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升特半導體深圳有限公司 謝利超 引言 目前市場上大多數電動剃須刀和電推剪等小型電器的馬達一般由電池直接驅動，開關僅用于馬達的上電或斷電控制。對于充電電池，這會導致在電量較低時過度放電和泄露，不利于延長電池和馬達的使用壽命，且此種設備的充電回路也比較復雜。不可充電的設備大多使用兩節干電池驅動，不僅尺寸較大，成本也較高。 升特半導體(Semtech)有限公司最近推出了一種可定時的馬達驅動控制芯片SX8121。采用1V DC供電，僅需單節電池，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。該芯片可廣泛應用于電動剃須刀、理發器、電動牙刷等小型家電的設計和應用中。 SX8121簡介 SX8121是只需1V供電的馬達和LED控制器，它可以通過一個按鍵的操作進入激活、返回休眠狀態或者定時(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SX8121處于激活狀態時，它將設置MOTOR控制管腳至高電平或者低電平（由POLARITY管腳控制)來控制馬達的開關，同時在LED控制腳上輸出43KHz的脈沖用以控制LED。 當外部供電電壓高于0.6V時，SX8121開始控制其I/O管腳的狀態。當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 當電池的電壓高于0.6V~0.7V時，SX8121進入安全模式，此種模式下所有管腳處于高阻狀態，這保證了電池接入時芯片的安全啟動。當電池電壓低于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。MOTOR管腳和LED管腳均處于關閉狀態，芯片每秒鐘檢測一次電池電壓VDD，當VDD高于VON(典型值1.05V)時立即進入激活或休眠狀態。芯片根據POLARITY管腳上的電平高低決定(上電過程中)當VDD高于VON時芯片處于激活還是休眠狀態，此時芯片將會對BUTTON管腳電平的高低變化進行響應，并在激活和休眠狀態之間進行切換。 SX8121根據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，延長了電池和馬達的使用壽命。 典型應用——單節電池供電的電推剪設計 由圖1可知，當VDD高于0.95V時，SX8121就會對BUTTON管腳上的電平變換作出響應——MOTOR管腳(根據POLORITY的高低)輸出對應的高低電平，這一特性非常適合于用于馬達的開關控制。為了驗證SX8121驅動馬達的能力，特別設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1.5V的干電池或鎳氫電池即可正常工作。 單節電池非充電式電推剪設計 對于非充電路的設計，只需將NIMH管腳處于懸空的狀態，通過BUTTON來控制MOTOR管腳的輸出，從而控制馬達旋轉或關閉。 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（包含開關僅2.6cm×1.6cm）。該SX8121控制板連接電池和馬達，并通過開關來控制馬達的啟動或關閉。
圖2 單節干電池驅動的電推剪原理圖
圖3 PCB及電推剪實物 圖4是將開關至于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 充電式電推剪設計 當電池電壓低于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對鎳氫電池進行充電。當電池電壓達到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，單節滿充的鎳氫電池大約可以維持電推剪連續運行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，單節鎳氫電池驅動的剃須刀在穩定運行時耗電流也在1.1A左右， 所需的力矩與電推剪相當。 結論 與傳統的兩節電池驅動的方案相比，SX8121僅需1節電池即可控制馬達的驅動，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行充電。其輸出電流和力矩足夠驅動剃須刀、電推剪、電動牙刷等日常小型電器。除了作為馬達驅動器，還可作為LED驅動應用在LED手電筒等日常照明設備上。作為一鍵控制的馬達驅動芯片，SX8121設計十分簡單，BOM成本很低，非常適合于小型電動設備和家電的設計和應用。 |
