德州儀器針對掃地機器人系統(tǒng)的解決方案

近年來，掃地機器人市場快速崛起，越來越多用戶和廠商在關注這個領域。 TI在該應用下提供種類豐富的模擬以及嵌入式解決方案，幫忙您快速進行選型和設計。掃地機器人系統(tǒng)可以分為以下幾個子系統(tǒng)： 電池管理，電源管理，電機驅動，傳感器及信號調理，人機交互界面等部分。

在本系列分享中，將會依次對圖中主要子系統(tǒng)進行介紹：

第一節(jié) 電池管理

掃地機器人典型應用是四節(jié)鋰電池串聯使用。電池管理分為電池保護以及充電管理兩個部分。如下圖所示， 電池保護部分一般會設計在電池包里面，針對電池在各種工況下的異常情況進行診斷和保護。 充電管理會在掃地機器人主板上或在充電塢上，負責對鋰電池充電曲線進行管理，以實現高效，安全的充電。

下面分別介紹電池充電管理，電池保護和電量計TI相關的解決方案：

1.1 充電管理

鋰電池為了保證電池安全和壽命，對于充電過程要求分為四個階段：涓流充電（低壓預充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。同時還會有電池電壓檢測、輸入電流限制、充電完成后關斷充電器、電池部分放電后自動啟動充電等功能的要求。這意味著鋰電池的充電需要使用專用電池充電芯片，才能更好的保證電池安全和壽命。TI提供的充電芯片BQ24773可從各方面優(yōu)化充電管理的設計和性能：

BQ24773關鍵參數說明： 4.5V至24V的寬輸入輸入電壓范圍，支持1-4節(jié)電池 可編程輸入電流限制、充電電壓、充電電流和最小系統(tǒng)電壓調節(jié) 20mA 負載條件下，兼具 600μA 超低靜態(tài)電流和>80% 的高脈沖頻率調制 (PFM) 輕負載效率，符合Energy Star 和 ERP Lot6 標準。 +/-0.5電壓檢測精度，+/-2%輸入輸出電流采樣 支持600KHz-1.2MHz開關頻率（可編程設定）

以上便是BQ24773原理的基本簡介，更多細節(jié)，請參閱BQ24773數據手冊。

TI提供的專用充電IC能夠給系統(tǒng)提供精準的充電控制，完備的保護機制。對提升產品質量，優(yōu)化系統(tǒng)成本有非常重要的意義。 專用充電IC的使用，不僅僅能夠給系統(tǒng)帶來更全面和精準的充電，還能夠提高電池的使用壽命，降低整體的成本。

1.2 電池保護和電量計

該功能的實現有依賴于專用鋰電池保護IC。 根據用戶的不同需求，TI可以提供四種不同類型的保護方案：

保護IC類型	型號	集成功能
二級保護芯片	BQ7718	過壓檢測
一級保護芯片	BQ77905	過壓/欠壓保護，放電過流/短路保護，過溫/欠溫保護
模擬前端	BQ76920	電壓電流溫度的測量，以及過壓/欠壓保護和放電過流/短路保護
電量計	BQ4050	電量計算，和電壓電流溫度的全面的保護

以下為重點方案的產品介紹：

1) BQ4050

TI的電量計技術在精確測量電池容量、獲取反映電池健康狀況及安全診斷等數據的同時，還能夠實現過壓、過流、溫度保護和電壓均衡等功能。以上電池信息還能夠通過SMBUS發(fā)送給主機，通過WIFI等方式連接到用戶終端，方便用戶及時了解掃地機器人的電池健康狀況。

德州儀器 (TI) 的 BQ4050 器件采用補償放電終止電壓 (CEDV) 技術，是一款高度集成的高精度 1-4 節(jié)電池電量測量儀表和保護解決方案，可實現自主的充電器控制和電池均衡。

BQ4050關鍵參數說明: 雙路獨立ADC，不僅可以同步電流和電壓采樣，還可以實現高精度庫倫計數器功能使得輸入偏移誤差< 1μV (典型值) 支持廣泛可編程的電池和系統(tǒng)保護，比如過壓保護、過流保護和過溫保護等 內部旁路的電池均衡功能(被動均衡) 使用補償放電終止電壓（CEDV）算法來測量和計算電池單元中的可用容量，精度可達5%以內

以上便是BQ4050原理的基本特性介紹，更多細節(jié)請參閱BQ4050數據手冊 和BQ4050技術參考手冊。

2) BQ77905

鋰電池在使用的過程中，一旦出現過壓或者過流（短路）等問題，不僅會影響電池的壽命，更會帶來安全問題。這意味著所有使用鋰電池的設備，必須要加裝電池保護器，以使鋰電池能在一個相對安全的環(huán)境中正常工作。

