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清晨7点，当咖啡机开始工作，扫地机器人已悄然完成全屋清扫——这不再是科幻电影的场景，而是当代家庭的日常。Statista数据显示，2024年全球清洁机器人市场规模已达150亿美元，预计到2030年将以12%的年复合增长率持续增长。

如何设计一款扫地机器人

在直径30厘米的机身内，藏着堪比精密仪器的技术博弈：如何让电机更安静却更有力？怎样在狭小空间塞入续航更久的电池？传感器如何像猫须般敏锐感知环境？其答案都离不开半导体技术与系统设计的平衡。

设计扫地机器人前，需先了解其工作原理。扫地机器人借助IR传感器阵列感知障碍、地面及集尘盒状况，ADC将模拟信号转换为数字信号给MCU处理，实现自主清扫、避障及回充等功能。电源则将市电转换为直流为锂电池充电，并以电池平衡IC确保充放电安全。扫地机器人的标准系统框图如下所示：

图1. 扫地器人标准系统框图

在扫地机器人设计中，高效率、低功耗与小型化至关重要。东芝为电源、电机驱动、传感器信号输入等单元提供各类半导体产品及电路配置示例。

在扫地机器人中有多个直流无刷电机，如吸气风扇电机、主刷电机、侧刷电机和牵引电机。直流无刷电机驱动电路采用东芝智能功率器件（IPD）TPD7212FN以及内置电荷泵的3相全桥功率MOSFET驱动器，实现过流保护和反向电源连接保护等功能，简化3相全桥电路配置。

另外还使用东芝直流无刷电机预驱动器IC、U－MOS系列N沟道MOSFET、低噪声运算放大器和MCU。

图2. 直流无刷电机驱动电路（IPD＋MOSFET）

在直流无刷电机驱动电路（IPD＋MOSFET／预驱动器＋MOSFET）电源部分，电子保险丝和MOSFET栅极驱动器则分别采用东芝TCKE800xx和TCK4xxx等。

图3. 直流无刷电机驱动电路

（IPD＋MOSFET／预驱动器＋MOSFET）电源部分

3相直流无刷电机驱动电路中采用东芝TB67B001FTG直流无刷电机驱动器，通过改变PWM占空比来控制电机转速。

图4. 直流无刷电机驱动电路（电机驱动IC）

图(tú)5. 直(zhí)流(liú)有刷电机驱动电路（IPD＋MOSFET）

另外，直流无刷及有刷电机驱动电路都使用了东芝H桥IPD和U－MOS系列P沟道MOSFET或N沟道MOSFET栅极驱动器IC等产品。

图6. 直流有刷电机驱动电路（电机驱动IC）

在状态显示LED驱动电路设计中，东芝双极晶体管（2SC2712、HN1B01FU等）具备高电压与电流处理能力、出色的电流增益和低噪声性能，能从容应对严苛环境下的高电压需求。

图7. 用于状态显示的LED驱动电路

在反激式AC－DC电路里，东芝晶体管输出光耦器TLP383用作反馈电路，以提升安全性，降低功耗，减小终端尺寸。TLP383开关速度更快，关断时间仅为30μs。

图8. 光耦反激式AC－DC转换器反馈电路

在Wi-Fi／蓝牙电路中，内核芯片电源和天线保护电路选用东芝TCR15AG系列等小型表面贴装LDO稳压器，以驱动1.5A高电流，满足Wi－Fi芯片的电源需求。东芝TVS二极管DF2B5M4SL等可有效防止移动设备受静电放电与噪声影响。

图(tú)9. Wi-Fi／蓝(lán)牙(yá)电(diàn)路

光(guāng)电(diàn)二(èr)极(jí)管(guǎn)红(hóng)外(wài)传(chuán)感(gǎn)器(qì)电(diàn)路里(lǐ)的(de)东(dōng)芝(zhī)运(yùn)算(suàn)放(fàng)大(dà)器(qì)TC75S67TU具(jù)有(yǒu)低(dī)噪(zào)声(shēng)特(tè)性(xìng)，能(néng)延(yán)长(zhǎng)物(wù)联(lián)网(wǎng)设(shè)备(bèi)电(diàn)池(chí)续(xù)航(háng)，适(shì)用(yòng)于(yú)小(xiǎo)型(xíng)化(huà)产(chǎn)品(pǐn)。

图(tú)10. 使(shǐ)用(yòng)光(guāng)电(diàn)二(èr)极(jí)管(guǎn)的(de)红(hóng)外(wài)传(chuán)感(gǎn)器(qì)电(diàn)路

MCU选择上，东芝M4K族TXZ＋TM 4A系列、M470族TX04系列及M370族TX03系列都值得考虑。这些MCU配备可编程电机控制电路、编码器输入电路、高级矢量引擎、高速12位AD转换器和运算放大器等，是电机／变频器控制的理想之选。

智能清洁未来已来

东芝半导体为扫地机器人提供多样先进产品，助力打造更智能的清洁与家居伙伴。更多关于器件选型和器件性能评估、整体设计理念敬请访问东芝半导体官方网站，开启您的设计之路。

关于东芝电子元件及存储装置株式会社

东芝电子元件及存储装置株式会社是先进的(de)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)和(hé)存(cún)储(chǔ)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)的(de)领(lǐng)先(xiān)供(gōng)应(yīng)商(shāng)，公(gōng)司(sī)累(lèi)积(jī)了(le)半(bàn)个(gè)多(duō)世(shì)纪(jì)的(de)经(jīng)验(yàn)和(hé)创(chuàng)新(xīn)，为(wèi)客(kè)户(hù)和(hé)合(hé)作(zuò)伙(huǒ)伴(bàn)提(tí)供(gōng)分(fēn)立(lì)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)、系(xì)统(tǒng)LSI和HDD领域的杰出解决方案。

东芝电子元件及存储装置株式会社十分注重与客户的密切协作，旨在促进价值共创，共同开拓新市场，期待为世界各地的人们建设更美好的未来并做出贡献。