（2024年5月19日更新）

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本系列共享将依次介绍图中的主要子系统：

第一节，电池管理

第二节，电源管理

第三节，电机驱动

第四节，传感器和信号调节

第五节，人机交互界面

第一节 电池管理

扫地机器人的典型应用是四节锂电池串联使用。电池管理分为两部分：电池保护和充电管理。如下图所示， 电池保护部分一般设计在电池组中，对各种工况下电池的异常情况进行诊断和保护。 充电管理将负责在扫地机器人主板或充电坞上管理锂电池充电曲线，实现高效安全的充电。

以下是电池充电管理、电池保护和电量计TI相关解决方案：

1.1 充电管理

为了保证电池的安全性和使用寿命，锂电池分为四个阶段：涓流充电（低压预充电）、恒流充电、恒压充电和充电终止。同时，还需要电池电压检测、输入电流限制、充电后关闭充电器、电池部分放电后自动启动充电等功能。这意味着锂电池的充电需要使用特殊的电池充电芯片，以更好地保证电池的安全和寿命。TI充电芯片BQ2473可从各个方面优化充电管理的设计和性能：

BQ4473关键参数说明:.5V至24V宽输入输入电压范围支持1-4节电池可编程输入电流限制、充电电压、充电电流和最小系统电压调节20mA 两者兼有 600μA 超低静态电流和>80% 高脉冲频率调制 (PFM) 轻负载效率，符合Energy Star 和 ERP Lot6 标准。 /-0.5电压检测精度， /-2%输入输出电流采样支持6000KHz-1.2MHz开关频率(可编程设置)

以上便是BQ请参考24773原则的基本介绍和更多细节BQ24773数据手册。

TI专用充电IC为系统提供准确的充电控制和完整的保护机制。对提高产品质量和优化系统成本具有重要意义。 专用充电IC使用不仅可以给系统带来更全面、更准确的充电，还可以提高电池的使用寿命，降低整体成本。详见以下博客：

The value of a charger IC over a discrete solution for vacuum robots

1.2 电池保护及电量计

该功能的实现取决于专用锂电池的保护IC。 根据用户的不同需求，TI可提供四种不同类型的保护方案：

保护IC类型

型号

集成功能

二级保护芯片

BQ7718

过压检测

一级保护芯片

BQ77905

过压/欠压保护、放电过流/短路保护、过温/欠温保护

模拟前端

BQ76920

测量电压和电流温度，以及过压/欠压保护和放电过流/短路保护

电量计

BQ4050

电面保护电压电流温度

以下是产品介绍的关键方案：

1) BQ4050

TI在准确测量电池容量、获取反映电池健康状况和安全诊断的数据的同时，电量计技术还可以实现过压、过流、温度保护和电压平衡。上述电池信息也可以通过SMBUS发送给主机，通过WIFI连接到用户终端，方便用户及时了解清扫机器人的电池健康状况。

德州仪器 (TI) 的 BQ4050 该装置采用补偿放电终止电压 (CEDV) 技术是高度集成的高精度 1-4 节电池电量测量仪和保护解决方案，可实现自主充电器控制和电池平衡。

BQ4050关键参数说明:双路独立ADC，不仅可以同步电流和电压采样，还可以实现高精度库伦计数器功能使得输入偏移误差< 1μV 支持广泛可编程的电池和系统保护，如过压保护、过流保护、过温保护等内，如过压保护、过流保护和过温保护，用补偿放电终止电压（CEDV）算法测量和计算电池单元中的可用容量，精度在5%以内

以上便是BQ介绍4050原理的基本特征，详情请参考BQ4050数据手册 和BQ4050技术参考手册。

2) BQ77905

锂电池在使用过程中，一旦出现过压或过流（短路）等问题，不仅会影响电池寿命，还会带来安全问题。这意味着所有使用锂电池的设备都必须安装电池保护器，以便锂电池能够在相对安全的环境中正常工作。

TI提供的BQ77905是3-5 无微控制器，可堆叠锂离子电池保护器，无需微控制器 (MCU) 控制可以实现一系列的电压、电流和温度保护。该装置正好满足了扫地机器人产品4S对于锂电池的需求，单芯片可以保护过压、过流、短路和温度。

BQ77905关键参数说明:电压(过/欠) 、电流(过放/短路)和温度保护(过/欠) 、超高精度测量(电压±10mV）保护阈值和延迟均为出厂编程设定，多种配置可供选用集成的独立 CHG 和 DSG 低侧 NMOSFET 这些驱动器可以通过两个控制引脚来实现电池组μA

