使用合適的電池充電器 IC 縮小真空吸塵器機(jī)器人設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備之間的互連使自動(dòng)化家庭的快速發(fā)展成為可能。真空機(jī)器人的發(fā)展源于通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接和遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)操作家庭設(shè)備的便利性。

一個(gè)真空機(jī)器人省去了設(shè)定時(shí)間表，以確保始終如一的干凈的家手工地板清潔的需要。除了方便和節(jié)省時(shí)間之外，這些緊湊型真空機(jī)器人與傳統(tǒng)的重型真空吸塵器不同，可輕松到達(dá)與家具、墻壁和角落相關(guān)的堅(jiān)硬角落和縫隙，從而減輕了運(yùn)行真空的壓力。

為了最大限度地清潔地面空間，真空機(jī)器人必須優(yōu)化其運(yùn)行時(shí)間。因此，電池充電解決方案需要在真空機(jī)器人設(shè)計(jì)中仔細(xì)考慮。從充電座獲取大約 19-20V 的輸入電壓，市場(chǎng)上的大多數(shù)真空機(jī)器人都采用可充電的四芯鋰離子 (Li-ion) 電池為其系統(tǒng)供電。延長(zhǎng)這些電池的運(yùn)行時(shí)間并降低電池成本需要有效利用電池組以達(dá)到其最大容量。圖 2 展示了真空機(jī)器人系統(tǒng)并重點(diǎn)介紹了其電池管理解決方案。

圖 1：真空機(jī)器人系統(tǒng)電源圖

我們可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)充電電路。分立式解決方案使用簡(jiǎn)單的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池充電。該系統(tǒng)的微控制器 (MCU) 通過(guò)控制 MOSFET 的開(kāi)/關(guān)切換來(lái)模擬 CC-CV 充電曲線(xiàn)。雖然分立式解決方案可能并不昂貴，但其充電電壓不準(zhǔn)確、開(kāi)關(guān)頻率低且缺乏內(nèi)置電池保護(hù)，導(dǎo)致成本增加且性能比充電器集成電路 (IC) 更差。

或者，充電器 IC 解決方案提供高充電電壓精度、高開(kāi)關(guān)頻率和增強(qiáng)的電池保護(hù)。雖然一些設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇成本低于充電器 IC 解決方案的分立式解決方案，但充電器 IC 的優(yōu)勢(shì)令人印象深刻地超過(guò)了價(jià)格差異。

市場(chǎng)上的真空機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間各不相同，從大約60到150分鐘不等。最大化清潔表面積取決于機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間，使最佳運(yùn)行時(shí)間成為消費(fèi)者的關(guān)鍵賣(mài)點(diǎn)；只需多花幾分鐘就可以區(qū)分完全干凈和部分骯臟的家。

TI 的充電器 IC（例如 bq24725A 或 bq24610）可提供 ±0.5% 的高精度充電電壓，而低成本 DC/DC 轉(zhuǎn)換器充電電壓精度為 ±5%。由于具有 ±0.5% 的小充電電壓精度，該充電器 IC 可最大限度地提高電池容量，最終延長(zhǎng)機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間。

圖 3 描述了電池電壓與室溫下 4.2 鋰離子電池的放電深度 (DOD) 的關(guān)系?；诔潆娖?IC 和幾個(gè)分立解決方案的充電電壓精度，數(shù)據(jù)將幾個(gè) DOD 點(diǎn)映射到電池電壓，從而轉(zhuǎn)化為運(yùn)行時(shí)間。如圖 3 及其表 1 中的相關(guān)數(shù)據(jù)所示，與分立式充電解決方案相比，TI 充電器 IC 解決方案顯著提高了容量。

圖 2：鋰離子 DOD 與電池電壓

表 1：映射到電池容量的充電電壓精度

電池容量最終轉(zhuǎn)化為設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和具有特定運(yùn)行時(shí)間目標(biāo)的電池的成本差異。以使用TI充電器IC解決方案的真空機(jī)器人為例，充電電壓精度為±0.5%，運(yùn)行120分鐘。使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為充電電壓精度為 ±5% 的離散解決方案的同一真空機(jī)器人只能運(yùn)行 55 分鐘。因此，如表 1 所示，由于充電電壓精度較低而導(dǎo)致的容量損失會(huì)顯著縮短機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間。

從貨幣角度來(lái)看，此應(yīng)用的電池組成本約為 20 美元。本示例中 56% 的容量損失需要我們多購(gòu)買(mǎi) 11 美元的容量。這額外的 65 分鐘運(yùn)行時(shí)間將使機(jī)器人可以清潔幾個(gè)額外的房間，并且由于容量最大化而節(jié)省的成本量化了使用充電器 IC 解決方案的價(jià)值。

充電器 IC 解決方案產(chǎn)生高開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而需要小型、低成本的電感器。例如，TI 的 bq24725A 開(kāi)關(guān)頻率為 750kHz，通常使用尺寸為 28mm 2的 4.7μH 電感器。或者，開(kāi)關(guān)頻率僅為 50kHz 的分立解決方案需要更大的 75μH 或更大的電感器，覆蓋大約 113mm 2的電路板空間。除了節(jié)省解決方案尺寸外，充電器 IC 的電感比分立解決方案的電感便宜大約兩倍，具體取決于電感的選擇。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，充電器 IC 有利地提供了一套完整、復(fù)雜的電池安全功能，包括輸入過(guò)流、充電過(guò)流、電池過(guò)壓、熱關(guān)斷、電池接地短路、電感器短路和場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 短路保護(hù). 另一方面，分立解決方案必須使用其 MCU 來(lái)實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)，并且由于其響應(yīng)時(shí)間緩慢，當(dāng) MCU 檢測(cè)到故障時(shí)，電池可能會(huì)損壞。因此，充電器 IC 可在任何最壞情況下保護(hù)電池，同時(shí)無(wú)需我們創(chuàng)建自己的電池保護(hù)裝置。

為了提高設(shè)計(jì)靈活性，TI 多節(jié)電池開(kāi)關(guān)充電器產(chǎn)品組合提供了獨(dú)立和主機(jī)控制拓?fù)涞倪x項(xiàng)。諸如 bq24610 之類(lèi)的獨(dú)立充電器通過(guò)外部電路元件控制電壓和電流限制，從而簡(jiǎn)化了實(shí)施。主機(jī)控制的充電器（例如 bq24725A 或 bq24773）使用 I 2 C 或 SMBus 對(duì)限值進(jìn)行編程，通過(guò)利用系統(tǒng)現(xiàn)有 MCU 的計(jì)算能力來(lái)節(jié)省物料清單成本。

與真空機(jī)器人的常見(jiàn)分立式充電解決方案相比，充電器 IC 具有無(wú)數(shù)優(yōu)勢(shì)。雖然分立解決方案最初可能更經(jīng)濟(jì)，但充電器 IC 解決方案提供了比分立替代方案更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)成本節(jié)約和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。最終，完整充電器 IC 解決方案的好處超過(guò)了分立充電解決方案的初始成本節(jié)約。