原创 采用BP45Fxxxx套料的低成本电动牙刷方案(电路图+BOM表+PCB布线图)

2022-1-17 11:08 1331 12 4 分类: 消费电子 文集: 方案
电动牙刷深受年轻一簇和青少年及儿童的欢迎,基本原理是无线充电技术。牙刷采用自动旋转刷头,符合人体工程学设计,再加上自由切换振幅强度,不仅能促进口腔的血液循环,还保证了刷牙的高效与便捷。

方案特点

无线充电电动牙刷一般分无线充电发射座(充电座)、声波电动牙刷(牙刷本体)两部分,充电座用于无线充电发射与ID识别,牙刷本体具有无线充电接收、锂电池充电管理、放电管理、声波马达控制与LED指示四项功能,设计简单制作方便。

方案的充电座由USB 5V供电并通过LC谐振方式提供电源给牙刷本体,并提供单向通讯功能使充电座可以接收信息,并识别由牙刷本体回传的ID信息。

牙刷本体在充电过程中提供充电管理、LED电量显示功能,牙刷本体在操作时依不同设定,控制声波马达进行相对应的刷牙模式。

图1. 方案原理及实物

1、充电座

BP45F0044内建高压N型MOSFET控制LC谐振,并通过外部的电流采样电阻与内建解调功能进行通讯解调,也内建四段I/O直推LED电流选择,达到外部元件精简的目的。

通过外部的电流采样电阻与解调功能进行通讯解调,通过牙刷本体所回传ID判断是否进行供电,若回传ID不正确将停止发送能量,达到降低系统平均功耗的目的。

2、牙刷本体

主控IC BP45F1330内建线性充电电路,用于锂电池充电管理,并集成H桥驱动电路可控制马达正反转,且内建四段I/O直推LED电流选择可节省外部限流电阻。

在进入工作模式1时,将自动进入休眠模式,系统完全停止运行,平均待机电流约1μA,达到省电的效果。

方案电路

无线充电功能是基于将能量以交变磁场方式,把充电座能量传送到牙刷端,使牙刷端感应出交变电流。牙刷端需要将感应出的交流电经过整流电路后,才能使之变为可供IC使用以及锂电池充电的直流电电源。通讯也在无线充电中扮演重要角色,当充电座可与牙刷成功通讯时,充电座才会将功率发射,平时则关闭功率发射并待机以降低功耗。而牙刷本体在操作时,依不同设定,控制声波马达进行相对应的幅度摆动与频率摆动,达到不同清洁效果。

本方案充电座工作电压为DC5V(USB供电),工作电流160mA(已连结牙刷本体)。充电座输入的USB 5V电源,通过PWM功能控制内部MOS进行LC谐振控制,并通过外部的电流采样电阻与解调功能进行通讯解调,通过牙刷本体所回传ID判断是否进行供电。

牙刷本体工作电压DC3.0~4.2V(锂电池供电),待机功耗1μA(休眠模式),工作耗电600mA(LED+声波马达),主控IC BP45F1330内建线性充电电路可用于锂电池充电管理,H桥驱动电路可直接驱动电机。牙刷本体的输入电源由LC谐振供应,并经由稳压电路再提供至IC,通过内部的线性充电电路对3.7V锂电池行涓流、恒流、恒压的充电控制,其充电电流根据使用者的设计而有所不同,充电过程中牙刷本体会与充电座进行通讯,使充电座获取牙刷本体的ID,进而达到绑定的功能。

图2. BP45F0044 + BP45F1330电动牙刷方案电路

在操作时依不同设定,控制声波马达进行相对应的幅度摆动与频率摆动,达到不同的清洁效果。

(1)充电模式:牙刷本体放上充电座后进入充电模式,充电时牙刷本体电池电压小于3.3V时会亮红色LED指示灯,在大于3.3V小于3.8V时会亮黄色LED指示灯,当大于3.8V时会亮蓝LED指示灯,并且带有呼吸灯效果。

(2)工作模式:牙刷本体有4段不同工作模式,通过按键做循环切换,其中工作模式0为进入休眠模式,并关闭震动与LED灯,工作模式1/2/3分别表示不同的清洁效果,并以3个白色LED灯表示现在工作的模式。

BOM表及PCB布线

此方案包含两个MCU芯片,其中充电座使用移动电源专用MCU BP45F0044作为主控,内部提供0.5K的程序储存空间、4个双向I/O、高压N型MOSFET、可程序化PWM电路与解调电路供用户使用。牙刷本体使用BP45F1330作为主控MCU,内部提供2K的程序储存空间、14个双向I/O、H桥驱动电路可供用户使用。

无线充电发射与数据接收方面,充电座以BP45F0044内建之高压N型MOSFET与可编程PWM电路,控制LC谐振电路发射无线充电功率,以及内建之解调电路供无线充电数据接收使用。在声波马达与锂电池充电控制方面,牙刷本体以BP45F1330内建之H桥驱动电路控制声波马达,以及内建之线性充电电路对锂电池进行充电管理。

图3. PCB Layout

充电电路部分,需在牙刷本体输入电源设计一前端保护电路,由全桥电路整流后通过稽纳二极管稳压,防止能量过高时将牙刷本体的IC损毁。由于方案电流约45mA,电压5V,功率为0.225W,故选择0.5W齐纳二极管作为稳压管。

充电座线圈电感值为8.9μH,预设谐振频率为130kHz,使用LC谐振公式算出谐振电容为168.41nF,并调整PWM的程序内LCFreq与PWMDuty参数,使PWM输出能够于LC谐振波形的零点作切换,此方案调整的PWM频率为114.3kHz;接着牙刷本体电感为20μH,以充电座的PWM频率计算出牙刷本体谐振电容为96.97nF。

图4. 电动牙刷方案BOM表

线圈选型时,充电发射线圈采用线径0.6mm的多芯漆包绞线绕制10圈,感量32.01μH,尺寸为高8mm、直径10mm带导磁柱的圆柱形。声波电动牙刷线圈采用线径0.3mm的单芯漆包线绕制18圈,感量53.59μH,尺寸为高9mm、直径15mm圆柱形。

作者: 硬之城Allchips, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3975615.html

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