BQ77905还可以支持适应更多节数的堆叠使用。请参考更多细节BQ77905数据手册 和更多BQ77905应用手册。

第二节 电源管理

典型的清扫机器人电源管理电源轨道如下蓝色框图所示：系统从4串锂电池取电，通过一级降压转换为5V，向外部模块、部分传感器和相关逻辑电路供电。 5V它还将通过二次降压转换为后系统所需的3.3V, 1.8V等。一级降压电路通常功耗大，会选择DCDC变换器。二次降压电路通常功耗小，可根据用户实际情况选择LDO或者DCDC。如下图所示，一人电源树如下图所示。

2.1 降压型DCDC

一般来说，为了延长运行时间，系统会对效率、静态功耗等指标提出要求。 同时，成本也是一个非常重要的考虑因素。TI电源管理产品平衡性能和成本。TI一些在扫地机器人产品中最受欢迎的材料的耐压范围为24V-40V适用于一级降压电路：

型号

输入范围(V)

输出范围(V)

输出电流(A)

特点

封装

TPS56239H

4.5-24

0.8-16

2.0

Pin2Pin 兼容

内置补偿网络

简化外围电路

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

频率可调，最高 1.5MHz

SOP-8

LMR14006

4.5-40

1-36

0.6

固定频率，2.1MHz或1.1Mhz可选

SOT23-6

LMR14020

4.5-40

1-36

2.0

Pin2Pin兼容

效率高，动态响应好

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

固定频率，2.1MHz或1.1Mhz可选

SOT23-6

我们以TPS54202举例说明：

该芯片支持最大输入288V连续电压适用于4串锂电池。其同步整流结构可保证满载时高达98%的效率。同时，由于轻载跳频模式，可保证轻载时的高效率，如10mA在输出电流条件下，效率可达90%以上。

TPS54202关键参数说明:同步整流，内置150mΩ/80mΩ MOSFETs ，支持2A连续导电流。优化轻载调频模式和超高轻载效率展频技术EMC固定软启动：5ms峰值电流控制模式，内置补偿网络固定500KHz频率，Fixed 500kHzSOT23-6 封装

2.2 线性稳压LDO

与降压型相比，线性稳压与降压型相比DCDC在变换器方面，其输出纹波较小，噪音较小，有利于清扫机器人系统中的处理器，MCU，部分传感器运行稳定，适用于一级降压电路。 因此，在输入输出压差不大的情况下，LDO是电源管理方案的首选。TI提供业内最为广泛的LDO产品。在输入输出电压、电流、包装、压差、静态电流、功耗、噪声指标下，TI都能提供高性价比的方案。

我们以TLV758P例:

TLV758P关键参数说明：

输入电压范围： 1.5V – 6.0V

输出电压范围： 0.55V – 5.5V (可调)

输出电压精度： 1% (max) @ 85C

压差: 125mV (max) at 500mA (3.3Vout)TI中国代理商

静态电流: 25uA (typ)

共模抑制比PSRR: 50dB @ 100kHz

抑制输入浪涌电流

过流保护

主动放电输出电容器

封装: 2x2 DFN-6

第三节 电机驱动

典型的扫地机器人产品中有非常多需要用到电机驱动的场合，如： 主刷、侧刷、水泵、吸尘电机、LDS旋转座等。 TI对于不同类型的电机和负载大小，有一个非常全面的产品目录可供选择。

以主轮驱动应用为例：

主轮电机通常为12V直流有刷电机。 前转、后转、里程记录、堵转检测等功能。TI的DRV8870有刷电机驱动产品，配合TI超高性价比的运TLV以上所有功能都可以完美实现。TI同时，还提供实现该功能的参考设计TIDA-01588, 注册官网myTI，可免费浏览，下载参考设计文档、原理图、测试文档等源文件。

参考设计的基本结构如下：

，系统电源为10.8V DC，跨接一个TVS保护，通过DRV870驱动刷电机BDC。10.8V DC经过LDO线性稳压器TPS709给微控制器MSP430FR微控制器供电2433DRV8870发出控制电机的指令，实现扫地机器人主轮的正转、反转、制动、空档滑行等功能。同时DRV8870通过外部采样电阻结合运输TLV9061进行电流检测，实现堵转检测等功能。光电计数器或霍尔传感器信号位于电机上ESD接口芯片ESD对微控制器进行反馈，可实现电机测试过程记录等功能。

DRV8870参数说明:6.5V – 45V输入电压范围， 3.6A内置H桥峰值电流输出能力NMOSPWM控制信号输入HSOP 8-pin1) 输入欠压锁定2) Charge pump过流保护和过温保护3) 自动重启故障

