使用合适的电池充电器 IC 缩小真空吸尘器机器人设计
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随着技术的不断发展，设备之间的互连使自动化家庭的快速发展成为可能。真空机器人的发展源于通过无线连接和远程访问操作家庭设备的便利性。
一个真空机器人省去了设定时间表，以确保始终如一的干净的家手工地板清洁的需要。除了方便和节省时间之外，这些紧凑型真空机器人与传统的重型真空吸尘器不同，可轻松到达与家具、墙壁和角落相关的坚硬角落和缝隙，从而减轻了运行真空的压力。
为了最大限度地清洁地面空间，真空机器人必须优化其运行时间。因此，电池充电解决方案需要在真空机器人设计中仔细考虑。从充电座获取大约 19-20V 的输入电压，市场上的大多数真空机器人都采用可充电的四芯锂离子 (Li-ion) 电池为其系统供电。延长这些电池的运行时间并降低电池成本需要有效利用电池组以达到其最大容量。图 2 展示了真空机器人系统并重点介绍了其电池管理解决方案。
图 1：真空机器人系统电源图
我们可以通过多种方式实现充电电路。分立式解决方案使用简单的 DC/DC 转换器为电池充电。该系统的微控制器 (MCU) 通过控制 MOSFET 的开/关切换来模拟 CC-CV 充电曲线。虽然分立式解决方案可能并不昂贵，但其充电电压不准确、开关频率低且缺乏内置电池保护，导致成本增加且性能比充电器集成电路 (IC) 更差。
或者，充电器 IC 解决方案提供高充电电压精度、高开关频率和增强的电池保护。虽然一些设计人员可能会选择成本低于充电器 IC 解决方案的分立式解决方案，但充电器 IC 的优势令人印象深刻地超过了价格差异。
市场上的真空机器人的运行时间各不相同，从大约60到150分钟不等。最大化清洁表面积取决于机器人的运行时间，使最佳运行时间成为消费者的关键卖点；只需多花几分钟就可以区分完全干净和部分肮脏的家。
TI 的充电器 IC（例如 bq24725A 或 bq24610）可提供 ±0.5% 的高精度充电电压，而低成本 DC/DC 转换器充电电压精度为 ±5%。由于具有 ±0.5% 的小充电电压精度，该充电器 IC 可最大限度地提高电池容量，最终延长机器人的运行时间。
图 3 描述了电池电压与室温下 4.2 锂离子电池的放电深度 (DOD) 的关系。基于充电器 IC 和几个分立解决方案的充电电压精度，数据将几个 DOD 点映射到电池电压，从而转化为运行时间。如图 3 及其表 1 中的相关数据所示，与分立式充电解决方案相比，TI 充电器 IC 解决方案显着提高了容量。
图 2：锂离子 DOD 与电池电压
表 1：映射到电池容量的充电电压精度
电池容量最终转化为设备运行时间和具有特定运行时间目标的电池的成本差异。以使用TI充电器IC解决方案的真空机器人为例，充电电压精度为±0.5%，运行120分钟。使用 DC/DC 转换器作为充电电压精度为 ±5% 的离散解决方案的同一真空机器人只能运行 55 分钟。因此，如表 1 所示，由于充电电压精度较低而导致的容量损失会显着缩短机器人的运行时间。
从货币角度来看，此应用的电池组成本约为 20 美元。本示例中 56% 的容量损失需要我们多购买 11 美元的容量。这额外的 65 分钟运行时间将使机器人可以清洁几个额外的房间，并且由于容量最大化而节省的成本量化了使用充电器 IC 解决方案的价值。
充电器 IC 解决方案产生高开关频率，进而需要小型、低成本的电感器。例如，TI 的 bq24725A 开关频率为 750kHz，通常使用尺寸为 28mm 2的 4.7μH 电感器。或者，开关频率仅为 50kHz 的分立解决方案需要更大的 75μH 或更大的电感器，覆盖大约 113mm 2的电路板空间。除了节省解决方案尺寸外，充电器 IC 的电感比分立解决方案的电感便宜大约两倍，具体取决于电感的选择。
从设计的角度来看，充电器 IC 有利地提供了一套完整、复杂的电池安全功能，包括输入过流、充电过流、电池过压、热关断、电池接地短路、电感器短路和场效应晶体管 (FET) 短路保护. 另一方面，分立解决方案必须使用其 MCU 来实现电池保护，并且由于其响应时间缓慢，当 MCU 检测到故障时，电池可能会损坏。因此，充电器 IC 可在任何最坏情况下保护电池，同时无需我们创建自己的电池保护装置。
为了提高设计灵活性，TI 多节电池开关充电器产品组合提供了独立和主机控制拓扑的选项。诸如 bq24610 之类的独立充电器通过外部电路元件控制电压和电流限制，从而简化了实施。主机控制的充电器（例如 bq24725A 或 bq24773）使用 I 2 C 或 SMBus 对限值进行编程，通过利用系统现有 MCU 的计算能力来节省物料清单成本。
与真空机器人的常见分立式充电解决方案相比，充电器 IC 具有无数优势。虽然分立解决方案最初可能更经济，但充电器 IC 解决方案提供了比分立替代方案更长的运行时间、系统成本节约和更简单的设计实现。最终，完整充电器 IC 解决方案的好处超过了分立充电解决方案的初始成本节约。
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