在過去十年中，口腔健康和衛(wèi)生受到特別關(guān)注。這種趨勢(shì)正在推動(dòng)發(fā)明新的增強(qiáng)口腔健康技術(shù)的設(shè)計(jì)師進(jìn)行更多創(chuàng)新。電動(dòng)牙刷顯著改善了刷牙體驗(yàn)和刷牙習(xí)慣。最流行和最有效的電動(dòng)牙刷類型是旋轉(zhuǎn)或左右運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)牙刷。聲波或更低速度的運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)完成的 。

　　現(xiàn)代電動(dòng)牙刷通常依靠可充電電池，當(dāng)牙刷在兩次使用之間放入充電底座時(shí)，通過感應(yīng)充電進(jìn)行充電。他們通常使用鎳氫 （NiMH） 電池，其標(biāo)稱電壓為 1.2 V。低壓 GreenPAK? SLG47513的工作電壓范圍為 1 V 至 1.65 V，可控制牙刷的運(yùn)行。

　　圖 圖1：基于SLG47513的電動(dòng)牙刷通用示意圖。

　　GreenPAK設(shè)計(jì)

　　圖 2 顯示了 Go Configure? Software Hub 中電動(dòng)牙刷的內(nèi)部設(shè)計(jì)。完整的設(shè)計(jì)文件可以在這里找到：AN-CM-360 電動(dòng)牙刷.gp6

　　圖 2：電動(dòng)牙刷 GreenPAK 設(shè)計(jì)器原理圖。

　　電機(jī)控制

　　當(dāng)牙刷處于睡眠模式時(shí)，由于上拉電阻，引腳 8 輸出設(shè)置為 HIGH，但當(dāng)按下按鈕時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)低電平信號(hào)。為了濾除開關(guān)彈跳，使用了延遲宏單元 DLY4。DFF18 鎖定電壓電平并在每次按下按鈕時(shí)翻轉(zhuǎn)它，允許牙刷使用外部按鈕在兩種模式之間切換——工作模式和睡眠模式。

　　當(dāng)牙刷切換到工作模式時(shí)，晶體管的柵極以及多路復(fù)用器 3-L2 的輸出端有一個(gè)恒定的高電壓電平。該電壓電平打開晶體管 Q3 并啟動(dòng)直流電機(jī)。

　　畫筆有 2 個(gè)計(jì)時(shí)器。第一個(gè)通知用戶完成 2 分鐘的刷牙會(huì)話。振蕩器 OSC0、DFF19 和 DFF11 形成頻率為 2.67 Hz 的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)牙刷切換到 ON 模式時(shí)，2 位 LUT1 將此時(shí)鐘信號(hào)饋送到 CNT0 的 CLK 輸入。兩分鐘后，CNT0輸出端出現(xiàn)高電平，觸發(fā)單次（CNT6），形成寬度等于時(shí)鐘信號(hào)三個(gè)半周期的信號(hào)脈沖。這三個(gè)脈沖通過兩個(gè)多路復(fù)用器（3 位 LUT0 和引腳 9）饋送到晶體管柵極，并相應(yīng)地饋送到電機(jī)，從而產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng)（見圖 3 和圖 4a）。

　　除了 2 分鐘計(jì)時(shí)器外，這款牙刷還包含一個(gè)基于 CNT30 的 3 秒計(jì)時(shí)器，它表示需要繼續(xù)刷牙口腔的下一個(gè)象限（四分之一）。30 秒后，CNT3 輸出端出現(xiàn)高電平。一個(gè) 2 位 LUT0 每 4 個(gè)脈沖進(jìn)行一次濾波，一個(gè) Filter 宏單元可消除毛刺。CNT3輸出信號(hào)觸發(fā)單次脈沖（CNT1），形成寬度等于時(shí)鐘信號(hào)一個(gè)半周期的信號(hào)脈沖（見圖3和圖4b）。

　　為確保每次關(guān)閉牙刷時(shí)都重新啟動(dòng)定時(shí)器，DFF18 輸出信號(hào)上升沿的計(jì)數(shù)器被復(fù)位。

　　數(shù)字多路復(fù)用器能夠根據(jù)單次輸出將恒定電壓、一個(gè)脈沖或三個(gè)脈沖傳遞到晶體管柵極。

　　3 位 LUT0 可防止電機(jī)在充電時(shí)運(yùn)行。具體來說，只有當(dāng)牙刷處于工作模式且未放置在充電站時(shí)，晶體管柵極上的信號(hào)才為高電平。

