基於Nuvoton MS51FB9AE 的電動牙刷(無線充+BLDC)解決方案

隨著人們對生活品質需求的逐漸提高,傳統手動牙刷清潔能力有限,研究證明,電動牙刷比手動牙刷多清除38%的牙菌斑,電動牙刷高速旋轉而產生的輕微振動,不僅能促進口腔的血液循環,對牙齦組織也有意想不到的按摩效果。電動牙刷具有清潔能力,感覺舒適,樂趣感受,減少損傷,美白靚麗和使用方便等六大優點。

品佳集團一直致力於物聯網產品的設計和推廣,本方案是基於Nuvoton MS51FB9AE設計電動牙刷方案,主要解決電動牙刷的無線充(初+次)和電機BLDC的設計。

一、無線供電與數據傳輸
由於電動牙刷經常接觸到水,對防水要求非常高,大部分電動牙刷都需要帶無線充電功能,新唐專有無線供電協議/通訊方案。產品兼容 Qi 標準 5W、7.5W/5W、15W/5W 三方案與符合 Qi 標準 5W 方案。轉換效率可達 85%,可動態功率調整,皆具有過溫、限流、金屬異物檢測等保護功能。符合 Qi 標準 5W 方案通過 Qi Ver 1.1.2 認證 ( No.: GZES1411013461IT ) 。

       

       本方案可以不僅僅實現無線供電,同時支持雙向資料通信,通過初次級線圈進行UART數據傳輸,通訊速率可達2.4Kbps。特別方便於密閉隔離產品間的通信設備,可以節省無線模塊成本。




                                             
     
無線供電與數據傳輸代碼分析部分:



 



    無線供電與數據傳輸方案特色:

  • 5W單線圈,調頻
  • 相容Qi Ver1.2.4標準,A11
  • 動態功率調整,效率72%
  • 金屬異物檢測(FOD)
  • 具有過溫、限流等保護功能
  • 充電 / 斷電 / 動態功率狀態指示
  • 不須外接即可供電
    • 易於防水設計
    • 設計更富有彈性,增加美觀
    • 方便使用
  • 實現無線供電與雙向數據通信
  • 電流範圍:20mA~700mA / 5V
  • 滿足各種設計需求:提供軟硬體開源碼
 
     二、BLDC

電動牙刷主要分為旋轉型和振動型(聲波式),主流的以振動型居多,主要也是通過直流無刷電機(BLDC)設計為主。本方案使用 NuMicro® MS51FB9AE 作為系統主晶片,搭配新唐 NCT3605 閘級驅動器實現閉迴路控制的直流無刷馬達 ( Brushless DC, BLDC ) 系統。

新唐MS51直流無刷馬達控制方案,透過 6 信道的 PWM 功能,產生三個相位 ( U, V, W ) 的占空比訊號至閘極驅動器,再透過閘級驅動器控制 MOS 以驅動馬達旋轉。系統會先使用 ADC 採樣可變電阻的電壓決定目標轉速,再經由馬達內部的傳感器回授霍爾訊號計算實際轉速,透過閉迴路控制的回授補償,即使負載大小改變也能快速修正回目標轉速。採用閉迴路的方式控制BLDC馬達,並使用可變電阻進行控制轉速。

       BLDC代碼解析:
       1、引腳資源
     

       2、初始化 timer 2 捕捉目前馬達轉速


       3、中斷子程序捕捉馬達轉速


       4、透過回授的目前轉速計算目標轉速
 
   

BLDC方案特色:

  • NuMicro® 1T 8051 系列微控制器,最高可運行至 16 MHz
  • 4V 至 5.5V 寬電壓範圍輸入,不須外掛 LDO
  • 支持 6 組單通道 / 3 組互補模式 PWM,控制三相馬達
  • 支持 8 組 12 位 ADC,提供高精度的可變電阻電壓採樣
  • 閉迴路控制系統,在外部負載大小改變時能夠自動修正回目標轉速
  • 閘級驅動器 NCT3605 具有保護功能,能夠防止 MOS 上下臂同時導通

►場景應用圖

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

Nuvoton目前豐富的產品線,包括8bit MCU 、M0、M23、M4、ARM9等MCU和MPU產品。在消費類和工業類產品應用中最為廣泛,同時增加AEC Q100認證的車用MCU產品。目前,電動牙刷已有成功量產案例,設計主要優勢如下:  豐富的產品資源,可以一站式解決客戶產品設計需求  實現無線供電+無線UART數據傳輸一體化  符合 Qi 標準 5W 方案,通過 Qi Ver 1.1.2 認證 ( No.: GZES1411013461IT )  滿足各類設計需求,提供無線充和BLDC的軟硬體開源碼  便捷的本土化技術支持,實時解決客戶各種技術困擾  單晶片低成本解決方案  無線充TX端集成無線充電初級線圈控制、充電電流回饋解析和充電功率調整三部分功能  無線充RX端集成無線充電接收、電池充放電管理和BLDC電機控制三部分功能

►方案規格

 MS51 ( 8 位 1T 8051)  Flash 最高達 32 KB; RAM 最高達 2 KB  電壓工作範圍:2.4V ~ 5.5V  工業級工作溫度:-40 ~ +105 °C  外設資源豐富:4 組 16 位 Timer、 WDT 、 WKT 、UART、 SPI 、 I²C 、3 組互補雙通道 / 6 組單通道輸出 PWM 、ADC  優異的 ESD & EFT  抗干擾能力:EFT/4 kV & ESD HBM 最高達 8 kV  封裝支持:MSOP10 / TSSOP14 / QFN20 / TSSOP20 / TSSOP28 / QFN33 / LQFP32

技術文檔

類型標題檔案
硬件Datasheet
硬件Schematics
硬件BOM
硬件PCB
軟件Software