德州儀器針對掃地機器人系統(tǒng)的解決方案
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/202203/432311.htm
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
第二節(jié)、電源管理
第三節(jié)、電機驅(qū)動
第四節(jié)、傳感器及信號調(diào)理
第五節(jié)、人機交互界面
第一節(jié) 電池管理
掃地機器人典型應(yīng)用是四節(jié)鋰電池串聯(lián)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(shè)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(xiàn)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(guān)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(yù)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(guān)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(shè)計和性能:
BQ24773關(guān)鍵參數(shù)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(diào)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(diào)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(guān)頻率(可編程設(shè)定) |
以上便是BQ24773原理的基本簡介,更多細節(jié),請參閱BQ24773數(shù)據(jù)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(chǎn)品質(zhì)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,更多細節(jié)可查看以下博客:
The value of a charger IC over a discrete solution for vacuum robots
1.2 電池保護和電量計
該功能的實現(xiàn)有依賴于專用鋰電池保護IC。 根據(jù)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(chǎn)品介紹:
1) BQ4050
TI的電量計技術(shù)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(shù)據(jù)的同時,還能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù),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(xiàn)自主的充電器控制和電池均衡。
BQ4050關(guān)鍵參數(shù)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(xiàn)高精度庫倫計數(shù)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(nèi)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(nèi) |
以上便是BQ4050原理的基本特性介紹,更多細節(jié)請參閱BQ4050數(shù)據(jù)手冊 和BQ4050技術(shù)參考手冊。
2) BQ77905
鋰電池在使用的過程中,一旦出現(xiàn)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(shè)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(xiàn)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(chǎn)品4S鋰電池的需求,單芯片可實現(xiàn)過壓,過流,短路,溫度等保護。
BQ77905關(guān)鍵參數(shù)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(shè)定,多種配置可供選用集成的獨立 CHG 和 DSG 低側(cè) NMOSFET 驅(qū)動器實現(xiàn)電池組保護,這些驅(qū)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(yīng)更多節(jié)數(shù),更多細節(jié)請請參閱BQ77905數(shù)據(jù)手冊 和更多BQ77905應(yīng)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(jīng)過一級降壓轉(zhuǎn)換為5V,給到外置模塊,部分傳感器以及相關(guān)邏輯電路供電。 5V還會經(jīng)過二級降壓轉(zhuǎn)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(jù)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)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 |
| 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(diào),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 |
| 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(yīng)用場合。其同步整流的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵參數(shù)說明:同步整流,內(nèi)置150mΩ/80mΩ MOSFETs ,支持2A持續(xù)導通電流。輕載調(diào)頻模式,超高輕載效率展頻技術(shù)優(yōu)化EMC固定軟啟動:5ms峰值電流控制模式,內(nèi)置補償網(wǎng)絡(luò)固定500KHz頻率,F(xiàn)ixed 500kHzSOT23-6 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(nèi)最為廣泛的LDO產(chǎn)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(guān)鍵參數(shù)說明:
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第三節(jié) 電機驅(qū)動
典型的掃地機器人產(chǎn)品中有非常多需要用到電機驅(qū)動的場合,如: 左右輪子,主刷,邊刷,水泵,吸塵電機,LDS旋轉(zhuǎn)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(chǎn)品目錄可供選擇。
以主輪驅(qū)動應(yīng)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(zhuǎn),后轉(zhuǎn),里程記錄,堵轉(zhuǎn)檢測等功能。TI的DRV8870有刷電機驅(qū)動產(chǎn)品,配合TI超高性價比運放TLV9061,可以完美實現(xiàn)以上所有功能。TI同時還提供實現(xiàn)該功能的參考設(shè)計TIDA-01588, 通過注冊官網(wǎng)myTI,可以免費瀏覽,下載該參考設(shè)計的設(shè)計文檔,原理圖,測試文檔等源文件。
該參考設(shè)計基本架構(gòu)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(qū)動有刷電機BDC。10.8V DC經(jīng)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(xiàn)掃地機器人主輪的正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn),剎車,空擋滑行等功能。同時DRV8870通過外置采樣電阻,結(jié)合運放TLV9061進行電流檢測,實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測等功能。位于電機上的光電計數(shù)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(xiàn)電機測試歷程記錄等功能。
DRV8870參數(shù)說明:6.5V – 45V輸入電壓范圍, 3.6A峰值電流輸出能力內(nèi)置H橋NMOSPWM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(shù)據(jù)手冊。
