基于SX8121的单节电池马达驱动电路设计及其应用

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。



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。