芝芯方案丨如何打造一款高效、低功耗和小型化的无绳吸尘器？

作者：上海章语电子交流圈电子网　日期：2025-05-26　点击数：5

近年来，家居清洁产品正朝着无线化、智能化和高效能的方向快速发展。无绳吸尘器凭借其便捷性和灵活性，已成为市场主流。然而，为了满足用户对更长续航、更强动力和更轻便机身的需求，制造商在设计时必须考虑高效率、低功耗和电路小型化等关键因素。这不仅关乎用户体验，还涉及产品整体性能和竞争力。

在这种背景下，如何优化电源管理、提升电机驱动效率，并减少电路板面积成为行业关注的焦点。东芝半导体凭借在功率器件、微控制单元（MCU）及电机驱动技术上的深厚积累，提供了一整套高效可靠的解决方案，助力无绳吸尘器实现更高效的运行、更低的能耗和更紧凑的设计。

无绳吸尘器方框图一览

东芝高效能半导体方案，全面提升无绳吸尘器性能

高效MOSFET，降低损耗、提高能效

无绳吸尘器的电机驱动部分需要高效的开关器件来减少能量损耗，提高运行效率。东芝提供的 U-MOS系列N沟道／ P沟道MOSFET ，它们具有低导通电阻（R DS(on) ）和高速开关特性，可以有效降低功率损耗，提高电机驱动效率。同时，小型封装设计有助于减少电路板占用面积，使产品更加轻巧紧凑。

其中，U-MOS系列N沟道MOSFET适用于电机控制、功率开关，代表性产品包括TPH7R006PL ／ TPH4R008QM ／ TPH2R408QM ／ TPN7R006PL ／ TPN8R408QM ／ TK5R1P08QM ／ TK6R9P08QM。

U-MOS系列N沟道MOSFET的代表性产品

U-MOS系列P沟道MOSFET适用于电源管理、低压开关，代表性产品TPCA8120的导通电阻R DS(on) ）在V GS =-10V时，典型值为2.4mΩ，最大值为3.0mΩ。

肖特基二极管（SBD），增强抗浪涌能力

电机启动或运行过程中可能会产生浪涌电流，影响系统稳定性。东芝的肖特基二极管（SBD）具备低正向压降和快速恢复时间的特性，可以有效降低功率损耗，并提供良好的抗浪涌能力，保护系统稳定运行。

东芝的高效率SBD CMS系列的反向耐压（V RRM ）最高可达60V，适用于多种电路需求；平均正向电流（I F(AV) ）最高可达5A，可适用于不同功率等级的应用。用户可以根据设备需求选择合适的型号。它们采用M-FLAT ™ 封装，相比传统引线封装高度更低，占用空间更小。

下图列出了CMS05和CMS15的主要规格：

低功耗MCU，集成多功能，优化系统控制

无绳吸尘器需要在精准控制电机的同时，实时监测温度、电流和电池状态，以确保安全运行并提升效率。东芝的微控制单元（MCU）集成自研矢量引擎（VE）协处理器，专门针对电机控制优化。该协处理器显著降低CPU负载，支持多电机及外设协同控制，从而提升整体系统性能和能效。

此外，MCU 内置三相PWM（脉宽调制）波形生成和AD转换器，实现高效、低噪声的电机驱动。结合先进的编码器（A-ENC），在每次PWM运行时进一步减轻CPU负担，使系统运行更智能、更高效。

代表性产品包括TXZ+ ™ 4A系列M4K组、TX04系列M470组和TX03系列M370组，最高运行频率达160 MHz，工作电压范围为4.5V至5.5V，支持最多2个电机的同时控制。东芝还提供简单易用的电机控制软件开发工具 —— MCU Motor Studio ，支持开发人员快速构建高效控制方案，显著优化开发流程。

低功耗MCU产品系列

CMOS运算放大器，降低功耗

东芝的CMOS运算放大器（型号TC7555SF／TC7555SFU）在无绳吸尘器设计中展现了显著优势。CMOS工艺使运算放大器能够实现低电压操作，相较于东芝双极型运算放大器显著降低了功耗需求。CMOS工艺的低电流特性有助于延长小型物联网设备的电池寿命。相较于东芝双极型运算放大器，TC7555SF的典型静态电流仅为10μA，显著减少了功耗，尤其适合对续航要求高的无绳设备。

该运算放大器集成了相位补偿电路，消除了外部组件的需要，从而减少了部件数量和设备整体尺寸。这不仅简化了电路设计，还有效降低了生产成本。

双极晶体管，高抗静电能力

双极型晶体管（BJT）是许多电子电路中的关键组成部分，广泛用于信号放大、开关控制、电源管理等应用。在这款无绳吸尘器方案的LED驱动电路设计中，东芝的小型双极型晶体管产品线凭借多样化封装选择（如扁平引线型和无引线型）、低饱和电压和高抗静电能力，为高性能设备提供了可靠支持。

东芝小型双极型晶体管产品线的主要规格

光耦合器，助力隔离电路优化

无绳清洁器的电源线路采用反激式AC-DC电路，将交流电转换为稳定的直流电，为设备提供可靠电力。电路包括EMI滤波器（抑制电磁干扰）、PWM控制器（内置MOSFET）以及光耦合器（Photocoupler）。

光耦合器作为信号隔离的重要组件，能够有效提高系统安全性，降低电磁干扰（EMI），并优化信号传输稳定性。东芝 TLP383光耦合器采用光电晶体管与InGaAs红外发光二极管进行光耦合，确保高效的信号传输。在低输入电流范围（I F =0.5mA）下，TLP383比东芝传统产品具有更高的电流传输比（CTR），提升了低功耗信号隔离的能力。工作温度范围宽达-55°C至125°C，适用于工业级应用。高隔离耐压（5000V rms ），增强系统安全性。