使用合適的電池充電器 IC 縮小真空吸塵器機器人設(shè)計

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備之間的互連使自動化家庭的快速發(fā)展成為可能。真空機器人的發(fā)展源于通過無線連接和遠程訪問操作家庭設(shè)備的便利性。

一個真空機器人省去了設(shè)定時間表，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)省時間之外，這些緊湊型真空機器人與傳統(tǒng)的重型真空吸塵器不同，可輕松到達與家具、墻壁和角落相關(guān)的堅硬角落和縫隙，從而減輕了運行真空的壓力。

為了最大限度地清潔地面空間，真空機器人必須優(yōu)化其運行時間。因此，電池充電解決方案需要在真空機器人設(shè)計中仔細考慮。從充電座獲取大約 19-20V 的輸入電壓，市場上的大多數(shù)真空機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。延長這些電池的運行時間并降低電池成本需要有效利用電池組以達到其最大容量。圖 2 展示了真空機器人系統(tǒng)并重點介紹了其電池管理解決方案。

圖 1：真空機器人系統(tǒng)電源圖

我們可以通過多種方式實現(xiàn)充電電路。分立式解決方案使用簡單的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池充電。該系統(tǒng)的微控制器 (MCU) 通過控制 MOSFET 的開/關(guān)切換來模擬 CC-CV 充電曲線。雖然分立式解決方案可能并不昂貴，但其充電電壓不準確、開關(guān)頻率低且缺乏內(nèi)置電池保護，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、高開關(guān)頻率和增強的電池保護。雖然一些設(shè)計人員可能會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)勢令人印象深刻地超過了價格差異。

市場上的真空機器人的運行時間各不相同，從大約60到150分鐘不等。最大化清潔表面積取決于機器人的運行時間，使最佳運行時間成為消費者的關(guān)鍵賣點；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，最終延長機器人的運行時間。

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。基于充電器 IC 和幾個分立解決方案的充電電壓精度，數(shù)據(jù)將幾個 DOD 點映射到電池電壓，從而轉(zhuǎn)化為運行時間。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)備運行時間和具有特定運行時間目標的電池的成本差異。以使用TI充電器IC解決方案的真空機器人為例，充電電壓精度為±0.5%，運行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器人只能運行 55 分鐘。因此，如表 1 所示，由于充電電壓精度較低而導(dǎo)致的容量損失會顯著縮短機器人的運行時間。

從貨幣角度來看，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買 11 美元的容量。這額外的 65 分鐘運行時間將使機器人可以清潔幾個額外的房間，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 解決方案的價值。

充電器 IC 解決方案產(chǎn)生高開關(guān)頻率，進而需要小型、低成本的電感器。例如，TI 的 bq24725A 開關(guān)頻率為 750kHz，通常使用尺寸為 28mm 2的 4.7μH 電感器?；蛘?，開關(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)計的角度來看，充電器 IC 有利地提供了一套完整、復(fù)雜的電池安全功能，包括輸入過流、充電過流、電池過壓、熱關(guān)斷、電池接地短路、電感器短路和場效應(yīng)晶體管 (FET) 短路保護. 另一方面，分立解決方案必須使用其 MCU 來實現(xiàn)電池保護，并且由于其響應(yīng)時間緩慢，當 MCU 檢測到故障時，電池可能會損壞。因此，充電器 IC 可在任何最壞情況下保護電池，同時無需我們創(chuàng)建自己的電池保護裝置。

為了提高設(shè)計靈活性，TI 多節(jié)電池開關(guān)充電器產(chǎn)品組合提供了獨立和主機控制拓撲的選項。諸如 bq24610 之類的獨立充電器通過外部電路元件控制電壓和電流限制，從而簡化了實施。主機控制的充電器（例如 bq24725A 或 bq24773）使用 I 2 C 或 SMBus 對限值進行編程，通過利用系統(tǒng)現(xiàn)有 MCU 的計算能力來節(jié)省物料清單成本。

與真空機器人的常見分立式充電解決方案相比，充電器 IC 具有無數(shù)優(yōu)勢。雖然分立解決方案最初可能更經(jīng)濟，但充電器 IC 解決方案提供了比分立替代方案更長的運行時間、系統(tǒng)成本節(jié)約和更簡單的設(shè)計實現(xiàn)。最終，完整充電器 IC 解決方案的好處超過了分立充電解決方案的初始成本節(jié)約。