TI提供的BQ77905是3-5 節(jié)超低功耗電壓、電流、溫度和開路可堆疊鋰離子電池保護器，無需微控制器 (MCU) 控制即可實現一系列電壓、電流和溫度保護。該器件正好滿足掃地機器人產品4S鋰電池的需求，單芯片可實現過壓，過流，短路，溫度等保護。

BQ77905關鍵參數說明: 電壓(過/欠) 、電流（過放/短路）和溫度保護(過/欠) 、超高精度測量（電壓±10mV） 保護閾值和延遲均為出廠編程設定，多種配置可供選用 集成的獨立 CHG 和 DSG 低側 NMOSFET 驅動器實現電池組保護，這些驅動器可通過兩個控制引腳禁用 超低功耗：6μA

BQ77905還可以支持堆疊使用適應更多節(jié)數，更多細節(jié)請請參閱BQ77905數據手冊 和更多BQ77905應用手冊。

第二節(jié) 電源管理

掃地機器人中的電源管理典型的電源軌如下藍色框圖所示：系統(tǒng)從4串鋰電池取電，經過一級降壓轉換為5V，給到外置模塊，部分傳感器以及相關邏輯電路供電。 5V還會經過二級降壓轉換為后級系統(tǒng)所需的3.3V, 1.8V等。一級降壓電路通常功耗較大，會選擇DCDC變換器。而二級降壓電路通常功耗較小，可根據用戶實際情況選擇LDO或者DCDC。一個典型的掃地機器人電源樹如下圖所示。

2.1 降壓型DCDC

通常來講，帶電池設備為了讓運行時間更長，系統(tǒng)會對效率，靜態(tài)功耗等指標提出要求。 同時，成本同樣是非常重要的考慮因素。TI的電源管理產品在性能和成本做到很好的平衡。以下為TI在掃地機器人產品中最受歡迎的一些物料，耐壓范圍從24V-40V不等，適合用于第一級降壓電路：

型號	輸入范圍(V)	輸出范圍(V)	輸出電流(A)	特點	封裝
TPS56239H	4.5-24	0.8-16	2.0	Pin2Pin 兼容 內置補償網絡 精簡外圍電路 同步整流	SOT23-6
TPS54202	4.5-28	0.8-25	2.0		SOT23-6
TPS54302	4.5-28	0.8-25	3.0		SOT23-6
TPS54308	4.5-28	0.8-25	3.0		SOT23-6
TPS54231/331	3.5-4.5	0.8-25	2/3A	非同步整流	SOT23-6
TPS54335A	4.5-28	0.8-25	3.0	頻率可調，最高 1.5MHz	SOP-8
LMR14006	4.5-40	1-36	0.6	固定頻率，2.1MHz或1.1Mhz可選	SOT23-6
LMR14020	4.5-40	1-36	2.0	Pin2Pin兼容 高效率，動態(tài)響應好	SOP-8
LMR14030	4.5-40	1-36	3.0		SOP-8
LMR14050	4.5-40	1-36	5		SOP-8
TPS560430	4.0-36	1-35	0.6	固定頻率，2.1MHz或1.1Mhz可選	SOT23-6

我們以TPS54202舉例說明：

該芯片支持最大輸入28V持續(xù)電壓，適合4串鋰電池的應用場合。其同步整流的結構可以保證滿載時高達98%的效率，同時，由于輕載跳頻模式，在輕載情況下可以保證高效，如10mA輸出電流情況下效率可達90%以上。

TPS54202關鍵參數說明: 同步整流，內置150mΩ/80mΩ MOSFETs ，支持2A持續(xù)導通電流。 輕載調頻模式，超高輕載效率 展頻技術優(yōu)化EMC 固定軟啟動：5ms 峰值電流控制模式，內置補償網絡 固定500KHz頻率，Fixed 500kHz SOT23-6 封裝

2.2 線性穩(wěn)壓LDO

線性穩(wěn)壓相對于降壓型DCDC變換器而言，其輸出紋波會更小，噪聲會更少，有利于掃地機器人系統(tǒng)中的處理器，MCU，還有部分傳感器的穩(wěn)定運行，適合用于第一級降壓電路。 因此，在輸入輸出壓差不大的情況下，LDO是電源管理方案的優(yōu)選。TI提供業(yè)內最為廣泛的LDO產品。在不同的輸入輸出電壓，電流，封裝，壓差，靜態(tài)電流，功耗，噪聲指標下，TI都能提供高性價比的方案。

