【导语】清晨7点，咖啡机与扫地机器人共舞，已成为当代家庭的日常写照。随着科技的进步，清洁机器人市场蓬勃发展，预计到2030年将持续增长。设计一款高效的扫地机器人，离不开半导体技术与系统设计的精妙平衡。东芝作为半导体领域的佼佼者，为扫地机器人的高效、低功耗与小型化设计提供了全方位的支持，助力打造更智能的家居清洁伙伴。本文将深入探讨扫地机器人的设计要点及东芝半导体在其中发挥的关键作用。
清晨7点，当咖啡机开始工作，扫地机器人已悄然完成全屋清扫——这不再是科幻电影的场景，而是当代家庭的日常。Statista数据显示，2024年全球清洁机器人市场规模已达150亿美元，预计到2030年将以12%的年复合增长率持续增长。
如何设计一款扫地机器人
在直径30厘米的机身内，藏着堪比精密仪器的技术博弈：如何让电机更安静却更有力？怎样在狭小空间塞入续航更久的电池？传感器如何像猫须般敏锐感知环境？其答案都离不开半导体技术与系统设计的平衡。
设计扫地机器人前，需先了解其工作原理。扫地机器人借助IR传感器阵列感知障碍、地面及集尘盒状况，ADC将模拟信号转换为数字信号给MCU处理，实现自主清扫、避障及回充等功能。电源则将市电转换为直流为锂电池充电，并以电池平衡IC确保充放电安全。扫地机器人的标准系统框图如下所示：
图1. 扫地器人标准系统框图
在扫地机器人设计中，高效率、低功耗与小型化至关重要。东芝为电源、电机驱动、传感器信(xìn)号输入等(děng)单(dān)元(yuán)提(tí)供(gōng)各(gè)类(lèi)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)产(chǎn)品(pǐn)及(jí)电(diàn)路配(pèi)置(zhì)示(shì)例(lì)。
在(zài)扫(sǎo)地(de)机(jī)器(qì)人(rén)中(zhōng)有(yǒu)多(duō)个(gè)直(zhí)流(liú)无(wú)刷(shuā)电(diàn)机(jī)，如(rú)吸(xī)气(qì)风(fēng)扇(shàn)电(diàn)机(jī)、主刷电机、侧刷电机和牵引电机。直流无刷电机驱动电路采用东芝智能功率器件（IPD）TPD7212FN以及内置电荷泵的3相全桥功率MOSFET驱动器，实现过流保护和反向电源连接保护等功能，简化3相全桥电路配置。
另外还使用东芝直流无刷电机预驱动器IC、U－MOS系列N沟道MOSFET、低噪声运算放大器和MCU。
图2. 直流无刷电机驱动电路（IPD＋MOSFET）
在直流无刷电机驱动电路（IPD＋MOSFET／预驱动器＋MOSFET）电源部分，电子保险丝和MOSFET栅极驱动器则分别采用东芝TCKE800xx和TCK4xxx等。
图3. 直流无刷电机驱动电路
（IPD＋MOSFET／预驱动器＋MOSFET）电源部分
3相直流无刷电机驱动电路中采用东芝TB67B001FTG直流无刷电机驱动器，通过改变PWM占空比来控制电机转速。
图4. 直流无刷电机驱动电路（电机驱动(dòng)IC）
图5. 直流有刷电机驱动电路（IPD＋MOSFET）
另外，直流无刷及有刷电机驱动电路都使用了东芝H桥IPD和U－MOS系列P沟道MOSFET或N沟道MOSFET栅极驱动器IC等产品。
图6. 直流有刷电机驱动电路（电机驱动IC）
在状态显示LED驱动电路设计中，东芝双极晶体管（2SC2712、HN1B01FU等）具备高电压与电流处理能力、出色的电流增益和低噪声性能，能从容应对严苛环境下的高电压需求。
图7. 用于状态显示的LED驱动电路
在反激式AC－DC电路里，东芝晶体管输出光耦器TLP383用作反馈电路，以提升安全性，降低功耗，减小终端尺寸。TLP383开关速度更快，关断时间仅为30μs。
图(tú)8. 光(guāng)耦(ǒu)反(fǎn)激(jī)式(shì)AC－DC转(zhuǎn)换(huàn)器(qì)反(fǎn)馈(kuì)电(diàn)路
在(zài)Wi-Fi／蓝(lán)牙(yá)电(diàn)路中(zhōng)，内(nèi)核(hé)芯(xīn)片(piàn)电(diàn)源(yuán)和(hé)天(tiān)线(xiàn)保(bǎo)护(hù)电(diàn)路选(xuǎn)用(yòng)东(dōng)芝(zhī)TCR15AG系(xì)列(liè)等(děng)小(xiǎo)型(xíng)表(biǎo)面(miàn)贴(tiē)装(zhuāng)LDO稳(wěn)压(yā)器(qì)，以(yǐ)驱(qū)动(dòng)1.5A高(gāo)电(diàn)流(liú)，满(mǎn)足(zú)Wi－Fi芯(xīn)片(piàn)的(de)电(diàn)源(yuán)需(xū)求。东芝TVS二极管DF2B5M4SL等可有效防止移动设备受静电放电与噪声影响。
图9. Wi-Fi／蓝牙电路
光(guāng)电二极管红外传感器电路里的东芝运算放大器TC75S67TU具有低噪声特性，能延长物联网设备电池续航，适用于小型化产品。
图10. 使用光电二极管的红外传感器电路
MCU选择上，东芝M4K族TXZ＋TM 4A系列、M470族TX04系列及M370族TX03系列都值得考虑。这些MCU配备可编程电机控制电路、编码器输入电路、高级矢量引擎、高速12位AD转换器和运算放大器等，是电机／变频器控制的理想之选。
智能清洁未来已来
东芝半导体为扫地机器人提供多样先进产品，助力打造更智能的清洁与家居伙伴。更多关于器件选型和器件性能评估、整体设计理念敬请访问东芝半导体官方网站，开启您的设计之路。
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