在過去的十年中，口腔健康和衛(wèi)生受到特別關(guān)注。這種趨勢正在推動發(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牙刷類型是旋轉(zhuǎn)或左右移動的電動牙刷。電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)音速或更低速度的運(yùn)動。

現(xiàn)代電動牙刷通常依靠可充電電池，當(dāng)牙刷在使用之間放置在充電底座中時(shí)，可通過感應(yīng)充電來充電。它們通常使用鎳氫 (NiMH )電池，其標(biāo)稱電壓為 1.2 V。低電壓 GreenPAK? SLG47513 的工作電壓范圍為 1 V 至 1.65 V，可以控制牙刷的操作。

圖1：基于SLG47513的電動牙刷的總體原理圖。

圖 2：電動牙刷 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，第 8 腳輸出被設(shè)置為高電平，但當(dāng)按下按鈕時(shí)，會出現(xiàn)短暫的低電平信號。為了濾除開關(guān)跳動，使用了延遲宏單元 DLY4。DFF18 會鎖存電壓電平，并在每次按下按鈕時(shí)翻轉(zhuǎn)它，從而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的輸出端有恒定的高電壓電平。該電壓電平打開晶體管 Q3 并啟動直流電機(jī)。

刷子有 2 個(gè)定時(shí)器。第一個(gè)通知用戶 2 分鐘的刷牙過程已完成。振蕩器OSC0、DFF19和DFF11形成頻率為2.67Hz的時(shí)鐘信號。當(dāng)牙刷切換到 ON 模式時(shí)，2 位 LUT1 將此時(shí)鐘信號饋送到 CNT0 的 CLK 輸入。兩分鐘后，CNT0 輸出出現(xiàn)高電平，觸發(fā)單觸發(fā)（CNT6），形成寬度等于時(shí)鐘信號三個(gè)半周期的信號脈沖。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)生振動效果（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 CNT3 的 30 秒計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器發(fā)出信號，表明需要繼續(xù)刷牙口腔的下一個(gè)象限（四分之一）。30 秒后，CNT3 輸出出現(xiàn)高電平。2 位 LUT0 每 4 個(gè)脈沖進(jìn)行一次過濾，過濾器宏單元可消除毛刺。CNT3 輸出信號觸發(fā)單觸發(fā) (CNT1)，形成寬度等于時(shí)鐘信號一個(gè)半周期的信號脈沖（見圖 3 和圖 4b）。

為了確保每次關(guān)閉牙刷時(shí)計(jì)時(shí)器都會重新啟動，計(jì)數(shù)器會在 DFF18 輸出信號的上升沿重置。

數(shù)字多路復(fù)用器可根據(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。具體地，僅當(dāng)牙刷處于工作模式并且未放置在充電站中時(shí)，晶體管柵極上的信號才為高電平。

圖 3：說明一次刷牙過程中牙刷工作情況的波形。

圖 4：通知完成的信號：總刷牙時(shí)間為 2 分鐘（左）和象限刷牙時(shí)間為 30 秒（右）。

大多數(shù)現(xiàn)代電動牙刷都使用無線感應(yīng)充電。牙刷及其底座形成兩部分變壓器，底座具有變壓器的初級繞組，牙刷具有次級繞組。次級繞組上感應(yīng)的電壓通過二極管 D1 進(jìn)行整流，然后通過電阻分壓器降低至正確檢測充電器是否存在所需的值（見圖 1）。該分壓器包括外部電阻器 R7 (100 kΩ) 和 R5 (4.7 kΩ)，以及 SLG47513 內(nèi)部的內(nèi)部下拉電阻器 (10 kΩ)，它將引腳 6 上的電壓峰值設(shè)置在 1.2 V 左右。

當(dāng)來自充電器的信號到達(dá)用作模擬比較器的引腳 6 時(shí)，頻率檢測器的輸入端會出現(xiàn)高電平。頻率檢測器在此信號上生成高電平輸出，該信號發(fā)送到引腳 5 并啟用充電（參見圖 5 和圖 6）。引腳 5 輸出處的高電平信號會打開 Q2 晶體管，進(jìn)而打開 Q1 晶體管，啟動電池的充電過程。

圖 5：引腳 6 輸入處來自充電器的信號和引腳 5 處輸出使能的信號。

圖 6：斷開充電器過程中引腳 6 輸入和引腳 5 輸出的信號。

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，并將該電壓施加到引腳11的輸入。然后通過遲滯為100 mV的比較器將其與725 mV的參考電壓進(jìn)行比較。如果分壓器的電壓達(dá)到該參考電壓，電池充電就會停止。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，但其參考電壓設(shè)置為 500 mV，遲滯設(shè)置為 100 mV。當(dāng)測量的電壓低于參考電壓時(shí)，比較器輸出變?yōu)榈碗娖剑w管關(guān)閉，防止電池過度放電。

為了防止電路通過分壓器消耗過多的能量，僅當(dāng)電池充電或牙刷打開時(shí)，分壓器才連接到接地總線。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６嗦窂?fù)用器 3-L0 根據(jù)該高電平信號，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 僅當(dāng)牙刷退出睡眠模式時(shí)才通電，ACMP1H 僅當(dāng)連接充電器時(shí)才通電。這些措施可確保睡眠模式下的功耗極低。

項(xiàng)目模擬

該項(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 顯示了仿真波形。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。

SLG47513 低電壓運(yùn)行允許僅通過一節(jié) 1.2 V NiMH 電池為擬議設(shè)備供電，這是電動牙刷的主要電源。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)定時(shí)器和充電控制等附加功能。SLG47513 可作為市場上流行電動牙刷的功能替代品。由于市場上可用1.2V供電并能實(shí)現(xiàn)牙刷功能的集成電路并不多，制造商通常使用定制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)成的基礎(chǔ)芯片，并且采用 1.6 毫米 x 1.6 毫米的極小外殼，

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