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