從半導體器件解讀掃地機器人-WAYON維安方案設計代理商KOYUELEC光與電子

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

據Euromonitor和IFR統計，2019年全球掃地機器人市場銷售規模約為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)，其市場規模及滲透率都呈現逐年上漲態勢，預估至2024年將達到231.4億美元。

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

掃地機器人在服務機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導航、3D結構光等技術成功應用于掃地機器人，帶來了更好的用戶體驗。產品功能的增加也為半導體器件帶來了諸多新的應用機會。

掃地機器人的結構可以分為系統控制模塊、電機模塊、傳感器模塊、通信模塊、電源模塊五個部分。機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境，將收集的數據反饋給系統控制單元，在經由內部算法運算規劃整體的運行軌跡，實現“定位-構圖-規劃-清掃”一體化的智能清掃方案。

圖1 掃地機器人應用

#1充電端及其它外設接口保護方案

智能掃地機器人可以自行按照最優化的清潔路徑進行全面的清掃，當它沒有電的時候，還可以自動回到充電樁去充電。由于充電端口裸露在外部，如果沒有相應的保護措施，極易損壞內部電路，故而充電端口的保護變得尤為重要。此外，掃地機器人很多的對外的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。

保護原理：TVS+OVP組合進行浪涌防護。當充電端有異常瞬間高浪涌電壓時，輸入端的TVS會迅速把高浪涌電壓鉗位至一個較低的數值，若此時的輸入電壓仍超過OVP閾值電壓，OVP會快速響應并切斷主回路，以保護后端器件避免造成間歇或永久失效。

圖2 充電保護應用

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#2電源模塊應用

電源模塊是掃地機器人的動力源泉，良好的電源管理可以使掃地機內部各器件在最合適的電壓環境下工作，保證整個系統的穩定運行。掃地機器人主要依靠內部蓄電池供電，為了延長電池使用時間提高機器人工作效率，在電源模塊中增加線性穩壓器是最好的選擇。

維安LDO產品均采用小型封裝，具有寬電壓輸入，同時低功耗、低噪聲等性能，反應速度快，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 電源轉換器

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#3驅動及信號MOSFET應用

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

各種各樣的MOS驅動電路很難定義哪一種是最好的，需要客戶根據具體應用，結合MOS管廠商的產品，不斷對電路及參數進行優化，打磨出最合適自己應用的驅動方案，為此，維安開發了參數封裝品類齊全的驅動MOSFET和信號開關控制的MOSFET來滿足設計者的需求。

圖四 驅動器應用

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#4電池保護方案

鋰電池是掃地機人“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，嚴重者會導致鋰電池燃燒、爆炸狀況。每塊鋰電池都需要安裝一塊安全保護板，由一塊專用IC和若干鋰電保護的MOSFET、FUSE等外部元件組成，通過保護環路有效監測并防止對電池產生損害、防止過充、過放和短路造成的危險。

保護原理：電池保護回路串一顆貼片型的陶瓷PTC，當感應到一級保護MOSFET過溫后，陶瓷PTC阻值突變，從而分壓大幅增加，觸發MOSFET打開。

MOSFET及三端FUSE應用

圖五 一級加二級保護示意圖

圖六 二級保護詳細示意圖

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審核編輯：湯梓紅