或內部開關電源供電。該電路可在由于非正常高電壓或電流等事件引起故障時，保護任何下游器件免受損壞。
圖1：實現智能音箱典型功能的參考框圖
eFuse器件通常可以實現過流保護（OCP）和過壓保護（OVP）。它通過集成MOSFET（功率金屬氧化物半導體場效應晶體管），在發生這些故障時斷開所有下游電路。eFuse器件還可在啟動期間管理浪涌電流，確保系統電壓以受控方式增加。TPS2595等器件采用2mm×2mm封裝，可提供高達18V/4A的保護。
對于過流保護（OCP），常見的分立實現會涉及到使用電流檢測放大器，如INA185，其作用是測量分流電阻兩端的電流。INA185的輸出要么饋入模數轉換器（ADC）以數字化測量值，要么饋入比較器以向微控制器提供即時警報。ADC路徑可精確測量系統中的電流，但由于ADC的采樣頻率，會增加讀取測量時的延遲。而比較器路徑的速度比ADC約快1000倍，功耗也更少，但只是提供一個數字輸出信號提示發生過流，而非實際的電流值。
ADC適用于需要精確測量電流的系統，且可靈活地動態更改限值。INA185具有優于±0.2%的滿量程精度，是目前業界最小的帶引線封裝的電流檢測放大器，尺寸僅為1.6mm×1.6mm，非常適合需要優化電路板布局的小型化系統。
但是，在智能顯示器中，系統電壓高于18V，因此需要更快的過流保護（OCP）警報。集成的eFuse器件可能無法在這樣的系統中運行，但電流檢測放大器和比較器結合使用可提供相同的功能，同時增加靈活性，并占用極小的電路板空間。TLV4041等納秒延時比較器僅消耗2μA的電源電流，可通過簡易的齊納二極管供電。INA185和TLV4041組合使用的解決方案尺寸為5mm2，且響應速度比其他同類器件快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INA185等放大器可提供快速、精確的過流保護（OCP）警報。根據系統的不同，此限值可設置為幾毫安到幾安培。TLV4041還集成了一個高精度（在-40°C至+ 125°C的整個溫度范圍內精度為1%）的電壓參考，無論電流水平如何都能提供準確的警報，所有這些都在0.73mm*0.73mm的空間內實現。
圖2所示的分立式解決方案無需額外的板載穩壓器，從而節省了電路板空間，適用于低壓和高壓智能音箱系統，還可用于不同電源電壓水平的不同揚聲器型號，以進一步簡化輸入電源保護設計。
圖2：如何設置INA185和TLV4041以生成高壓系統過流保護（OCP）警報信號的功能電路
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，這使得組合解決方案比集成通用比較器和電流檢測放大器的解決方案快得多。
