基于芝芯产品的扫地机器人设计方案

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5. 直流有刷电机驱动电路（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9. Wi-Fi／蓝牙电路

光电二极管红外传感器电路里的东芝运算放大器TC75S67TU具有低噪声特性，能延长物联网设备电池续航，适用于小型化产品。

图10. 使用光电二极管的红外传感器电路

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半导体和存储解决方案的领先供应商，公司累积了半个多世纪的经验和创新，为客户和合作伙伴提供分立半导体、系统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。