从半导体器件解读扫地机器人

从半导体器件解读扫地机器人-WAYON维安方案设计代理商KOYUELEC光与电子

作为舶来品，扫地机器人在中国市场属于智能家居产品的“后进生”。近几年，随着扫地机器人功能和技术的更迭，主流扫地机器人清扫覆盖率有了明显的提升，有些旗舰机型几乎可以做到零误撞，扫地机器人对于毛发、灰尘、碎屑的清扫效果也要远胜于人工清扫，因其实用性的提高，市场需求量也随之逐年增长。

据Euromonitor和IFR统计，2019年全球扫地机器人市场销售规模约为33亿美元(约合人民币211.2亿元)，2020年上升至55亿美金(约合352亿人民币)，其市场规模及渗透率都呈现逐年上涨态势，预估至2024年将达到231.4亿美元。

得益于庞大的消费群体，扫地机器人销量在中国呈爆发式增长，目前中国已成为全球最大的扫地机器人市场。2020年中国扫地机器人销售额为94.1亿元，同比增速22%。

扫地机器人在服务机器人品类中智能化程度较高，除清扫、吸尘、拖地等基本功能之外，智能功能也有了极大的提升，AI视觉识别、dToF导航、3D结构光等技术成功应用于扫地机器人，带来了更好的用户体验。产品功能的增加也为半导体器件带来了诸多新的应用机会。

扫地机器人的结构可以分为系统控制模块、电机模块、传感器模块、通信模块、电源模块五个部分。机器人通过传感器模块的超声波传感器、接近传感器等感知外部的环境，将收集的数据反馈给系统控制单元，在经由内部算法运算规划整体的运行轨迹，实现“定位-构图-规划-清扫”一体化的智能清扫方案。

图1 扫地机器人应用

#1充电端及其它外设接口保护方案

智能扫地机器人可以自行按照最优化的清洁路径进行全面的清扫，当它没有电的时候，还可以自动回到充电桩去充电。由于充电端口裸露在外部，如果没有相应的保护措施，极易损坏内部电路，故而充电端口的保护变得尤为重要。此外，扫地机器人很多的对外的Interface、Sensors，例如像按键、USB口、RF天线、IO口等敏感接口，都需要加以ESD保护。

保护原理：TVS+OVP组合进行浪涌防护。当充电端有异常瞬间高浪涌电压时，输入端的TVS会迅速把高浪涌电压钳位至一个较低的数值，若此时的输入电压仍超过OVP阈值电压，OVP会快速响应并切断主回路，以保护后端器件避免造成间歇或永久失效。

图2 充电保护应用

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#2电源模块应用

电源模块是扫地机器人的动力源泉，良好的电源管理可以使扫地机内部各器件在最合适的电压环境下工作，保证整个系统的稳定运行。扫地机器人主要依靠内部蓄电池供电，为了延长电池使用时间提高机器人工作效率，在电源模块中增加线性稳压器是最好的选择。

维安LDO产品均采用小型封装，具有宽电压输入，同时低功耗、低噪声等性能，反应速度快，可以提高电源模块的整体工作效率，延长电池使用寿命。

图3 电源转换器

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#3驱动及信号MOSFET应用

扫地机器人怎么样才能“动起来”为我们服务，答案是智能的控制加驱动。在控制驱动模块中，最常见的是驱动IC直接驱动MOS管。这里的驱动IC的驱动能力、MOS管寄生电容大小、驱动电阻阻值都将影响MOS管开关速度。

各种各样的MOS驱动电路很难定义哪一种是最好的，需要客户根据具体应用，结合MOS管厂商的产品，不断对电路及参数进行优化，打磨出最合适自己应用的驱动方案，为此，维安开发了参数封装品类齐全的驱动MOSFET和信号开关控制的MOSFET来满足设计者的需求。

图四 驱动器应用

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#4电池保护方案

锂电池是扫地机人“力量之源”，锂电池在使用过程中，过充电、过放电和过放流都会影响电池的使用寿命和性能，严重者会导致锂电池燃烧、爆炸状况。每块锂电池都需要安装一块安全保护板，由一块专用IC和若干锂电保护的MOSFET、FUSE等外部元件组成，通过保护环路有效监测并防止对电池产生损害、防止过充、过放和短路造成的危险。

保护原理：电池保护回路串一颗贴片型的陶瓷PTC，当感应到一级保护MOSFET过温后，陶瓷PTC阻值突变，从而分压大幅增加，触发MOSFET打开。

MOSFET及三端FUSE应用

图五 一级加二级保护示意图

图六 二级保护详细示意图

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审核编辑：汤梓红