除了該參考設(shè)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(chǎn)品的介紹: DRV8876是一款高集成度 H橋驅(qū)動器,內(nèi)置N-MOSFET,charge pump,電流采樣轉(zhuǎn)換,以及各類保護電路。非常適合用于掃地機器人的主輪驅(qū)動,或者主刷驅(qū)動。DRV8876最大的亮點在于超高集成度,通過內(nèi)置采樣電路和信號調(diào)理,實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測。與傳統(tǒng)的驅(qū)動方案(如DRV8870)相比,可以節(jié)省設(shè)計者的一顆功率采樣電阻,以及一顆堵轉(zhuǎn)檢測的運放。
另外,DRV8876可以通過設(shè)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(shù)說明:4.5V – 37V輸入電壓范圍, 3.5A峰值電流輸出能力內(nèi)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(shù)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(shù)據(jù)手冊。
第四節(jié) 傳感器及信號調(diào)理
掃地機器人作為智能化的小家電產(chǎn)品,傳感器是其最核心的零部件之一。典型需要傳感器實現(xiàn)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(chǎn)品根據(jù)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(xiàn)以上功能:
4.1 霍爾傳感器
霍爾傳感器可用于實現(xiàn)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(shè)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(yīng)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(diào)制信號經(jīng)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(xiàn)長距離接近感應(yīng)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(nèi)具有16 位距離輸出,可通過去混疊技術(shù)擴展距離范圍
多種光電二極管和發(fā)射極的靈活定制設(shè)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(nèi)),不依賴于物體顏色和反射率的測距
自適應(yīng)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(qū)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(yīng)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(xiàn)主避障檢測功能。與傳統(tǒng)紅外的方式對比,可以實現(xiàn)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(xiàn)更加可靠的懸崖檢測:
利用OPT3101的特性,還可以構(gòu)成旋轉(zhuǎn)ToF激光雷達傳感器,實現(xiàn)二維平面360度全方位激光測距,并產(chǎn)生所在空間的平面點云地圖信息,配合SLAM算法,可以實現(xiàn)精確的地圖構(gòu)建,定位導航等功能。關(guān)于該功能實現(xiàn)更多細節(jié)請聯(lián)系當?shù)豑I銷售代表以及技術(shù)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(diào)理方案。 掃地機器人應(yīng)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(diào)理,紅外傳感器信號調(diào)理等。TI提供的通用運放類型產(chǎn)品可以完全覆蓋以上應(yīng)用場合。以下產(chǎn)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(diào)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(xiàn)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(nèi)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)品帶來更好的用戶體驗和產(chǎn)品附加值。TI在該領(lǐng)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(chǎn)品覆蓋多樣的應(yīng)用場景,包括: 指示燈背光驅(qū)動,LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動,以及呼吸/跑馬燈。 對于掃地機器人產(chǎn)品而言,LED燈通常用于狀態(tài)指示,用戶可以根據(jù)不同的產(chǎn)品需求,選擇不同類型的顯示方式。TI LED驅(qū)動芯片帶來的優(yōu)點包括:1) 節(jié)約MCU I/O口。2) 恒流驅(qū)動,高效可靠。3)無需大量軟件資源即能實現(xiàn)特殊燈效。 以下為TI LED產(chǎn)品在掃地機器人應(yīng)用中的大致分類和推薦:
LED指示燈 | 斷碼式LED數(shù)碼管 | 呼吸燈,環(huán)形燈 | |||
接口 | SPI | I2C | SPI | SPI | I2C |
指標 | 多通道數(shù)輸出恒流驅(qū)動 | 40V耐壓,多通道數(shù)輸出恒流驅(qū)動 | 多通道數(shù)輸出恒流驅(qū)動 | 高分辨率亮度控制 | |
多通道數(shù) | 內(nèi)置驅(qū)動引擎 | ||||
建議 | TLC5928X TLC5947 TLC595X | TLC6C598 TLC6C5912 | TLC5928X TLC595X | TLC5947 (24CH) TLC595X (48CH) | LP55231 LP5569 LP50XX |
典型應(yīng)用場景 | 背光燈顯示 | 數(shù)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(chǎn)品舉例說明:LP50XX系列是TI全新一代RGB三色燈驅(qū)動,可以在占用MCU極少資源的情況下,實現(xiàn)多個通道RGB三色燈的控制,實現(xiàn)精準恒流,亮暗,顏色變化,以及圖案組合等效果。該產(chǎn)品實現(xiàn)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(chǎn)品快速上市。
LP50XX參數(shù):支持多種通道數(shù)選型:36/30/24/18/12/9-ChVCC 范圍: 2.7V to 5.5V恒流控制,全電壓范圍內(nèi)每個通道最大25.5mA,當VCC大于3.3V時可達35mA;超低關(guān)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(lián)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(wǎng): 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?qū)崿F(xiàn)簡單的手勢識別,接近感應(yīng)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(chǎn)品如掃地機器人。
4) 高分辨率: 超高分辨率,有利于實現(xiàn)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(xiàn)自定義設(shè)計。
以MSP430FR2522產(chǎn)品舉例說明:
MSP430FR2522的主要參數(shù)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(yīng)。
2) 頻率最高支持16Mhz,7KB FRAM存儲空間。
3) 內(nèi)置8個10bit ADC。
4) 超低待機功耗:正常運行(120uA/MHz),待機模式(<4uA),關(guān)斷模式(36nA)。
5) VQFN,TSSOP封裝可選。
5.3 TI參考設(shè)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(shè)計TIDA-01559。它采用了 MSP430FR2522 MCU 和 LP5569 LED 驅(qū)動器,可通過 LED 引擎控制實現(xiàn)極低的待機功耗并減少 MCU 的負載資源。該解決方案可應(yīng)用于需要具有出色 EMI 性能和抗?jié)裥阅艿牡凸?HMI 的應(yīng)用中,該設(shè)計可應(yīng)用與掃地機器人產(chǎn)品中。
該參考設(shè)計的系統(tǒng)框圖和實物圖如下方所示,可實現(xiàn)功能包括:
1) 利用MSP430FR2522實現(xiàn)玻璃/塑料面板觸摸按鍵,以及接近喚醒。
2) 利用LP5569實現(xiàn)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(xiàn)LED閃爍與手觸摸成隨動效果。
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