　　圖 3：說明牙刷在一次刷牙過程中工作情況的波形。

　　圖 4：通知完成的信號(hào)：2 分鐘總刷牙（左）和 30 秒象限刷牙（右）。

　　充電

　　大多數(shù)現(xiàn)代電動(dòng)牙刷都使用無線感應(yīng)充電。牙刷及其底座組成一個(gè)由兩部分組成的變壓器，底座具有變壓器的初級(jí)繞組，牙刷具有次級(jí)繞組。次級(jí)繞組上感應(yīng)的電壓由二極管D1整流，然后通過電阻分壓器降低到正確檢測(cè)充電器存在所需的值（見圖1）。分壓器包括外部電阻R7 （100 kΩ）和R5 （4.7 kΩ），以及SLG10內(nèi)部的下拉電阻（47513 kΩ），將引腳6上的電壓峰值設(shè)置為1.2 V左右。

　　當(dāng)來自充電器的信號(hào)到達(dá)引腳 6（用作模擬比較器）時(shí)，頻率檢測(cè)器的輸入端會(huì)出現(xiàn)高電平。頻率檢測(cè)器在該信號(hào)上產(chǎn)生一個(gè)高電平輸出，該輸出進(jìn)入引腳 5 并啟用充電（參見圖 5 和圖 6）。引腳 5 輸出端的這個(gè)高電平信號(hào)打開一個(gè) Q2 晶體管，而 Q1 晶體管又打開一個(gè) Q《》 晶體管，從而啟動(dòng)電池的充電過程。

　　圖片 圖 5：引腳 6 輸入端的充電器信號(hào)和引腳 5 端的輸出使能。

　?。?圖 6：斷開充電器過程中引腳 6 輸入端和引腳 5 輸出端的信號(hào)。

　　為了防止電池過度充電，使用了模擬比較器ACMP1H。電阻 R8 和 R9 將電池電壓分成兩半，該電壓施加到引腳 11 的輸入端。然后，通過滯后為725 mV的比較器將其與100 mV的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果來自分壓器的電壓達(dá)到此基準(zhǔn)電壓，則電池充電停止。使用延遲宏單元 DLY2 作為濾波器。

　　為了防止電池過度放電，使用了模擬比較器ACMP0H。該比較器比較來自分壓器的相同電壓，但其基準(zhǔn)電壓設(shè)置為500 mV，遲滯設(shè)置為100 mV。當(dāng)測(cè)得的電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出變?yōu)榈碗娖剑w管閉合，防止電池過度放電。

　　為防止電路通過分壓器消耗多余的能量，分壓器僅在電池充電或牙刷打開時(shí)才連接到接地總線。這些條件由 2 位 LUT3 檢查，當(dāng)至少滿足其中一個(gè)條件時(shí)，其輸出變?yōu)楦唠娖健；谠摳唠娖叫盘?hào)的多路復(fù)用器 3-L0 通過 Pin13 的集電極開路晶體管將接地總線連接到分壓器。此外，ACMP0H 僅在牙刷退出睡眠模式時(shí)開機(jī)，ACMP1H 僅在連接充電器時(shí)開機(jī)。這些措施確保了睡眠模式下極低的消耗。

　　項(xiàng)目模擬

　　項(xiàng)目的電機(jī)控制部分可以在GreenPAK Designer軟件仿真工具中進(jìn)行仿真。圖7所示為仿真波形。仿真表明，按下按鈕后，晶體管打開，電機(jī)開始工作。當(dāng)電池電壓低于 900 mV 時(shí)，電機(jī)關(guān)閉。

　　圖 7：電機(jī)控制部分的仿真波形。

　　結(jié)論

　　SLG47513低電壓操作允許僅通過一個(gè) 1.2 V 鎳氫電池為所提出的設(shè)備供電，該電池是電動(dòng)牙刷的主要電源。SLG47513非常適合這些設(shè)備，因?yàn)樗哂凶銐虻臄?shù)字和模擬宏單元，可用于控制牙刷電機(jī)并實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器和充電控制等附加功能。該SLG47513可以作為市場(chǎng)上流行的電動(dòng)牙刷的功能替代品。由于市場(chǎng)上可以由1.2 V供電并可以實(shí)現(xiàn)牙刷功能的集成電路并不多，因此制造商經(jīng)常使用定制ASIC，這增加了牙刷的成本。GreenPAK 是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，因?yàn)樗褂矛F(xiàn)成的基座芯片，采用 1.6 mm x 1.6 mm 的極小外殼，有助于減少所需的電路板空間。

　　審核編輯：黃飛