基于SX8121的馬達驅動(dòng)電路設計及其應用

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

SX8121簡(jiǎn)介

SX8121是只需1V供電的馬達和LED控制器，它可以通過(guò)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(guò)第1腳上的電平高低選擇)，超時(shí)后自動(dòng)重啟。當SX8121處于激活狀態(tài)時(shí)，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(lái)控制馬達的開(kāi)關(guān)，同時(shí)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(shí)，SX8121開(kāi)始控制其I/O管腳的狀態(tài)。當外部直流電源的電壓VDD高于鎳氫電池的滿(mǎn)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)。當電池電壓低于0.9V時(shí)處于低電壓模式，芯片將不會(huì )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(guān)閉狀態(tài)，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(shí)立即進(jìn)入激活或休眠狀態(tài)。芯片根據POLARITY管腳上的電平高低決定(上電過(guò)程中)當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BUTTON管腳電平的高低變化進(jìn)行響應，并在激活和休眠狀態(tài)之間進(jìn)行切換。

SX8121根據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(guò)度放電和泄露，延長(cháng)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(shí)，SX8121就會(huì )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(kāi)關(guān)控制。為了驗證SX8121驅動(dòng)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(tài)，通過(guò)BUTTON來(lái)控制MOTOR管腳的輸出，從而控制馬達旋轉或關(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，設計非常簡(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?。ò_(kāi)關(guān)僅2.6cm×1.6cm）。該SX8121控制板連接電池和馬達，并通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)控制馬達的啟動(dòng)或關(guān)閉。

圖2 單節干電池驅動(dòng)的電推剪原理圖


圖3 PCB及電推剪實(shí)物

圖4是將開(kāi)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(guò)三極管輸出大約1.1A的電流，而啟動(dòng)瞬間的峰值則超過(guò)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

充電式電推剪設計

當電池電壓低于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(kāi)，此時(shí)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(shí)，將VDD_5V接上外部的5V直流電(可通過(guò)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(guò)NIMH到VDD對鎳氫電池進(jìn)行充電。當電池電壓達到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，單節滿(mǎn)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(mǎn)充約需12小時(shí)左右。

圖7為充電式電推剪SX8121控制板的PCB，因為充電回路簡(jiǎn)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(dòng)的剃須刀在穩定運行時(shí)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(dòng)的方案相比，SX8121僅需1節電池即可控制馬達的驅動(dòng)，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(guò)度放電和泄露。

SX8121不僅可以定時(shí)，還可以對鎳氫電池進(jìn)行充電。其輸出電流和力矩足夠驅動(dòng)剃須刀、電推剪、電動(dòng)牙刷等日常小型電器。除了作為馬達驅動(dòng)器，還可作為L(cháng)ED驅動(dòng)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(dòng)芯片，SX8121設計十分簡(jiǎn)單，BOM成本很低，非常適合于小型電動(dòng)設備和家電的設計和應用。