详情请参考DRV8870数据手册。

除了该参考设计中所推荐的DRV8870外，TI推荐以下特色方案：DRV8876。以下是产品介绍： DRV8876 H内置桥式驱动器N-MOSFET，charge pump，采样转换电流，以及各种保护电路。非常适合扫地机器人主轮驱动或主刷驱动。DRV8876最大的亮点是通过内置采样电路和信号调电路和信号调节实现堵转检测。与传统驱动方案(如DRV与8870相比，可以节省设计师的一个功率采样电阻和一个堵转检测的运放。

另外，DRV8876可以通过设置睡眠模式来保持超低的待机功耗（<1uA），确保清扫机器人电池能最大限度地节能。

DRV8876参数说明:4.5V – 37V输入电压范围， 3.5A内置电流采样电路具有峰值电流输出能力，无需外置功率电阻电流信号反馈输出功能，无需外置运放展频技术优化EMI性能支持1.8V,3.3V, 5V电平控制信号支持给类保护机制：1) 输入欠压锁定2) Charge pump欠压保护3) 过流保护

详情请参考DRV8846数据手册。

第四节 传感器和信号调节

扫地机器人作为智能小家电，是其核心部件之一。传感器需要实现的典型功能包括:避障传感、沿墙传感、悬崖检测、虚拟墙检测、碰撞传感、里程检测、自动充电检测、视觉传感和导航。此外，不同的产品会根据不同的功能有不同的传感器需求，如尘箱/水箱检测、车轮异常检测等。

TI为实现上述功能提供以下传感器：

4.1 霍尔传感器

霍尔传感器可用于实现车轮里程计、虚拟墙检测，如尘箱/水箱检测、车轮异常检测等。

TI的霍尔传感器有以下特点：

1） 宽输入耐压(1.65V-38V）保证通用性和可靠性；

2） 超低待机功耗（<1uA）有利于电池设备延长使用时间；

3） 可选多种带宽(5)Hz, 20Hz, 160Hz, 2KHz, 30KHz)

4） 可选择多种包装（SOT-23, TO-92，X2SON）

4.2 1D TOF

1D ToF可用于避障传感、悬崖检测、视觉传感、导航等功能。TI 1D TOF器件OPT3101的基本工作原理及其在扫地机器人中的应用。

1) OPT3101基本工作原理及优势

ToF (Time of Flight) 飞行传感器的全称时间。ToF 核心系统由光发射器组成 (激光，LED 和IR 等)和光接收器 由光电二极管组成。物体反射后，发射器的调制信号部分返回接收器。被测物体的深度(距离)可以通过测量发射光信号与接收光信号之间的相位差信息来获得 然后实现长距离接近感应和距离测量。

2) TI的ToF传感器 OPT3101具有以下特点和优点

远距离测距、障碍检测和躲避，15 米不模糊范围内有16米 通过去混叠技术，可以扩大位距输出

灵活定制各种光电二极管和发射极的设计 (宽波长范围)

高达4kHz 的采样率

优良的环境光和阳光抑制性能 (室外和室内)不依赖于物体颜色和反射率的测距

自适应HDR 节约能耗，提高动态范围

支持3 满足多区域运行需求的发射器通道

集成照明驱动器高达173mA 可编程电流控制能力

3) OPT3101在扫地机器人中的应用

利用OPT3101具有抗干扰性强、精度高的特点。非常适合在清扫机器人中实现主避障检测功能。与传统的红外模式相比，可以实现更好的一致性和更好的抗光干扰能力。

利用OPT不受物体颜色影响，3101可实现更可靠的悬崖检测：

利用OPT3101的特性也可以构成旋转ToF激光雷达传感器实现三维平面360度激光测距，产生平面点云地图信息，配合SLAM算法可以实现准确的地图构建、定位导航等功能。有关该功能的更多细节，请联系当地TI销售代表和技术支持。

4.3 通用操作放大器TLV900X系列

除传感器本体外，TI为传感器后级提供信号调节方案。 扫地机器人应用中的典型需求是通用操作放大器。 常用于电机电流采样、电池充电采样、电池组温度信号调理、红外传感器信号调理等。TI上述应用场合可以完全覆盖所提供的一般运输类型产品。以下产品介绍为目前TI主推的高性价比通用运输TLV900X。

TLV900x适用于低功耗、轨道对轨输入输出、1MHz 通用操作放大器。TLV900x 该系列包括单通道 (TLV9001)、双通道(TLV9002)、 和四通道 (TLV9004) 低电压（1.8V 至5.5V）操作放大器。具有以下特点：

