电动牙刷中简单的1.2V电机控制设计原理

　　在过去十年中，口腔健康和卫生受到特别关注。这种趋势正在推动发明新的增强口腔健康技术的设计师进行更多创新。电动牙刷显著改善了刷牙体验和刷牙习惯。最流行和最有效的电动牙刷类型是旋转或左右运动的电动牙刷。声波或更低速度的运动是由电机完成的 。

　　现代电动牙刷通常依靠可充电电池，当牙刷在两次使用之间放入充电底座时，通过感应充电进行充电。他们通常使用镍氢 （NiMH） 电池，其标称电压为 1.2 V。低压 GreenPAK™ SLG47513的工作电压范围为 1 V 至 1.65 V，可控制牙刷的运行。

　　

　　图 图1：基于SLG47513的电动牙刷通用示意图。

　　GreenPAK设计

　　图 2 显示了 Go Configure™ Software Hub 中电动牙刷的内部设计。完整的设计文件可以在这里找到：AN-CM-360 电动牙刷.gp6

　

　　图 2：电动牙刷 GreenPAK 设计器原理图。

　　电机控制

　　当牙刷处于睡眠模式时，由于上拉电阻，引脚 8 输出设置为 HIGH，但当按下按钮时，短时间内会出现低电平信号。为了滤除开关弹跳，使用了延迟宏单元 DLY4。DFF18 锁定电压电平并在每次按下按钮时翻转它，允许牙刷使用外部按钮在两种模式之间切换——工作模式和睡眠模式。

　　当牙刷切换到工作模式时，晶体管的栅极以及多路复用器 3-L2 的输出端有一个恒定的高电压电平。该电压电平打开晶体管 Q3 并启动直流电机。

　　画笔有 2 个计时器。第一个通知用户完成 2 分钟的刷牙会话。振荡器 OSC0、DFF19 和 DFF11 形成频率为 2.67 Hz 的时钟信号。当牙刷切换到 ON 模式时，2 位 LUT1 将此时钟信号馈送到 CNT0 的 CLK 输入。两分钟后，CNT0输出端出现高电平，触发单次（CNT6），形成宽度等于时钟信号三个半周期的信号脉冲。这三个脉冲通过两个多路复用器（3 位 LUT0 和引脚 9）馈送到晶体管栅极，并相应地馈送到电机，从而产生振动效应（见图 3 和图 4a）。

　　除了 2 分钟计时器外，这款牙刷还包含一个基于 CNT30 的 3 秒计时器，它表示需要继续刷牙口腔的下一个象限（四分之一）。30 秒后，CNT3 输出端出现高电平。一个 2 位 LUT0 每 4 个脉冲进行一次滤波，一个 Filter 宏单元可消除毛刺。CNT3输出信号触发单次脉冲（CNT1），形成宽度等于时钟信号一个半周期的信号脉冲（见图3和图4b）。

　　为确保每次关闭牙刷时都重新启动定时器，DFF18 输出信号上升沿的计数器被复位。

　　数字多路复用器能够根据单次输出将恒定电压、一个脉冲或三个脉冲传递到晶体管栅极。

　　3 位 LUT0 可防止电机在充电时运行。具体来说，只有当牙刷处于工作模式且未放置在充电站时，晶体管栅极上的信号才为高电平。

　　图 3：说明牙刷在一次刷牙过程中工作情况的波形。

　　

　　图 4：通知完成的信号：2 分钟总刷牙（左）和 30 秒象限刷牙（右）。

　　充电

　　大多数现代电动牙刷都使用无线感应充电。牙刷及其底座组成一个由两部分组成的变压器，底座具有变压器的初级绕组，牙刷具有次级绕组。次级绕组上感应的电压由二极管D1整流，然后通过电阻分压器降低到正确检测充电器存在所需的值（见图1）。分压器包括外部电阻R7 （100 kΩ）和R5 （4.7 kΩ），以及SLG10内部的下拉电阻（47513 kΩ），将引脚6上的电压峰值设置为1.2 V左右。

　　当来自充电器的信号到达引脚 6（用作模拟比较器）时，频率检测器的输入端会出现高电平。频率检测器在该信号上产生一个高电平输出，该输出进入引脚 5 并启用充电（参见图 5 和图 6）。引脚 5 输出端的这个高电平信号打开一个 Q2 晶体管，而 Q1 晶体管又打开一个 Q《》 晶体管，从而启动电池的充电过程。

　　

　　图片 图 5：引脚 6 输入端的充电器信号和引脚 5 端的输出使能。

　　

　　： 图 6：断开充电器过程中引脚 6 输入端和引脚 5 输出端的信号。

　　为了防止电池过度充电，使用了模拟比较器ACMP1H。电阻 R8 和 R9 将电池电压分成两半，该电压施加到引脚 11 的输入端。然后，通过滞后为725 mV的比较器将其与100 mV的基准电压进行比较。如果来自分压器的电压达到此基准电压，则电池充电停止。使用延迟宏单元 DLY2 作为滤波器。

　　为了防止电池过度放电，使用了模拟比较器ACMP0H。该比较器比较来自分压器的相同电压，但其基准电压设置为500 mV，迟滞设置为100 mV。当测得的电压低于基准电压时，比较器输出变为低电平，晶体管闭合，防止电池过度放电。

　　为防止电路通过分压器消耗多余的能量，分压器仅在电池充电或牙刷打开时才连接到接地总线。这些条件由 2 位 LUT3 检查，当至少满足其中一个条件时，其输出变为高电平。基于该高电平信号的多路复用器 3-L0 通过 Pin13 的集电极开路晶体管将接地总线连接到分压器。此外，ACMP0H 仅在牙刷退出睡眠模式时开机，ACMP1H 仅在连接充电器时开机。这些措施确保了睡眠模式下极低的消耗。

　　项目模拟

　　项目的电机控制部分可以在GreenPAK Designer软件仿真工具中进行仿真。图7所示为仿真波形。仿真表明，按下按钮后，晶体管打开，电机开始工作。当电池电压低于 900 mV 时，电机关闭。

　　

　　图 7：电机控制部分的仿真波形。

　　结论

　　SLG47513低电压操作允许仅通过一个 1.2 V 镍氢电池为所提出的设备供电，该电池是电动牙刷的主要电源。SLG47513非常适合这些设备，因为它具有足够的数字和模拟宏单元，可用于控制牙刷电机并实现计时器和充电控制等附加功能。该SLG47513可以作为市场上流行的电动牙刷的功能替代品。由于市场上可以由1.2 V供电并可以实现牙刷功能的集成电路并不多，因此制造商经常使用定制ASIC，这增加了牙刷的成本。GreenPAK 是一种经济高效的解决方案，因为它使用现成的基座芯片，采用 1.6 mm x 1.6 mm 的极小外壳，有助于减少所需的电路板空间。

　　审核编辑：黄飞