清晨7點(diǎn)，當(dāng)咖啡機(jī)開(kāi)始工作，掃地機(jī)器人已悄然完成全屋清掃——這不再是科幻電影的場(chǎng)景，而是當(dāng)代家庭的日常。Statista數(shù)據(jù)顯示，2024年全球清潔機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)150億美元，預(yù)計(jì)到2030年將以12%的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)。

如何設(shè)計(jì)一款掃地機(jī)器人

在直徑30厘米的機(jī)身內(nèi)，藏著堪比精密儀器的技術(shù)博弈：如何讓電機(jī)更安靜卻更有力？怎樣在狹小空間塞入續(xù)航更久的電池？傳感器如何像貓須般敏銳感知環(huán)境？其答案都離不開(kāi)半導(dǎo)體技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的平衡。

設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人前，需先了解其工作原理。掃地機(jī)器人借助IR傳感器陣列感知障礙、地面及集塵盒狀況，ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給MCU處理，實(shí)現(xiàn)自主清掃、避障及回充等功能。電源則將市電轉(zhuǎn)換為直流為鋰電池充電，并以電池平衡IC確保充放電安全。掃地機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)框圖如下所示：

圖1. 掃地器人標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

在掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)中，高效率、低功耗與小型化至關(guān)重要。東芝為電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)輸入等單元提供各類半導(dǎo)體產(chǎn)品及電路配置示例。

在掃地機(jī)器人中有多個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)，如吸氣風(fēng)扇電機(jī)、主刷電機(jī)、側(cè)刷電機(jī)和牽引電機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用東芝智能功率器件（IPD）TPD7212FN以及內(nèi)置電荷泵的3相全橋功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和反向電源連接保護(hù)等功能，簡(jiǎn)化3相全橋電路配置。

另外還使用東芝直流無(wú)刷電機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC、U－MOS系列N溝道MOSFET、低噪聲運(yùn)算放大器和MCU。

圖2. 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（IPD＋MOSFET）

在直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（IPD＋MOSFET／預(yù)驅(qū)動(dòng)器＋MOSFET）電源部分，電子保險(xiǎn)絲和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器則分別采用東芝TCKE800xx和TCK4xxx等。

圖3. 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

（IPD＋MOSFET／預(yù)驅(qū)動(dòng)器＋MOSFET）電源部分

3相直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用東芝TB67B001FTG直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)改變PWM占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4. 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC）

圖5. 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（IPD＋MOSFET）

另外，直流無(wú)刷及有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路都使用了東芝H橋IPD和U－MOS系列P溝道MOSFET或N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器IC等產(chǎn)品。

圖6. 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC）

在狀態(tài)顯示LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，東芝雙極晶體管（2SC2712、HN1B01FU等）具備高電壓與電流處理能力、出色的電流增益和低噪聲性能，能從容應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境下的高電壓需求。

圖7. 用于狀態(tài)顯示的LED驅(qū)動(dòng)電路

在反激式AC－DC電路里，東芝晶體管輸出光耦器TLP383用作反饋電路，以提升安全性，降低功耗，減小終端尺寸。TLP383開(kāi)關(guān)速度更快，關(guān)斷時(shí)間僅為30μs。

圖8. 光耦反激式AC－DC轉(zhuǎn)換器反饋電路

在Wi-Fi／藍(lán)牙電路中，內(nèi)核芯片電源和天線保護(hù)電路選用東芝TCR15AG系列等小型表面貼裝LDO穩(wěn)壓器，以驅(qū)動(dòng)1.5A高電流，滿足Wi－Fi芯片的電源需求。東芝TVS二極管DF2B5M4SL等可有效防止移動(dòng)設(shè)備受靜電放電與噪聲影響。

圖9. Wi-Fi／藍(lán)牙電路

光電二極管紅外傳感器電路里的東芝運(yùn)算放大器TC75S67TU具有低噪聲特性，能延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池續(xù)航，適用于小型化產(chǎn)品。

圖10. 使用光電二極管的紅外傳感器電路

MCU選擇上，東芝M4K族TXZ＋TM 4A系列、M470族TX04系列及M370族TX03系列都值得考慮。這些MCU配備可編程電機(jī)控制電路、編碼器輸入電路、高級(jí)矢量引擎、高速12位AD轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器等，是電機(jī)／變頻器控制的理想之選。

智能清潔未來(lái)已來(lái)

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