1) 轨道输入输出

2) 低输入失调电压：±0.4mV

3) 单位增益带宽：1MHz

4) 由于电阻开环输出阻抗，可以在更高的电容负载下使用 (100pF)更容易实现稳定

5) 低宽带噪声：27nV/√Hz @ 1kHz

6) 低输入偏置电流：5pA

7) 低静态电流：60μA/通道

8) 电源电压可低至 1.8V 在电压下运行

9) 内部射频干扰 (RFI) 和电磁干扰 (EMI) 滤波器

10) 扩展温度范围：–40°C 至 125°C

以上是通用运输TLV900X请参考基本介绍和更多细节TLV900X数据手册。此外，我们还有带宽和摆率要求更高的场合TLV906X(带宽10MHz), TLV905X(摆率15V/us)等系列产品供选择。

第五节、人机交互界面

人机交互功能丰富，能给扫地机器人产品带来更好的用户体验和附加值。TI在这一领域提供了许多解决方案： LED显示、电容触摸、语音功放、无线连接等。LED以显示和电容触摸方案为代表。

5.1 LED显示

TI的LED包括： 指示灯背光驱动，LED数字管显示驱动，呼吸/跑马灯。 对于扫地机器人产品，LED灯通常用于状态指示，用户可以根据不同的产品需求选择不同类型的显示。TI LED驱动芯片的优点包括:1) 节约MCU I/O口。2） 高效可靠的恒流驱动。3)特殊灯效可以在没有大量软件资源的情况下实现。 以下为TI LED清扫机器人应用中产品的一般分类和推荐：

LED指示灯

断码式LED数码管

呼吸灯，环形灯

接口

SPI

I2C

SPI

SPI

I2C

指标

多通道数输出恒流驱动

40V耐压，多通道数输出恒流驱动

多通道数输出恒流驱动

控制高分辨率亮度

多通道数

内置驱动引擎

建议

TLC5928X

TLC5947

TLC595X

TLC6C598

TLC6C5912

TLC5928X

TLC595X

TLC5947 (24CH)

TLC595X (48CH)

LP55231

LP5569

LP50XX

典型的应用场景

背光灯显示

数码管显示

呼吸灯、跑马灯、渐变灯、环形/条形等

以LP50XX系列产品示例说明：LP50XX系列是TI全新一代RGB三色灯驱动，可占用MCU在资源很少的情况下，实现多个渠道RGB控制三色灯，实现精确恒流、明暗、颜色变化、图案组合等效果。该产品的照明效率为清扫机器人带来了独特的人机交互体验。其开发的简单性也有利于产品的快速上市。

LP50XX36/30/24/18/12/9-ChVCC 范围: 2.7V to 5.5V恒流控制，全电压范围内每个通道最大25.5mA，当VCC大于3.3V时可达35mA;超低关断电流1uA (Max.)，低待机功耗10uA(Typ.)每个通道集成12bit， 29KHz PWM发生器独立通道颜色配置寄存器独立通道亮度控制寄存器3RGB方便软件编写可支持4个设备级联支持400KHz快速I2C模式

可以查看更多详细信息LP50XX规格书, 更多LED可查看选型TI官网： LED选型。

5.2 MSP430 Captivate MCU

MSP430 captivate系列MCU是TI基于电容式触摸方案的最新一代。 有以下特点：

1） 可靠性： 芯片通过IEC61000-4-X认证能有效抵抗噪声，防止误触发；

2） 通用性：该方案可用于触摸各种材料面板（玻璃、塑料、金属），也可实现简单的手势识别、接近感应和液位检测。

3） 低功耗：TI Captivate MCU沿袭了TI MCU一贯的超低待机功耗特性，非常适合扫地机器人等电池产品。

4） 高分辨率： 超高分辨率有利于实现滑条、滚轮等触摸效果。

5） 简易开发： TI自定义设计只需5分钟即可提供完整的图形编程界面。

以MSP430FR2522产品示例说明：

MSP430FR主要参数指标如下：

1） 15个I/O口，其中8个I/O可用于电容感应。

2） 最高频率支持16Mhz，7KB FRAM存储空间。

3） 内置8个10bit ADC。

4） 超低待机功耗:正常运行(120uA/MHz）,待机模式（<4uA）,关断模式（36nA）。

5） VQFN，TSSOP封装可选。

5.3 TI参考设计

针对上述两种人机交互功能，TI整合定制参考设计TIDA-01559。它采用了 MSP430FR2522 MCU 和 LP5569 LED 可通过的驱动器 LED 发动机控制实现极低的待机功耗，减少 MCU 负载资源。该解决方案可应用于需要优秀的解决方案 EMI 低功耗性能和抗湿性能 HMI 该设计可应用于扫地机器人产品。

参考设计的系统框图和实物图如下图所示，可实现：

1) 利用MSP430FR实现玻璃/塑料面板触摸按钮，并接近唤醒。

2) 利用LP5569实现RGB三色灯环的特殊效果(呼吸、闪烁、渐变等)

3) 利用LP5569配合MSP430FR2522实现LED闪烁和手触成随机效果。