電動(dòng)牙刷是一個(gè)適合個(gè)人護(hù)理和消費(fèi)電子廠家，以及工程師創(chuàng)業(yè)的好項(xiàng)目。作為深受年輕一簇和青少年及兒童歡迎的新一代牙刷，電動(dòng)牙刷銷量已經(jīng)接近牙膏，是具有廣闊市場(chǎng)前景的個(gè)人護(hù)理用品之一。

方案特點(diǎn)

電動(dòng)牙刷的基本原理是無(wú)線充電技術(shù)。牙刷采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)刷頭，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，再加上自由切換振幅強(qiáng)度，不僅能促進(jìn)口腔的血液循環(huán)，還保證了刷牙的高效與便捷。

無(wú)線充電電動(dòng)牙刷一般分無(wú)線充電發(fā)射座（充電座）、聲波電動(dòng)牙刷（牙刷本體）兩部分，充電座用于無(wú)線充電發(fā)射與ID識(shí)別，牙刷本體具有無(wú)線充電接收、鋰電池充電管理、放電管理、聲波馬達(dá)控制與LED指示四項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單制作方便。

方案的充電座由USB 5V供電并通過(guò)LC諧振方式提供電源給牙刷本體，并提供單向通訊功能使充電座可以接收信息，并識(shí)別由牙刷本體回傳的ID信息。

牙刷本體在充電過(guò)程中提供充電管理、LED電量顯示功能，牙刷本體在操作時(shí)依不同設(shè)定，控制聲波馬達(dá)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的刷牙模式。

圖1. 方案原理及實(shí)物

1、充電座

BP45F0044內(nèi)建高壓N型MOSFET控制LC諧振，并通過(guò)外部的電流采樣電阻與內(nèi)建解調(diào)功能進(jìn)行通訊解調(diào)，也內(nèi)建四段I/O直推LED電流選擇，達(dá)到外部元件精簡(jiǎn)的目的。

通過(guò)外部的電流采樣電阻與解調(diào)功能進(jìn)行通訊解調(diào)，通過(guò)牙刷本體所回傳ID判斷是否進(jìn)行供電，若回傳ID不正確將停止發(fā)送能量，達(dá)到降低系統(tǒng)平均功耗的目的。

2、牙刷本體

主控IC BP45F1330內(nèi)建線性充電電路，用于鋰電池充電管理，并集成H橋驅(qū)動(dòng)電路可控制馬達(dá)正反轉(zhuǎn)，且內(nèi)建四段I/O直推LED電流選擇可節(jié)省外部限流電阻。

在進(jìn)入工作模式1時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，系統(tǒng)完全停止運(yùn)行，平均待機(jī)電流約1μA，達(dá)到省電的效果。

方案電路

無(wú)線充電功能是基于將能量以交變磁場(chǎng)方式，把充電座能量傳送到牙刷端，使牙刷端感應(yīng)出交變電流。牙刷端需要將感應(yīng)出的交流電經(jīng)過(guò)整流電路后，才能使之變?yōu)榭晒㊣C使用以及鋰電池充電的直流電電源。通訊也在無(wú)線充電中扮演重要角色，當(dāng)充電座可與牙刷成功通訊時(shí)，充電座才會(huì)將功率發(fā)射，平時(shí)則關(guān)閉功率發(fā)射并待機(jī)以降低功耗。而牙刷本體在操作時(shí)，依不同設(shè)定，控制聲波馬達(dá)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的幅度擺動(dòng)與頻率擺動(dòng)，達(dá)到不同清潔效果。

本方案充電座工作電壓為DC5V（USB供電），工作電流160mA（已連結(jié)牙刷本體）。充電座輸入的USB 5V電源，通過(guò)PWM功能控制內(nèi)部MOS進(jìn)行LC諧振控制，并通過(guò)外部的電流采樣電阻與解調(diào)功能進(jìn)行通訊解調(diào)，通過(guò)牙刷本體所回傳ID判斷是否進(jìn)行供電。

