基于SX8121的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

采用1V DC供電，僅需單節(jié)電池，充電回路僅需4個(gè)電阻和2個(gè)LED指示燈，且可使用USB對(duì)鎳氫電池充電。該芯片可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)剃須刀、理發(fā)器、電動(dòng)牙刷等小型家電的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中。

SX8121簡(jiǎn)介

SX8121是只需1V供電的馬達(dá)和LED控制器，它可以通過一個(gè)按鍵的操作進(jìn)入激活、返回休眠狀態(tài)或者定時(shí)(10分鐘或者永不超時(shí)，通過第1腳上的電平高低選擇)，超時(shí)后自動(dòng)重啟。當(dāng)SX8121處于激活狀態(tài)時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)(典型值1.41V)，有一個(gè)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(shí)，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(shí)芯片的安全啟動(dòng)。當(dāng)電池電壓低于0.9V時(shí)處于低電壓模式，芯片將不會(huì)對(duì)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(cè)一次電池電壓VDD，當(dāng)VDD高于VON(典型值1.05V)時(shí)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(shí)芯片處于激活還是休眠狀態(tài)，此時(shí)芯片將會(huì)對(duì)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(dòng)切換工作模式，有效防止了電池電量不足時(shí)過度放電和泄露，延長(zhǎng)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(jì)

由圖1可知，當(dāng)VDD高于0.95V時(shí)，SX8121就會(huì)對(duì)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(duì)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(yàn)證SX8121驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的能力，特別設(shè)計(jì)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(jì)

對(duì)于非充電路的設(shè)計(jì)，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(jì)非常簡(jiǎn)單。圖3為PCB和電推剪實(shí)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(dòng)或關(guān)閉。

圖2 單節(jié)干電池驅(qū)動(dòng)的電推剪原理圖


圖3 PCB及電推剪實(shí)物

圖4是將開關(guān)至于ON的位置，插拔電池時(shí)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(dòng)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(dòng)瞬間的峰值則超過2A，如圖5所示。



圖4 放入和取出電池時(shí)電壓和電流變化



圖5 啟動(dòng)前后的電流變化

充電式電推剪設(shè)計(jì)

當(dāng)電池電壓低于1.41V時(shí)，NIMH管腳輸出高電平，反之則輸出低電平。利用這個(gè)特性可以對(duì)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(gè)LED(紅色和綠色各一個(gè)，作為充電指示燈)和4個(gè)電阻（R1~R4）。正常工作時(shí)，VDD_5V與外部5V直流電斷開，此時(shí)的工作模式與非充電式電推剪完全一樣。當(dāng)需要對(duì)電池充電時(shí)，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(shí)紅色LED(D2)亮，綠色LED(D1)熄滅。大約100mA電流通過NIMH到VDD對(duì)鎳氫電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到1.41V時(shí)NIMH管腳變成低電平(約500mV)，紅燈熄滅，綠燈點(diǎn)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(yùn)行40分鐘左右。電池滿充約需12小時(shí)左右。

圖7為充電式電推剪SX8121控制板的PCB，因?yàn)槌潆娀芈泛?jiǎn)單，外圍器件較少，其尺寸非常小。

圖7 充電式電推剪PCB

測(cè)試表明，單節(jié)鎳氫電池驅(qū)動(dòng)的剃須刀在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(dòng)的方案相比，SX8121僅需1節(jié)電池即可控制馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)，控制電路不需要MCU。SX8121自帶的電池電壓檢測(cè)功能非常適合于充電回路的設(shè)計(jì)，且有效防止了電池過度放電和泄露。

SX8121不僅可以定時(shí)，還可以對(duì)鎳氫電池進(jìn)行充電。其輸出電流和力矩足夠驅(qū)動(dòng)剃須刀、電推剪、電動(dòng)牙刷等日常小型電器。除了作為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，還可作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片，SX8121設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，BOM成本很低，非常適合于小型電動(dòng)設(shè)備和家電的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。