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

方案特點

電動牙刷的基本原理是無線充電技術。牙刷采用自動旋轉刷頭，符合人體工程學設計，再加上自由切換振幅強度，不僅能促進口腔的血液循環(huán)，還保證了刷牙的高效與便捷。

無線充電電動牙刷一般分無線充電發(fā)射座（充電座）、聲波電動牙刷（牙刷本體）兩部分，充電座用于無線充電發(fā)射與ID識別，牙刷本體具有無線充電接收、鋰電池充電管理、放電管理、聲波馬達控制與LED指示四項功能，設計簡單制作方便。

方案的充電座由USB 5V供電并通過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，并識別由牙刷本體回傳的ID信息。

牙刷本體在充電過程中提供充電管理、LED電量顯示功能，牙刷本體在操作時依不同設定，控制聲波馬達進行相對應的刷牙模式。

圖1. 方案原理及實物

1、充電座

BP45F0044內建高壓N型MOSFET控制LC諧振，并通過外部的電流采樣電阻與內建解調功能進行通訊解調，也內建四段I/O直推LED電流選擇，達到外部元件精簡的目的。

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

2、牙刷本體

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

在進入工作模式1時，將自動進入休眠模式，系統(tǒng)完全停止運行，平均待機電流約1μA，達到省電的效果。

方案電路

無線充電功能是基于將能量以交變磁場方式，把充電座能量傳送到牙刷端，使牙刷端感應出交變電流。牙刷端需要將感應出的交流電經過整流電路后，才能使之變?yōu)榭晒㊣C使用以及鋰電池充電的直流電電源。通訊也在無線充電中扮演重要角色，當充電座可與牙刷成功通訊時，充電座才會將功率發(fā)射，平時則關閉功率發(fā)射并待機以降低功耗。而牙刷本體在操作時，依不同設定，控制聲波馬達進行相對應的幅度擺動與頻率擺動，達到不同清潔效果。

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

牙刷本體工作電壓DC3.0~4.2V（鋰電池供電），待機功耗1μA（休眠模式），工作耗電600mA（LED+聲波馬達），主控IC BP45F1330內建線性充電電路可用于鋰電池充電管理，H橋驅動電路可直接驅動電機。牙刷本體的輸入電源由LC諧振供應，并經由穩(wěn)壓電路再提供至IC，通過內部的線性充電電路對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)使用者的設計而有所不同，充電過程中牙刷本體會與充電座進行通訊，使充電座獲取牙刷本體的ID，進而達到綁定的功能。

圖2. BP45F0044 + BP45F1330電動牙刷方案電路

在操作時依不同設定，控制聲波馬達進行相對應的幅度擺動與頻率擺動，達到不同的清潔效果。

（1）充電模式：牙刷本體放上充電座后進入充電模式，充電時牙刷本體電池電壓小于3.3V時會亮紅色LED指示燈，在大于3.3V小于3.8V時會亮黃色LED指示燈，當大于3.8V時會亮藍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，通過按鍵做循環(huán)切換，其中工作模式0為進入休眠模式，并關閉震動與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MCU芯片，其中充電座使用移動電源專用MCU BP45F0044作為主控，內部提供0.5K的程序儲存空間、4個雙向I/O、高壓N型MOSFET、可程序化PWM電路與解調電路供用戶使用。牙刷本體使用BP45F1330作為主控MCU，內部提供2K的程序儲存空間、14個雙向I/O、H橋驅動電路可供用戶使用。

無線充電發(fā)射與數(shù)據(jù)接收方面，充電座以BP45F0044內建之高壓N型MOSFET與可編程PWM電路，控制LC諧振電路發(fā)射無線充電功率，以及內建之解調電路供無線充電數(shù)據(jù)接收使用。在聲波馬達與鋰電池充電控制方面，牙刷本體以BP45F1330內建之H橋驅動電路控制聲波馬達，以及內建之線性充電電路對鋰電池進行充電管理。

圖3. PCB Layout

充電電路部分，需在牙刷本體輸入電源設計一前端保護電路，由全橋電路整流后通過稽納二極管穩(wěn)壓，防止能量過高時將牙刷本體的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，預設諧振頻率為130kHz，使用LC諧振公式算出諧振電容為168.41nF，并調整PWM的程序內LCFreq與PWMDuty參數(shù)，使PWM輸出能夠于LC諧振波形的零點作切換，此方案調整的PWM頻率為114.3kHz；接著牙刷本體電感為20μH，以充電座的PWM頻率計算出牙刷本體諧振電容為96.97nF。

圖4. 電動牙刷方案BOM表

線圈選型時，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帶導磁柱的圓柱形。聲波電動牙刷線圈采用線徑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