我們以TLV758P為例子說明：

TLV758P關鍵參數說明: 輸入電壓范圍: 1.5V – 6.0V 輸出電壓范圍: 0.55V – 5.5V (可調) 輸出電壓精度: 1% (max) @ 85C 壓差: 125mV (max) at 500mA (3.3Vout) 靜態(tài)電流: 25uA (typ) 共模抑制比PSRR: 50dB @ 100kHz 輸入浪涌電流抑制 過流保護 輸出電容主動放電 封裝: 2x2 DFN-6

更多方案選型，可通過以下方式查詢： TI官網LDO選型網站 LDO快速查詢指南

第三節(jié) 電機驅動

典型的掃地機器人產品中有非常多需要用到電機驅動的場合，如： 左右輪子，主刷，邊刷，水泵，吸塵電機，LDS旋轉座等。 TI針對不同的電機類型以及負載大小有非常全面的產品目錄可供選擇。

以主輪驅動應用為例說明：

主輪的電機通常為12V的直流有刷電機。 承擔的前轉，后轉，里程記錄，堵轉檢測等功能。TI的DRV8870有刷電機驅動產品，配合TI超高性價比運放TLV9061，可以完美實現以上所有功能。TI同時還提供實現該功能的參考設計TIDA-01588, 通過注冊官網myTI，可以免費瀏覽，下載該參考設計的設計文檔，原理圖，測試文檔等源文件。

該參考設計基本架構如下所示:

如圖所示，系統(tǒng)電源為10.8V DC，跨接一個TVS保護，通過DRV8870來驅動有刷電機BDC。10.8V DC經過LDO線性穩(wěn)壓器TPS709給微控制器MSP430FR2433供電，微控制器給DRV8870發(fā)出指令控制電機，實現掃地機器人主輪的正轉，反轉，剎車，空擋滑行等功能。同時DRV8870通過外置采樣電阻，結合運放TLV9061進行電流檢測，實現堵轉檢測等功能。位于電機上的光電計數器或者霍爾傳感器信號通過ESD接口芯片ESD122反饋到微控制器，可以實現電機測試歷程記錄等功能。

DRV8870參數說明: 6.5V – 45V輸入電壓范圍， 3.6A峰值電流輸出能力 內置H橋NMOS PWM控制信號輸入 HSOP 8-pin封裝 支持給類保護機制： 1） 輸入欠壓鎖定 2） Charge pump欠壓保護，過流保護和過溫保護 3） 故障自動重啟

更多詳情，請參閱DRV8870數據手冊。

除了該參考設計中所推薦的DRV8870外，TI還有以下具有特色的方案值得推薦：DRV8876。以下是款產品的介紹: DRV8876是一款高集成度 H橋驅動器，內置N-MOSFET，charge pump，電流采樣轉換，以及各類保護電路。非常適合用于掃地機器人的主輪驅動，或者主刷驅動。DRV8876最大的亮點在于超高集成度，通過內置采樣電路和信號調理，實現堵轉檢測。與傳統(tǒng)的驅動方案（如DRV8870）相比，可以節(jié)省設計者的一顆功率采樣電阻，以及一顆堵轉檢測的運放。

另外，DRV8876可以通過設置睡眠模式來保持超低的待機功耗（<1uA），以保證掃地機器人電池能最大限度節(jié)能。

DRV8876參數說明: 4.5V – 37V輸入電壓范圍， 3.5A峰值電流輸出能力 內置電流采樣電路，無需外置功率電阻 電流信號反饋輸出功能，無需外置運放 展頻技術優(yōu)化EMI性能 支持1.8V,3.3V, 5V電平控制信號 支持給類保護機制： 1) 輸入欠壓鎖定 2) Charge pump欠壓保護 3) 過流保護

更多詳情，請參閱DRV8846數據手冊。

更多TI電機驅動的產品，可以在官網中獲得：http://www.ti.com/motor-drivers/overview.html

第四節(jié) 傳感器及信號調理

掃地機器人作為智能化的小家電產品，傳感器是其最核心的零部件之一。典型需要傳感器實現的功能包括有：避障傳感，沿墻傳感，懸崖檢測，虛擬墻檢測，碰撞傳感，里程檢測，自動回充檢測，視覺傳感及導航等。除此之外，不同產品根據不同功能也會有不一樣的傳感器需求，如塵盒/水箱檢測，車輪異常檢測等。

