瑞萨电子SLG47513实现简单的 1.2V 电机控制设计

在过去的十年中，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。电动牙刷显着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移动的电动牙刷。电机可以实现音速或更低速度的运动。

现代电动牙刷通常依靠可充电电池，当牙刷在使用之间放置在充电底座中时，可通过感应充电来充电。它们通常使用镍氢 (NiMH )电池，其标称电压为 1.2 V。低电压 GreenPAK™ SLG47513 的工作电压范围为 1 V 至 1.65 V，可以控制牙刷的操作。

图1：基于SLG47513的电动牙刷的总体原理图。

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，第 8 脚输出被设置为高电平，但当按下按钮时，会出现短暂的低电平信号。为了滤除开关跳动，使用了延迟宏单元 DLY4。DFF18 会锁存电压电平，并在每次按下按钮时翻转它，从而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。

刷子有 2 个定时器。第一个通知用户 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 将此时钟信号馈送到 CNT0 的 CLK 输入。两分钟后，CNT0 输出出现高电平，触发单触发（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，从而产生振动效果（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 CNT3 的 30 秒计时器，该计时器发出信号，表明需要继续刷牙口腔的下一个象限（四分之一）。30 秒后，CNT3 输出出现高电平。2 位 LUT0 每 4 个脉冲进行一次过滤，过滤器宏单元可消除毛刺。CNT3 输出信号触发单触发 (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）。

为了确保每次关闭牙刷时计时器都会重新启动，计数器会在 DFF18 输出信号的上升沿重置。

数字多路复用器可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。具体地，仅当牙刷处于工作模式并且未放置在充电站中时，晶体管栅极上的信号才为高电平。

图 3：说明一次刷牙过程中牙刷工作情况的波形。

图 4：通知完成的信号：总刷牙时间为 2 分钟（左）和象限刷牙时间为 30 秒（右）。

大多数现代电动牙刷都使用无线感应充电。牙刷及其底座形成两部分变压器，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通过二极管 D1 进行整流，然后通过电阻分压器降低至正确检测充电器是否存在所需的值（见图 1）。该分压器包括外部电阻器 R7 (100 kΩ) 和 R5 (4.7 kΩ)，以及 SLG47513 内部的内部下拉电阻器 (10 kΩ)，它将引脚 6 上的电压峰值设置在 1.2 V 左右。

当来自充电器的信号到达用作模拟比较器的引脚 6 时，频率检测器的输入端会出现高电平。频率检测器在此信号上生成高电平输出，该信号发送到引脚 5 并启用充电（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，启动电池的充电过程。

图 5：引脚 6 输入处来自充电器的信号和引脚 5 处输出使能的信号。

图 6：断开充电器过程中引脚 6 输入和引脚 5 输出的信号。

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，并将该电压施加到引脚11的输入。然后通过迟滞为100 mV的比较器将其与725 mV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。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，但其参考电压设置为 500 mV，迟滞设置为 100 mV。当测量的电压低于参考电压时，比较器输出变为低电平，晶体管关闭，防止电池过度放电。

为了防止电路通过分压器消耗过多的能量，仅当电池充电或牙刷打开时，分压器才连接到接地总线。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。多路复用器 3-L0 根据该高电平信号，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的功耗极低。

项目模拟

该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 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 900 mV 时，电机关闭。

图 7：电机控制部分的仿真波形。

SLG47513 低电压运行允许仅通过一节 1.2 V NiMH 电池为拟议设备供电，这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定时器和充电控制等附加功能。SLG47513 可作为市场上流行电动牙刷的功能替代品。由于市场上可用1.2V供电并能实现牙刷功能的集成电路并不多，制造商通常使用定制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础芯片，并且采用 1.6 毫米 x 1.6 毫米的极小外壳，

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