通用放大器搞定掃地機器面臨的6大設計挑戰(zhàn)

忙碌一周后，家庭清潔工作是人們最不愿做的事情之一。迄今為止，掃地機器人已面世約23年了，隨著其智能和自動化程度日益提高，人們可以在其工作時專注于自己的事情。

如今的掃地機器人上集成了非常多的功能，比如新的拖地功能和自動除塵等。但對設計人員來說，這也意味著在設計可靠的系統(tǒng)時將會面臨更多的挑戰(zhàn)。而小型放大器可以幫助其快速克服許多重大挑戰(zhàn)。下文列舉了設計人員在設計過程中會遇到的六種挑戰(zhàn)，以及小型放大器能提供的六種解決方案：

設計挑戰(zhàn)1

由于失速檢測延遲，導致電機壽命縮短

掃地機器人車輪的力量決定了它的越障能力。為了能夠通過厚地毯和越過門檻，其電機功率需要達到至少30W或更高。如果發(fā)生失速或過載事件，例如車輪被電線卡住，電機繞組電流將立即上升。延遲檢測到這種情況會導致電機過熱并縮短其壽命。

解決方案1

電機控制系統(tǒng)中的快速瞬態(tài)響應電流感應

為減少過熱的可能性，可以使用低側(cè)電流感應電路來監(jiān)控電機的電流；見圖1。

圖1：電機控制系統(tǒng)中的電流感應電路

在該應用中用作運算放大器（op amps）電機控制系統(tǒng)中的電流感測電路的關(guān)鍵參數(shù)是壓擺率。例如，當發(fā)生失速事件時，繞組電流會從0.5 A上升到3.5 A，運算放大器的相應輸出為0.5 V至3.5 V（50mΩ分流電阻和20-V/V增益）。使用壓擺率為0.5 V/μs的運算放大器時，階躍變化的安定時間約為6μs，而使用TI的TLV905x等壓擺率為15 V/μs的運算放大器，相同階躍變化的安定時間僅為0.2μs。因此，使用瞬態(tài)響應速度提高30倍的TLV905x將增加控制器執(zhí)行過流保護的余量。

設計挑戰(zhàn)2

由于充電電壓不準確，導致電池續(xù)航時間縮短

擴大電池容量是掃地機器人面臨的一大重要設計挑戰(zhàn)。消費者期望機器人在需要再次充電前，能夠完成一個完整的清潔周期。

使用低質(zhì)量電流感測的高輸出電壓紋波將產(chǎn)生無法使用的電池容量。例如，如果4.2 V時的電池精度為±3.5%，經(jīng)過250次充電循環(huán)后會將可用電池容量降低至40%，而如果4.2 V時的電池精度為±0.5，則會使可用電池容量保持在85%。

解決方案2

恒流/恒壓回路中的高精度電壓/電流感應

對電池充電的一種常見方法是使用如圖2所示的分立充電解決方案。電壓和電流感應電路在控制回路中產(chǎn)生反饋電壓和電流信號。為了實現(xiàn)高精度和穩(wěn)定性，偏移電壓和溫度漂移是此處所用運算放大器的兩大關(guān)鍵參數(shù)。

圖2：分立電池充電器電路

設計挑戰(zhàn)3

由于負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻錯誤，導致電池過熱

監(jiān)控電池組的溫度是掃地機器人的一大主要安全問題。與溫度傳感器的解決方案相比，監(jiān)控電池組溫度的具有成本效益的方法是使用NTC熱敏電阻感測電路。溫度感測不準可能導致電池組過熱或燒壞。

解決方案3

使用NTC進行高精度溫度測量

測量溫度的一種方法是使用電阻和熱敏電阻來分配電源，并將分壓器輸出直接連接到系統(tǒng)控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）引腳。分壓器的輸出阻抗很低，輸出電壓范圍對ADC來說并不理想，因此這種方式效率不高，且測量結(jié)果不準確。

圖3使用運算放大器作為調(diào)節(jié)溫度輸出信號的緩沖器，為分壓器和低阻抗節(jié)點提供高阻抗節(jié)點以驅(qū)動ADC，并將輸出范圍調(diào)節(jié)至最佳ADC分辨率。運算放大器的影響參數(shù)包括直流精度（偏移電壓、電壓漂移）和穩(wěn)定性。

圖3：NIC熱敏電阻感測電路

設計挑戰(zhàn)4

由于里程計測量不準，導致定位和導航系統(tǒng)精度較低

當掃地機器人構(gòu)建環(huán)境地圖時，里程計應提供用于繪圖的準確行進距離。里程計測量不準將導致機器人的定位和導航精度較低。

解決方案4

可用穩(wěn)健的里程計信號增強電路

測量里程的常用方法是使用光電解碼器或霍爾效應傳感器并對脈沖進行計數(shù)，以獲得里程信息。通常來講，里程計安裝在車輪內(nèi)部，因此印刷電路板走線很長，更容易受到開關(guān)噪聲的影響，從而導致輸出信號在MCU的輸入端口失真。如圖4所示的緩沖電路可產(chǎn)生無抖動和失靈的標準邏輯信號。

圖4：用于穩(wěn)健邏輯輸出電路的緩沖器

設計挑戰(zhàn)5

嘈雜/失真的電機驅(qū)動信號會導致電機意外運行

系統(tǒng)控制器通常位于控制板的中心，而電機安裝在電路板的邊緣。因此，直接連接到MCU端口的驅(qū)動信號更容易產(chǎn)生噪聲或失真，導致電機意外運行。

解決方案5

電機驅(qū)動路徑中的脈寬調(diào)制（PWM）增強器電路

此處的解決方案是加裝一個用作增強器的運算放大器，而不是將驅(qū)動信號與MCU引腳連接的電路。圖5所示為用于有刷直流電機的分立電機驅(qū)動解決方案?？刂破魍ㄟ^圖騰柱場效應晶體管驅(qū)動器產(chǎn)生PWM信號，以驅(qū)動H橋功率晶體管。PWM增強器電路有助于最大限度地減少延遲并增強PWM信號，同時降低噪聲和失真。

圖5：增強型PWM電路

設計挑戰(zhàn)6

由于掃地機器人距離檢測出錯，導致碰撞或跌落事故

防跌落傳感器用于檢測樓梯的高度，而碰撞傳感器用于檢測掃地機器人周圍的障礙物。距離檢測出錯時，會導致傳感器性能不準，從而發(fā)生碰撞或跌落事件，并導致機器人損壞。

解決方案6

高精度紅外輸出信號調(diào)節(jié)

如圖6所示，紅外LED和光電晶體管被廣泛用作檢測距離的低成本解決方案。距離信息與固定頻率調(diào)制波所攜帶回波的幅度相關(guān)。

圖6：紅外LED接收器的信號調(diào)節(jié)電路

具有低輸入偏置電流的互阻抗運算放大器電路在此處被廣泛使用。參考電路如SBOA268A所示。