TI提供以下幾類傳感器實現以上功能：

4.1 霍爾傳感器

霍爾傳感器可用于實現車輪里程計，虛擬墻檢測，如塵盒/水箱檢測，車輪異常檢測等功能。

TI的霍爾傳感器有以下特點：

1） 寬泛的輸入耐壓（1.65V-38V）確保通用性，可靠性；

2） 超低待機功耗（<1uA）利于電池設備延長使用時長；

3） 多種帶寬可選(5Hz, 20Hz, 160Hz, 2KHz, 30KHz)

4） 多種封裝可選（SOT-23, TO-92，X2SON）

4.2 1D TOF

1D ToF可用于避障傳感，懸崖檢測，視覺傳感及導航等功能。以下簡單介紹TI 1D TOF器件OPT3101的基本工作原理以及在掃地機器人上的應用。

1) OPT3101基本工作原理以及優(yōu)點

ToF (Time of Flight) 全稱時間飛行傳感器。ToF 核心系統(tǒng)是由光發(fā)射器 (激光，LED 和IR 等）和光接收器 (光電二極管)組成。發(fā)射器的調制信號經物體反射后，部分地回到接收器。通過測量發(fā)射光信號和接收光信號之間的相位差信息可以獲得被測物體深度(距離) 信息，進而實現長距離接近感應和距離測量等功能。

2) TI的ToF傳感器 OPT3101具有如下特性和優(yōu)點

遠距離測距、障礙檢測和躲避，15 米不模糊的范圍內具有16 位距離輸出，可通過去混疊技術擴展距離范圍

多種光電二極管和發(fā)射極的靈活定制設計 (寬波長范圍)

高達4kHz 的采樣率

出色的環(huán)境光和陽光抑制性能 （室外和室內），不依賴于物體顏色和反射率的測距

自適應HDR 節(jié)省功耗并提高動態(tài)范圍

支持3 個發(fā)射器通道，滿足多區(qū)域操作需求

集成照明驅動器，具有高達173mA 的可編程電流控制能力

3) OPT3101在掃地機器人中的應用

利用OPT3101抗干擾性能強，精度高的特點。非常適合在掃地機器人中實現主避障檢測功能。與傳統(tǒng)紅外的方式對比，可以實現精確距離信號的檢測，一致性更好，抗光強干擾能力更好。

利用OPT3101不受物體顏色的影響，可以實現更加可靠的懸崖檢測：

利用OPT3101的特性，還可以構成旋轉ToF激光雷達傳感器，實現二維平面360度全方位激光測距，并產生所在空間的平面點云地圖信息，配合SLAM算法，可以實現精確的地圖構建，定位導航等功能。關于該功能實現更多細節(jié)請聯系當地TI銷售代表以及技術支持。

4.3 通用運算放大器TLV900X系列

除傳感器本體外，TI提供了傳感器后級的信號調理方案。 掃地機器人應用中典型的需求是通用運算放大器。 常見場合是用于電機電流采樣，電池充電采樣，電池包溫度信號調理，紅外傳感器信號調理等。TI提供的通用運放類型產品可以完全覆蓋以上應用場合。以下產品介紹為目前TI主推的高性價比通用運放TLV900X。

TLV900x是適用于成本敏感型系統(tǒng)的低功耗、軌對軌輸入輸出、1MHz 通用運算放大器。TLV900x 系列包括單通道 (TLV9001)、雙通道(TLV9002)、 和四通道 (TLV9004) 低電壓（1.8V 至5.5V）運算放大器。具有以下特性：

1) 軌至軌輸入和輸出

2) 低輸入失調電壓：±0.4mV

3) 單位增益帶寬：1MHz

4) 由于具有電阻式開環(huán)輸出阻抗，因此可在更高的電容負載 (100pF)下更輕松地實現穩(wěn)定

5) 低寬帶噪聲：27nV/√Hz @ 1kHz

6) 低輸入偏置電流：5pA

7) 低靜態(tài)電流：60μA/通道

8) 可在電源電壓低至 1.8V 的電壓下運行

9) 內部射頻干擾 (RFI) 和電磁干擾 (EMI) 濾波器

10) 擴展溫度范圍：–40°C 至 +125°C

以上便是通用運放TLV900X的基本簡介，更多細節(jié)，請參閱TLV900X數據手冊。除此之外，對于帶寬要求更高，擺率要求更高的場合，我們還有TLV906X(帶寬10MHz), TLV905X(擺率15V/us)等系列產品供選擇。

第五節(jié)、人機交互界面

豐富的人機交互功能可以給掃地機器人產品帶來更好的用戶體驗和產品附加值。TI在該領域提供諸多解決方案： LED顯示，電容觸摸，語音功放，無線連接等等。接下來以LED顯示以及電容觸摸方案為代表介紹。

