【导语】清晨7点，扫地机器人已完成清扫，这已成为当代家庭的日常。Statista数据显示，2024年全球清洁机器人市场规模已达150亿美元，且持续增长。扫地机器人设计涉及精密技术，东芝半导体提供多样先进产品，涵盖电机驱动、传感器信号输入等，助力打造更智能的清洁与家居伙伴。
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、传感器信号输入等单元提供各类半导体产品及电路配置示例。
在扫地机器人中有多个直流无刷电机，如吸气风扇电机、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IC）
图5. 直流有刷电机驱动电路（IPD＋MOSFET）
另(lìng)外(wài)，直(zhí)流(liú)无(wú)刷(shuā)及(jí)有(yǒu)刷(shuā)电(diàn)机(jī)驱(qū)动(dòng)电(diàn)路都(dōu)使(shǐ)用(yòng)了(le)东(dōng)芝(zhī)H桥(qiáo)IPD和(hé)U－MOS系(xì)列(liè)P沟(gōu)道(dào)MOSFET或(huò)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(zhōng)，东(dōng)芝(zhī)双(shuāng)极(jí)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)（2SC2712、HN1B01FU等(děng)）具(jù)备(bèi)高(gāo)电(diàn)压(yā)与(yǔ)电(diàn)流(liú)处(chù)理(lǐ)能(néng)力(lì)、出(chū)色(sè)的(de)电(diàn)流(liú)增(zēng)益(yì)和(hé)低(dī)噪(zào)声(shēng)性(xìng)能(néng)，能(néng)从(cóng)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8. 光耦反激式AC－DC转换器反馈电路
在Wi-Fi／蓝牙电路中，内核芯片电源和天线保护电路选用东芝TCR15AG系列等小型表面贴装LDO稳压器，以驱动1.5A高电流，满足Wi－Fi芯(xīn)片(piàn)的(de)电(diàn)源需求。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(tú)9. Wi-Fi／蓝(lán)牙(yá)电(diàn)路
光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(dōng)芝(zhī)M4K族(zú)TXZ＋TM 4A系(xì)列(liè)、M470族(zú)TX04系(xì)列(liè)及(jí)M370族(zú)TX03系(xì)列(liè)都(dōu)值(zhí)得(de)考(kǎo)虑(lǜ)。这(zhè)些(xiē)MCU配(pèi)备(bèi)可(kě)编(biān)程(chéng)电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)电(diàn)路、编(biān)码(mǎ)器(qì)输(shū)入(rù)电(diàn)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。
关于东芝电子元件及存储装置株式会社
东(dōng)芝(zhī)电(diàn)子(zi)元(yuán)件(jiàn)及(jí)存(cún)储(chǔ)装(zhuāng)置(zhì)株(zhū)式(shì)会社是先进的半导体和存储解决方案的领先供应商，公司累积了半个多世纪的经验和创新，为客户和合作伙伴提供分立半导体、系统LSI和HDD领域的杰出解决方案。
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