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升特半導(dǎo)體深圳有限公司 謝利超 引言 目前市場上大多數(shù)電動剃須刀和電推剪等小型電器的馬達(dá)一般由電池直接驅(qū)動，開關(guān)僅用于馬達(dá)的上電或斷電控制。對于充電電池，這會導(dǎo)致在電量較低時過度放電和泄露，不利于延長電池和馬達(dá)的使用壽命，且此種設(shè)備的充電回路也比較復(fù)雜。不可充電的設(shè)備大多使用兩節(jié)干電池驅(qū)動，不僅尺寸較大，成本也較高。 升特半導(dǎo)體(Semtech)有限公司最近推出了一種可定時的馬達(dá)驅(qū)動控制芯片SX8121。采用1V DC供電，僅需單節(jié)電池，充電回路僅需4個電阻和2個LED指示燈，且可使用USB對鎳氫電池充電。該芯片可廣泛應(yīng)用于電動剃須刀、理發(fā)器、電動牙刷等小型家電的設(shè)計和應(yīng)用中。 SX8121簡介 SX8121是只需1V供電的馬達(dá)和LED控制器，它可以通過一個按鍵的操作進(jìn)入激活、返回休眠狀態(tài)或者定時(10分鐘或者永不超時，通過第1腳上的電平高低選擇)，超時后自動重啟。當(dāng)SX8121處于激活狀態(tài)時，它將設(shè)置MOTOR控制管腳至高電平或者低電平（由POLARITY管腳控制)來控制馬達(dá)的開關(guān)，同時在LED控制腳上輸出43KHz的脈沖用以控制LED。 當(dāng)外部供電電壓高于0.6V時，SX8121開始控制其I/O管腳的狀態(tài)。當(dāng)外部直流電源的電壓VDD高于鎳氫電池的滿充電壓時(典型值1.41V)，有一個輸出管腳(NIMH)變成低電平，反之則為高電平，它可以用于充電控制。在不同的電壓下，芯片工作于不同模式，如圖1所示。 
圖1 不同電壓下SX8121的工作模式 當(dāng)電池的電壓高于0.6V~0.7V時，SX8121進(jìn)入安全模式，此種模式下所有管腳處于高阻狀態(tài)，這保證了電池接入時芯片的安全啟動。當(dāng)電池電壓低于0.9V時處于低電壓模式，芯片將不會對接在BUTTON管腳上的按鍵操作出任何響應(yīng)。MOTOR管腳和LED管腳均處于關(guān)閉狀態(tài)，芯片每秒鐘檢測一次電池電壓VDD，當(dāng)VDD高于VON(典型值1.05V)時立即進(jìn)入激活或休眠狀態(tài)。芯片根據(jù)POLARITY管腳上的電平高低決定(上電過程中)當(dāng)VDD高于VON時芯片處于激活還是休眠狀態(tài)，此時芯片將會對BUTTON管腳電平的高低變化進(jìn)行響應(yīng)，并在激活和休眠狀態(tài)之間進(jìn)行切換。 SX8121根據(jù)供電電壓的高低自動切換工作模式，有效防止了電池電量不足時過度放電和泄露，延長了電池和馬達(dá)的使用壽命。 典型應(yīng)用——單節(jié)電池供電的電推剪設(shè)計 由圖1可知，當(dāng)VDD高于0.95V時，SX8121就會對BUTTON管腳上的電平變換作出響應(yīng)——MOTOR管腳(根據(jù)POLORITY的高低)輸出對應(yīng)的高低電平，這一特性非常適合于用于馬達(dá)的開關(guān)控制。為了驗證SX8121驅(qū)動馬達(dá)的能力，特別設(shè)計了所需較大力矩的電推剪作為參考，得益于SX8121的低電壓工作特性，該電推剪僅需1節(jié)1.5V的干電池或鎳氫電池即可正常工作。 單節(jié)電池非充電式電推剪設(shè)計 對于非充電路的設(shè)計，只需將NIMH管腳處于懸空的狀態(tài)，通過BUTTON來控制MOTOR管腳的輸出，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)或關(guān)閉。 圖2為該非充電式電推剪原理圖。SX8121所需的外圍元器件非常少，設(shè)計非常簡單。圖3為PCB和電推剪實物，由于SX8121本身尺寸很小(SOIC-8封裝)，且外圍器件較少，所以PCB尺寸很小（包含開關(guān)僅2.6cm×1.6cm）。該SX8121控制板連接電池和馬達(dá)，并通過開關(guān)來控制馬達(dá)的啟動或關(guān)閉。
圖2 單節(jié)干電池驅(qū)動的電推剪原理圖
圖3 PCB及電推剪實物 圖4是將開關(guān)至于ON的位置，插拔電池時電池電壓和輸出電流以及SX8121的MOTOR管腳電壓的變化。插入電池正常啟動后，MOTOR管腳輸出高電平，通過三極管輸出大約1.1A的電流，而啟動瞬間的峰值則超過2A，如圖5所示。
圖4 放入和取出電池時電壓和電流變化
圖5 啟動前后的電流變化 充電式電推剪設(shè)計 當(dāng)電池電壓低于1.41V時，NIMH管腳輸出高電平，反之則輸出低電平。利用這個特性可以對鎳氫電池進(jìn)行充電控制。圖6為可充電式電推剪原理圖，充電回路僅需2個LED(紅色和綠色各一個，作為充電指示燈)和4個電阻（R1~R4）。正常工作時，VDD_5V與外部5V直流電斷開，此時的工作模式與非充電式電推剪完全一樣。當(dāng)需要對電池充電時，將VDD_5V接上外部的5V直流電(可通過USB adaptor接到電腦的USB接口)，此時紅色LED(D2)亮，綠色LED(D1)熄滅。大約100mA電流通過NIMH到VDD對鎳氫電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到1.41V時NIMH管腳變成低電平(約500mV)，紅燈熄滅，綠燈點亮，充電完成。
圖6 充電式電推剪原理圖 考慮到1200mAh的典型容量，單節(jié)滿充的鎳氫電池大約可以維持電推剪連續(xù)運行40分鐘左右。電池滿充約需12小時左右。 圖7為充電式電推剪SX8121控制板的PCB，因為充電回路簡單，外圍器件較少，其尺寸非常小。
圖7 充電式電推剪PCB 測試表明，單節(jié)鎳氫電池驅(qū)動的剃須刀在穩(wěn)定運行時耗電流也在1.1A左右， 所需的力矩與電推剪相當(dāng)。 結(jié)論 與傳統(tǒng)的兩節(jié)電池驅(qū)動的方案相比，SX8121僅需1節(jié)電池即可控制馬達(dá)的驅(qū)動，控制電路不需要MCU。SX8121自帶的電池電壓檢測功能非常適合于充電回路的設(shè)計，且有效防止了電池過度放電和泄露。 SX8121不僅可以定時，還可以對鎳氫電池進(jìn)行充電。其輸出電流和力矩足夠驅(qū)動剃須刀、電推剪、電動牙刷等日常小型電器。除了作為馬達(dá)驅(qū)動器，還可作為LED驅(qū)動應(yīng)用在LED手電筒等日常照明設(shè)備上。作為一鍵控制的馬達(dá)驅(qū)動芯片，SX8121設(shè)計十分簡單，BOM成本很低，非常適合于小型電動設(shè)備和家電的設(shè)計和應(yīng)用。 |