5.1 LED顯示

TI的LED產品覆蓋多樣的應用場景，包括： 指示燈背光驅動，LED數碼管顯示驅動，以及呼吸/跑馬燈。 對于掃地機器人產品而言，LED燈通常用于狀態(tài)指示，用戶可以根據不同的產品需求，選擇不同類型的顯示方式。TI LED驅動芯片帶來的優(yōu)點包括：1） 節(jié)約MCU I/O口。2） 恒流驅動，高效可靠。3）無需大量軟件資源即能實現特殊燈效。 以下為TI LED產品在掃地機器人應用中的大致分類和推薦：

	LED指示燈		斷碼式LED數碼管	呼吸燈，環(huán)形燈
接口	SPI	I2C	SPI	SPI	I2C
指標	多通道數輸出恒流驅動	40V耐壓，多通道數輸出恒流驅動	多通道數輸出恒流驅動	高分辨率亮度控制
				多通道數	內置驅動引擎
建議	TLC5928X TLC5947 TLC595X	TLC6C598 TLC6C5912	TLC5928X TLC595X	TLC5947 (24CH) TLC595X (48CH)	LP55231 LP5569 LP50XX
典型應用場景	背光燈顯示

數碼管顯示

呼吸燈，跑馬燈，漸變燈，環(huán)形/條形等效果

以LP50XX系列產品舉例說明：LP50XX系列是TI全新一代RGB三色燈驅動，可以在占用MCU極少資源的情況下，實現多個通道RGB三色燈的控制，實現精準恒流，亮暗，顏色變化，以及圖案組合等效果。該產品實現的燈效能給掃地機器人帶來與眾不同的人機交互體驗。其開發(fā)的簡易程度，也有利于產品快速上市。

LP50XX參數: 支持多種通道數選型：36/30/24/18/12/9-Ch VCC 范圍: 2.7V to 5.5V 恒流控制，全電壓范圍內每個通道最大25.5mA，當VCC大于3.3V時可達35mA; 超低關斷電流1uA (Max.)，低待機功耗10uA(Typ.) 每個通道集成12bit， 29KHz PWM發(fā)生器 獨立通道顏色配置寄存器 獨立通道亮度控制寄存器 3個可編程RGB庫方便軟件編寫 可支持4顆器件級聯 支持高達400KHz快速I2C模式

更多詳細信息可以查看LP50XX規(guī)格書, 更多LED選型可以查看TI官網： LED選型。

5.2 MSP430 Captivate MCU

MSP430 captivate系列MCU是TI最新一代基于電容式的觸摸方案。 有如下幾個特點：

1） 可靠性： 芯片通過IEC61000-4-X認證，可以有效地抵抗噪聲，防止誤觸發(fā)；

2） 通用性：該方案可用于各類材料面板的觸摸（玻璃，塑料，金屬），還能夠實現簡單的手勢識別，接近感應以及液位檢測。

3） 低功耗：TI Captivate MCU沿襲了TI MCU一貫的超低待機功耗特性，非常適合電池式產品如掃地機器人。

4） 高分辨率： 超高分辨率，有利于實現滑條，滾輪等觸摸效果。

5） 簡易開發(fā)： TI提供完整的圖形化編程界面，只需要5分鐘即可實現自定義設計。

以MSP430FR2522產品舉例說明:

MSP430FR2522的主要參數指標如下所示：

1） 15個I/O口，其中8個I/O可用于電容感應。

2） 頻率最高支持16Mhz，7KB FRAM存儲空間。

3） 內置8個10bit ADC。

4） 超低待機功耗：正常運行（120uA/MHz）,待機模式（<4uA）,關斷模式（36nA）。

5） VQFN，TSSOP封裝可選。

5.3 TI參考設計

針對如上所提兩種人機交互功能，TI整合并定制了一款參考設計TIDA-01559。它采用了 MSP430FR2522 MCU 和 LP5569 LED 驅動器，可通過 LED 引擎控制實現極低的待機功耗并減少 MCU 的負載資源。該解決方案可應用于需要具有出色 EMI 性能和抗?jié)裥阅艿牡凸?HMI 的應用中，該設計可應用與掃地機器人產品中。

該參考設計的系統(tǒng)框圖和實物圖如下方所示，可實現功能包括：

1) 利用MSP430FR2522實現玻璃/塑料面板觸摸按鍵，以及接近喚醒。

2) 利用LP5569實現RGB三色燈環(huán)的特殊效果（呼吸，閃爍，漸變等）

3) 利用LP5569配合MSP430FR2522實現LED閃爍與手觸摸成隨動效果。

審核編輯：郭婷