基于SX8121的马达驱动电路设计及其应用

引言

目前市场上大多数电动剃须刀和电推剪等小型电器的马达一般由电池直接驱动，开关仅用于马达的上电或断电控制。对于充电电池，这会导致在电量较低时过度放电和泄露，不利于延长电池和马达的使用寿命，且此种设备的充电回路也比较复杂。不可充电的设备大多使用两节干电池驱动，不仅尺寸较大，成本也较高。

升特半导体(Semtech)有限公司最近推出了一种可定时的马达驱动控制芯片SX8121。采用1V DC供电，仅需单节电池，充电回路仅需4个电阻和2个LED指示灯，且可使用USB对镍氢电池充电。该芯片可广泛应用于电动剃须刀、理发器、电动牙刷等小型家电的设计和应用中。

SX8121简介

SX8121是只需1V供电的马达和LED控制器，它可以通过一个按键的操作进入激活、返回休眠状态或者定时(10分钟或者永不超时，通过第1脚上的电平高低选择)，超时后自动重启。当SX8121处于激活状态时，它将设置MOTOR控制管脚至高电平或者低电平（由POLARITY管脚控制)来控制马达的开关，同时在LED控制脚上输出43KHz的脉冲用以控制LED。

当外部供电电压高于0.6V时，SX8121开始控制其I/O管脚的状态。当外部直流电源的电压VDD高于镍氢电池的满充电压时(典型值1.41V)，有一个输出管脚(NIMH)变成低电平，反之则为高电平，它可以用于充电控制。在不同的电压下，芯片工作于不同模式，如图1所示。 

图1 不同电压下SX8121的工作模式

当电池的电压高于0.6V~0.7V时，SX8121进入安全模式，此种模式下所有管脚处于高阻状态，这保证了电池接入时芯片的安全启动。当电池电压低于0.9V时处于低电压模式，芯片将不会对接在BUTTON管脚上的按键操作出任何响应。MOTOR管脚和LED管脚均处于关闭状态，芯片每秒钟检测一次电池电压VDD，当VDD高于VON(典型值1.05V)时立即进入激活或休眠状态。芯片根据POLARITY管脚上的电平高低决定(上电过程中)当VDD高于VON时芯片处于激活还是休眠状态，此时芯片将会对BUTTON管脚电平的高低变化进行响应，并在激活和休眠状态之间进行切换。

SX8121根据供电电压的高低自动切换工作模式，有效防止了电池电量不足时过度放电和泄露，延长了电池和马达的使用寿命。

典型应用——单节电池供电的电推剪设计

由图1可知，当VDD高于0.95V时，SX8121就会对BUTTON管脚上的电平变换作出响应——MOTOR管脚(根据POLORITY的高低)输出对应的高低电平，这一特性非常适合于用于马达的开关控制。为了验证SX8121驱动马达的能力，特别设计了所需较大力矩的电推剪作为参考，得益于SX8121的低电压工作特性，该电推剪仅需1节1.5V的干电池或镍氢电池即可正常工作。

单节电池非充电式电推剪设计

对于非充电路的设计，只需将NIMH管脚处于悬空的状态，通过BUTTON来控制MOTOR管脚的输出，从而控制马达旋转或关闭。

图2为该非充电式电推剪原理图。SX8121所需的外围元器件非常少，设计非常简单。图3为PCB和电推剪实物，由于SX8121本身尺寸很小(SOIC-8封装)，且外围器件较少，所以PCB尺寸很小（包含开关仅2.6cm×1.6cm）。该SX8121控制板连接电池和马达，并通过开关来控制马达的启动或关闭。
 
图2 单节干电池驱动的电推剪原理图

 
图3 PCB及电推剪实物

图4是将开关至于ON的位置，插拔电池时电池电压和输出电流以及SX8121的MOTOR管脚电压的变化。插入电池正常启动后，MOTOR管脚输出高电平，通过三极管输出大约1.1A的电流，而启动瞬间的峰值则超过2A，如图5所示。[page]

 

图4 放入和取出电池时电压和电流变化

 

图5 启动前后的电流变化

充电式电推剪设计

当电池电压低于1.41V时，NIMH管脚输出高电平，反之则输出低电平。利用这个特性可以对镍氢电池进行充电控制。图6为可充电式电推剪原理图，充电回路仅需2个LED(红色和绿色各一个，作为充电指示灯)和4个电阻（R1~R4）。正常工作时，VDD_5V与外部5V直流电断开，此时的工作模式与非充电式电推剪完全一样。当需要对电池充电时，将VDD_5V接上外部的5V直流电(可通过USB adaptor接到电脑的USB接口)，此时红色LED(D2)亮，绿色LED(D1)熄灭。大约100mA电流通过NIMH到VDD对镍氢电池进行充电。当电池电压达到1.41V时NIMH管脚变成低电平(约500mV)，红灯熄灭，绿灯点亮，充电完成。

 

图6 充电式电推剪原理图

考虑到1200mAh的典型容量，单节满充的镍氢电池大约可以维持电推剪连续运行40分钟左右。电池满充约需12小时左右。

图7为充电式电推剪SX8121控制板的PCB，因为充电回路简单，外围器件较少，其尺寸非常小。

图7 充电式电推剪PCB

测试表明，单节镍氢电池驱动的剃须刀在稳定运行时耗电流也在1.1A左右，

所需的力矩与电推剪相当。

结论

与传统的两节电池驱动的方案相比，SX8121仅需1节电池即可控制马达的驱动，控制电路不需要MCU。SX8121自带的电池电压检测功能非常适合于充电回路的设计，且有效防止了电池过度放电和泄露。

SX8121不仅可以定时，还可以对镍氢电池进行充电。其输出电流和力矩足够驱动剃须刀、电推剪、电动牙刷等日常小型电器。除了作为马达驱动器，还可作为LED驱动应用在LED手电筒等日常照明设备上。作为一键控制的马达驱动芯片，SX8121设计十分简单，BOM成本很低，非常适合于小型电动设备和家电的设计和应用。