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让电动牙刷1.2V电机控制摆脱ASIC设计

2023-07-05 11:45:01 Marian Hryntsiv,高级技术文档应用工程师,瑞萨电子 阅读:
由于市场上支持1.2V电机控制的IC并不多,电动牙刷采用定制ASIC设计会增加成本。本文所介绍的简单的电动牙刷设计,可以为小尺寸电机控制应用提供一种高性价比的解决方案。

在过去十年中,口腔健康和卫生受到特别关注。这种趋势正在推动设计人员进行更多有关增强口腔健康技术的创新。电动牙刷显著改善了刷牙体验和刷牙习惯。最流行最有效的电动牙刷类型是旋转运动或左右移动的电动牙刷。能实现音速级别或更低速度的运动,这就要归功于电机。fWSednc

现代电动牙刷通常依靠可充电电池工作,当牙刷处于闲置状态时,可将其放置在充电底座中通过感应方式来充电。它们通常使用镍氢(NiMH)电池,其标称电压为1.2V。SLG47513 GreenPAK低电压可编程混合信号矩阵器件的工作电压范围为1V至1.65V,可以控制牙刷的操作。fWSednc

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图1:基于SLG47513的电动牙刷的总体原理图。fWSednc

GreenPAK设计

图2展示了采用GoConfigure Software Hub所进行的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 Electric Toothbrush.gp6fWSednc

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图2:电动牙刷GreenPAK Designer原理图。fWSednc

电机控制

当牙刷处于睡眠模式时,由于上拉电阻的存在,第8脚输出会被设置为高电平,但当按下按钮时,则会出现短暂的低电平信号。为了滤除开关跳动,电路中使用了延迟宏单元DLY4。DFF18会对电压电平进行锁存,并在每次按下按钮时使其翻转,从而让牙刷借助外部按钮在工作模式和睡眠模式这两种模式之间进行切换。fWSednc

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的输出端将有恒定的高电压电平。该电压电平将会打开晶体管Q3,而启动直流电机。fWSednc

牙刷有2个定时器。第一个用于通知用户2分钟的刷牙过程已完成。振荡器OSC0、DFF19和DFF11形成频率为2.67Hz的时钟信号。当牙刷切换到ON模式时,2位LUT1会将此时钟信号馈送到CNT0的CLK输入。两分钟后,CNT0输出端将出现高电平,触发单稳(CNT6),从而形成宽度等于时钟信号三个半周期的信号脉冲。这三个脉冲将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,从而产生振动效果(见图3和图4a)。fWSednc

除了该2分钟定时器外,这款牙刷还包含一个基于CNT3的30秒定时器,用于发出信号,表明需要继续刷口腔的下一个象限(四分之一)。30秒后,CNT3输出端将出现高电平。2位LUT0每4个脉冲进行一次滤波,而滤波器宏单元则用于消除毛刺。CNT3输出信号将触发单稳(CNT1),从而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)。fWSednc

为了确保每次关闭牙刷时定时器都会重新启动,计数器会在DFF18输出信号的上升沿位置复位。fWSednc

数字多路复用器可根据单稳输出将恒定电压、一个脉冲或三个脉冲传递到晶体管栅极。fWSednc

3位LUT0可防止电机在充电时运行。具体来说,仅当牙刷处于工作模式并且未放置在充电底座中时,晶体管栅极上的信号才为高电平。fWSednc

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图3:牙刷一次刷牙过程中工作情况的说明波形。fWSednc

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图4:2分钟总刷牙时间(左)和30秒象限刷牙时间(右)完成通知信号。fWSednc

充电

大多数现代电动牙刷都使用无线感应充电。牙刷及其底座构成变压器的两个部分,底座具有变压器的初级绕组,牙刷具有次级绕组。次级绕组上所感应的电压由二极管D1整流,然后由电阻分压器降低,以至于其值能正确检测到充电器是否存在(见图1)。该分压器由外部电阻器R7(100kΩ)和R5(4.7kΩ),以及SLG47513内部的下拉电阻器(10kΩ)所组成,用于将引脚6上的电压峰值设置在1.2V左右。fWSednc

引脚6用作模拟比较器,当来自充电器的信号到达该引脚时,频率检测器的输入端就会出现高电平。频率检测器基于此信号生成高电平输出,并将其发送到引脚5而使能充电(参见图5和图6)。引脚5输出处的高电平信号会打开Q2晶体管,进而打开Q1晶体管,从而启动电池的充电过程。fWSednc

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图5:引脚6输入端来自充电器的信号,以及引脚5输出使能信号。fWSednc

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图6:断开充电器过程中引脚6输入端和引脚5输出端的信号变化。fWSednc

为了防止电池过度充电,电路中使用了模拟比较器ACMP1H。电阻R8和R9用于将电池电压分成两半,然后将该电压施加到引脚11的输入。然后,延迟时间为100mV的比较器将其与725mV的参考电压进行比较。如果分压器的电压达到该参考电压,电池充电就会停止。电路中还使用了延迟宏单元DLY2作为滤波器。fWSednc

为了防止电池过度放电,电路中还使用了模拟比较器ACMP0H。该比较器也对来自该分压器的相同电压进行比较,但这里将其参考电压设置为500mV,将延迟时间设置为100mV。当被测电压低于参考电压时,比较器输出将变为低电平,进而使晶体管关闭,从而防止电池过度放电。fWSednc

为了防止电路通过分压器消耗过多的能量,可以仅当电池充电或牙刷打开时,才将分压器连接到地总线。这两个条件可利用2位LUT3进行检查,当至少满足其中一个条件时,其输出就会变为高电平。多路复用器3-L0会根据该高电平信号,通过引脚13的集电极开路晶体管将地总线连接到分压器。此外,ACMP0H仅当牙刷退出睡眠模式时才通电,ACMP1H仅当连接充电器时才通电。这些措施可确保睡眠模式下实现极低的功耗。fWSednc

项目仿真

该项目的电机控制部分可以用GreenPAK Designer软件仿真工具进行仿真。图7显示了仿真波形。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900mV时,电机就会关闭。fWSednc

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图7:电机控制部分的仿真波形。fWSednc

总结

SLG47513低电压可编程混合信号矩阵支持仅通过一节1.2V镍氢电池而为电动牙刷等推荐设备供电。SLG47513由于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定时器和充电控制等附加功能,因此非常适用于这些设备。SLG47513可用于对市场上流行的电动牙刷进行功能替代。由于市场上可用1.2V供电并能实现牙刷功能的IC并不多,制造商通常会使用定制ASIC,这就会增加牙刷的成本。GreenPAK由于采用了现成的基础裸片并采用1.6×1.6mm的极小封装供货,因此是一种经济高效的解决方案。fWSednc

(原文刊登于EDN姐妹网站Embedded,参考链接:Implementing a simple 1.2V motor control design,由Franklin Zhao编译。)fWSednc

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