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忙碌一周后，家庭清洁工作是人们最不愿做的事情之一。迄今为止，扫地机器人已面世约23年了，随着其智能和自动化程度日益提高，人们可以在其工作时专注于自己的事情。

如今的扫地机器人上集成了非常多的功能，比如新的拖地功能和自动除尘等。但对设计人员来说，这也意味着在设计可靠的系统时将会面临更多的挑战。而小型放大器可以帮助其快速克服许多重大挑战。下文列举了设计人员在设计过程中会遇到的六种挑战，以及小型放大器能提供的六种解决方案：

设计挑战1：由于失速检测延迟，导致电机寿命缩短。

扫地机器人车轮的力量决定了它的越障能力。为了能够通过厚地毯和越过门槛，其电机功率需要达到至少30W或更高。如果发生失速或过载事件，例如车轮被电线卡住，电机绕组电流将立即上升。延迟检测到这种情况会导致电机过热并缩短其寿命。

解决方案1：电机控制系统中的快速瞬态响应电流感应。

为减少过热的可能性，可以使用低侧电流感应电路来监控电机的电流；见图1。

图1：电机控制系统中的电流感应电路

在该应用中用作运算放大器（op amps）电机控制系统中的电流感测电路的关键参数是压摆率。例如，当发生失速事件时，绕组电流会从0.5 A上升到3.5 A，运算放大器的相应输出为0.5 V至3.5 V（50mΩ分流电阻和20-V/V增益）。使用压摆率为0.5 V/μs的运算放大器时，阶跃变化的安定时间约为6μs，而使用TI的TLV905x等压摆率为15 V/μs的运算放大器，相同阶跃变化的安定时间仅为0.2μs。因此，使用瞬态响应速度提高30倍的 TLV905x 将增加控制器执行过流保护的余量。

设计挑战2：由于充电电压不准确，导致电池续航时间缩短。

扩大电池容量是扫地机器人面临的一大重要设计挑战。消费者期望机器人在需要再次充电前，能够完成一个完整的清洁周期。

使用低质量电流感测的高输出电压纹波将产生无法使用的电池容量。例如，如果4.2 V时的电池精度为±3.5%，经过250次充电循环后会将可用电池容量降低至40%，而如果4.2 V时的电池精度为±0.5，则会使可用电池容量保持在85%。

解决方案2：恒流/恒压回路中的高精度电压/电流感应。

对电池充电的一种常见方法是使用如图2所示的分立充电解决方案。电压和电流感应电路在控制回路中产生反馈电压和电流信号。为了实现高精度和稳定性，偏移电压和温度漂移是此处所用运算放大器的两大关键参数。

图2：分立电池充电器电路

设计挑战3：由于负温度系数（NTC）热敏电阻错误，导致电池过热。

监控电池组的温度是扫地机器人的一大主要安全问题。与温度传感器的解决方案相比，监控电池组温度的具有成本效益的方法是使用NTC热敏电阻感测电路。温度感测不准可能导致电池组过热或烧坏。

解决方案3：使用NTC进行高精度温度测量。

测量温度的一种方法是使用电阻和热敏电阻来分配电源，并将分压器输出直接连接到系统控制器内部的模数转换器（ADC）引脚。分压器的输出阻抗很低，输出电压范围对ADC来说并不理想，因此这种方式效率不高，且测量结果不准确。

图3使用运算放大器作为调节温度输出信号的缓冲器，为分压器和低阻抗节点提供高阻抗节点以驱动ADC，并将输出范围调节至最佳ADC分辨率。运算放大器的影响参数包括直流精度（偏移电压、电压漂移）和稳定性。

图3：NIC热敏电阻感测电路

设计挑战4：由于里程计测量不准，导致定位和导航系统精度较低。

当扫地机器人构建环境地图时，里程计应提供用于绘图的准确行进距离。里程计测量不准将导致机器人的定位和导航精度较低。

解决方案4：可用稳健的里程计信号增强电路。

测量里程的常用方法是使用光电****或霍尔效应传感器并对脉冲进行计数，以获得里程信息。通常来讲，里程计安装在车轮内部，因此印刷电路板走线很长，更容易受到开关噪声的影响，从而导致输出信号在MCU的输入端口失真。如图4所示的缓冲电路可产生无抖动和失灵的标准逻辑信号。

图4：用于稳健逻辑输出电路的缓冲器

设计挑战5：嘈杂/失真的电机驱动信号会导致电机意外运行。

系统控制器通常位于控制板的中心，而电机安装在电路板的边缘。因此，直接连接到MCU端口的驱动信号更容易产生噪声或失真，导致电机意外运行。

解决方案5：电机驱动路径中的脉宽调制（PWM）增强器电路。

此处的解决方案是加装一个用作增强器的运算放大器，而不是将驱动信号与MCU引脚连接的电路。图5所示为用于有刷直流电机的分立电机驱动解决方案。控制器通过图腾柱场效应晶体管驱动器产生PWM信号，以驱动H桥功率晶体管。PWM增强器电路有助于最大限度地减少延迟并增强PWM信号，同时降低噪声和失真。

图5：增强型PWM电路

设计挑战6：由于扫地机器人距离检测出错，导致碰撞或跌落事故。

防跌落传感器用于检测楼梯的高度，而碰撞传感器用于检测扫地机器人周围的障碍物。距离检测出错时，会导致传感器性能不准，从而发生碰撞或跌落事件，并导致机器人损坏。

解决方案6：高精度红外输出信号调节。

如图6所示，红外LED和光电晶体管被广泛用作检测距离的低成本解决方案。距离信息与固定频率调制波所携带回波的幅度相关。

图6：红外LED接收器的信号调节电路

具有低输入偏置电流的互阻抗运算放大器电路在此处被广泛使用。参考电路如SBOA268A所示。

TI的TLV906x、TLV905x和TLV900x通用放大器非常适用于上述的六种情况，设计人员可以利用其缩短产品上市时间，并克服常见的设计挑战。

其他资源

• 请下载“模拟工程师电路指南：放大器”