牙刷本體工作電壓DC3.0~4.2V（鋰電池供電），待機(jī)功耗1μA（休眠模式），工作耗電600mA（LED+聲波馬達(dá)），主控IC BP45F1330內(nèi)建線性充電電路可用于鋰電池充電管理，H橋驅(qū)動(dòng)電路可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。牙刷本體的輸入電源由LC諧振供應(yīng)，并經(jīng)由穩(wěn)壓電路再提供至IC，通過(guò)內(nèi)部的線性充電電路對(duì)3.7V鋰電池行涓流、恒流、恒壓的充電控制，其充電電流根據(jù)使用者的設(shè)計(jì)而有所不同，充電過(guò)程中牙刷本體會(huì)與充電座進(jìn)行通訊，使充電座獲取牙刷本體的ID，進(jìn)而達(dá)到綁定的功能。

圖2. BP45F0044 + BP45F1330電動(dòng)牙刷方案電路

在操作時(shí)依不同設(shè)定，控制聲波馬達(dá)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的幅度擺動(dòng)與頻率擺動(dòng)，達(dá)到不同的清潔效果。

（1）充電模式：牙刷本體放上充電座后進(jìn)入充電模式，充電時(shí)牙刷本體電池電壓小于3.3V時(shí)會(huì)亮紅色LED指示燈，在大于3.3V小于3.8V時(shí)會(huì)亮黃色LED指示燈，當(dāng)大于3.8V時(shí)會(huì)亮藍(lán)LED指示燈，并且?guī)в泻粑鼰粜Ч?/p>

（2）工作模式：牙刷本體有4段不同工作模式，通過(guò)按鍵做循環(huán)切換，其中工作模式0為進(jìn)入休眠模式，并關(guān)閉震動(dòng)與LED燈，工作模式1/2/3分別表示不同的清潔效果，并以3個(gè)白色LED燈表示現(xiàn)在工作的模式。

BOM表及PCB布線

此方案包含兩個(gè)MCU芯片，其中充電座使用移動(dòng)電源專用MCU BP45F0044作為主控，內(nèi)部提供0.5K的程序儲(chǔ)存空間、4個(gè)雙向I/O、高壓N型MOSFET、可程序化PWM電路與解調(diào)電路供用戶使用。牙刷本體使用BP45F1330作為主控MCU，內(nèi)部提供2K的程序儲(chǔ)存空間、14個(gè)雙向I/O、H橋驅(qū)動(dòng)電路可供用戶使用。

無(wú)線充電發(fā)射與數(shù)據(jù)接收方面，充電座以BP45F0044內(nèi)建之高壓N型MOSFET與可編程PWM電路，控制LC諧振電路發(fā)射無(wú)線充電功率，以及內(nèi)建之解調(diào)電路供無(wú)線充電數(shù)據(jù)接收使用。在聲波馬達(dá)與鋰電池充電控制方面，牙刷本體以BP45F1330內(nèi)建之H橋驅(qū)動(dòng)電路控制聲波馬達(dá)，以及內(nèi)建之線性充電電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。

圖3. PCB Layout

充電電路部分，需在牙刷本體輸入電源設(shè)計(jì)一前端保護(hù)電路，由全橋電路整流后通過(guò)稽納二極管穩(wěn)壓，防止能量過(guò)高時(shí)將牙刷本體的IC損毀。由于方案電流約45mA，電壓5V，功率為0.225W，故選擇0.5W齊納二極管作為穩(wěn)壓管。

充電座線圈電感值為8.9μH，預(yù)設(shè)諧振頻率為130kHz，使用LC諧振公式算出諧振電容為168.41nF，并調(diào)整PWM的程序內(nèi)LCFreq與PWMDuty參數(shù)，使PWM輸出能夠于LC諧振波形的零點(diǎn)作切換，此方案調(diào)整的PWM頻率為114.3kHz；接著牙刷本體電感為20μH，以充電座的PWM頻率計(jì)算出牙刷本體諧振電容為96.97nF。

圖4. 電動(dòng)牙刷方案BOM表

線圈選型時(shí)，充電發(fā)射線圈采用線徑0.6mm的多芯漆包絞線繞制10圈，感量32.01μH，尺寸為高8mm、直徑10mm帶導(dǎo)磁柱的圓柱形。聲波電動(dòng)牙刷線圈采用線徑0.3mm的單芯漆包線繞制18圈，感量53.59μH，尺寸為高9mm、直徑15mm圓柱形。

審核編輯：符乾江