從半導(dǎo)體器件解讀掃地機(jī)器人-WAYON維安方案設(shè)計(jì)代理商KOYUELEC光與電子

作為舶來品，掃地機(jī)器人在中國市場屬于智能家居產(chǎn)品的“后進(jìn)生”。近幾年，隨著掃地機(jī)器人功能和技術(shù)的更迭，主流掃地機(jī)器人清掃覆蓋率有了明顯的提升，有些旗艦機(jī)型幾乎可以做到零誤撞，掃地機(jī)器人對于毛發(fā)、灰塵、碎屑的清掃效果也要遠(yuǎn)勝于人工清掃，因其實(shí)用性的提高，市場需求量也隨之逐年增長。

據(jù)Euromonitor和IFR統(tǒng)計(jì)，2019年全球掃地機(jī)器人市場銷售規(guī)模約為33億美元(約合人民幣211.2億元)，2020年上升至55億美金(約合352億人民幣)，其市場規(guī)模及滲透率都呈現(xiàn)逐年上漲態(tài)勢，預(yù)估至2024年將達(dá)到231.4億美元。

得益于龐大的消費(fèi)群體，掃地機(jī)器人銷量在中國呈爆發(fā)式增長，目前中國已成為全球最大的掃地機(jī)器人市場。2020年中國掃地機(jī)器人銷售額為94.1億元，同比增速22%。

掃地機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人品類中智能化程度較高，除清掃、吸塵、拖地等基本功能之外，智能功能也有了極大的提升，AI視覺識別、dToF導(dǎo)航、3D結(jié)構(gòu)光等技術(shù)成功應(yīng)用于掃地機(jī)器人，帶來了更好的用戶體驗(yàn)。產(chǎn)品功能的增加也為半導(dǎo)體器件帶來了諸多新的應(yīng)用機(jī)會。

掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可以分為系統(tǒng)控制模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊、通信模塊、電源模塊五個(gè)部分。機(jī)器人通過傳感器模塊的超聲波傳感器、接近傳感器等感知外部的環(huán)境，將收集的數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)控制單元，在經(jīng)由內(nèi)部算法運(yùn)算規(guī)劃整體的運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)“定位-構(gòu)圖-規(guī)劃-清掃”一體化的智能清掃方案。

圖1 掃地機(jī)器人應(yīng)用

#1充電端及其它外設(shè)接口保護(hù)方案

智能掃地機(jī)器人可以自行按照最優(yōu)化的清潔路徑進(jìn)行全面的清掃，當(dāng)它沒有電的時(shí)候，還可以自動回到充電樁去充電。由于充電端口裸露在外部，如果沒有相應(yīng)的保護(hù)措施，極易損壞內(nèi)部電路，故而充電端口的保護(hù)變得尤為重要。此外，掃地機(jī)器人很多的對外的Interface、Sensors，例如像按鍵、USB口、RF天線、IO口等敏感接口，都需要加以ESD保護(hù)。

保護(hù)原理：TVS+OVP組合進(jìn)行浪涌防護(hù)。當(dāng)充電端有異常瞬間高浪涌電壓時(shí)，輸入端的TVS會迅速把高浪涌電壓鉗位至一個(gè)較低的數(shù)值，若此時(shí)的輸入電壓仍超過OVP閾值電壓，OVP會快速響應(yīng)并切斷主回路，以保護(hù)后端器件避免造成間歇或永久失效。

圖2 充電保護(hù)應(yīng)用

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#2電源模塊應(yīng)用

電源模塊是掃地機(jī)器人的動力源泉，良好的電源管理可以使掃地機(jī)內(nèi)部各器件在最合適的電壓環(huán)境下工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。掃地機(jī)器人主要依靠內(nèi)部蓄電池供電，為了延長電池使用時(shí)間提高機(jī)器人工作效率，在電源模塊中增加線性穩(wěn)壓器是最好的選擇。

維安LDO產(chǎn)品均采用小型封裝，具有寬電壓輸入，同時(shí)低功耗、低噪聲等性能，反應(yīng)速度快，可以提高電源模塊的整體工作效率，延長電池使用壽命。

圖3 電源轉(zhuǎn)換器

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#3驅(qū)動及信號MOSFET應(yīng)用

掃地機(jī)器人怎么樣才能“動起來”為我們服務(wù)，答案是智能的控制加驅(qū)動。在控制驅(qū)動模塊中，最常見的是驅(qū)動IC直接驅(qū)動MOS管。這里的驅(qū)動IC的驅(qū)動能力、MOS管寄生電容大小、驅(qū)動電阻阻值都將影響MOS管開關(guān)速度。

各種各樣的MOS驅(qū)動電路很難定義哪一種是最好的，需要客戶根據(jù)具體應(yīng)用，結(jié)合MOS管廠商的產(chǎn)品，不斷對電路及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，打磨出最合適自己應(yīng)用的驅(qū)動方案，為此，維安開發(fā)了參數(shù)封裝品類齊全的驅(qū)動MOSFET和信號開關(guān)控制的MOSFET來滿足設(shè)計(jì)者的需求。

圖四 驅(qū)動器應(yīng)用

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#4電池保護(hù)方案

鋰電池是掃地機(jī)人“力量之源”，鋰電池在使用過程中，過充電、過放電和過放流都會影響電池的使用壽命和性能，嚴(yán)重者會導(dǎo)致鋰電池燃燒、爆炸狀況。每塊鋰電池都需要安裝一塊安全保護(hù)板，由一塊專用IC和若干鋰電保護(hù)的MOSFET、FUSE等外部元件組成，通過保護(hù)環(huán)路有效監(jiān)測并防止對電池產(chǎn)生損害、防止過充、過放和短路造成的危險(xiǎn)。

保護(hù)原理：電池保護(hù)回路串一顆貼片型的陶瓷PTC，當(dāng)感應(yīng)到一級保護(hù)MOSFET過溫后，陶瓷PTC阻值突變，從而分壓大幅增加，觸發(fā)MOSFET打開。

MOSFET及三端FUSE應(yīng)用

圖五 一級加二級保護(hù)示意圖

圖六 二級保護(hù)詳細(xì)示意圖

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審核編輯：湯梓紅