电动牙刷完整解决方案（电路图+BOM表+PCB布线图）

芯情观察猿 2022-01-17 22782

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描述

电动牙刷是一个适合个人护理和消费电子厂家，以及工程师创业的好项目。作为深受年轻一簇和青少年及儿童欢迎的新一代牙刷，电动牙刷销量已经接近牙膏，是具有广阔市场前景的个人护理用品之一。

方案特点

电动牙刷的基本原理是无线充电技术。牙刷采用自动旋转刷头，符合人体工程学设计，再加上自由切换振幅强度，不仅能促进口腔的血液循环，还保证了刷牙的高效与便捷。

无线充电电动牙刷一般分无线充电发射座（充电座）、声波电动牙刷（牙刷本体）两部分，充电座用于无线充电发射与ID识别，牙刷本体具有无线充电接收、锂电池充电管理、放电管理、声波马达控制与LED指示四项功能，设计简单制作方便。

方案的充电座由USB 5V供电并通过LC谐振方式提供电源给牙刷本体，并提供单向通讯功能使充电座可以接收信息，并识别由牙刷本体回传的ID信息。

牙刷本体在充电过程中提供充电管理、LED电量显示功能，牙刷本体在操作时依不同设定，控制声波马达进行相对应的刷牙模式。

电动牙刷

图1. 方案原理及实物

1、充电座

BP45F0044内建高压N型MOSFET控制LC谐振，并通过外部的电流采样电阻与内建解调功能进行通讯解调，也内建四段I/O直推LED电流选择，达到外部元件精简的目的。

通过外部的电流采样电阻与解调功能进行通讯解调，通过牙刷本体所回传ID判断是否进行供电，若回传ID不正确将停止发送能量，达到降低系统平均功耗的目的。

2、牙刷本体

主控IC BP45F1330内建线性充电电路，用于锂电池充电管理，并集成H桥驱动电路可控制马达正反转，且内建四段I/O直推LED电流选择可节省外部限流电阻。

在进入工作模式1时，将自动进入休眠模式，系统完全停止运行，平均待机电流约1μA，达到省电的效果。

方案电路

无线充电功能是基于将能量以交变磁场方式，把充电座能量传送到牙刷端，使牙刷端感应出交变电流。牙刷端需要将感应出的交流电经过整流电路后，才能使之变为可供IC使用以及锂电池充电的直流电电源。通讯也在无线充电中扮演重要角色，当充电座可与牙刷成功通讯时，充电座才会将功率发射，平时则关闭功率发射并待机以降低功耗。而牙刷本体在操作时，依不同设定，控制声波马达进行相对应的幅度摆动与频率摆动，达到不同清洁效果。

本方案充电座工作电压为DC5V（USB供电），工作电流160mA（已连结牙刷本体）。充电座输入的USB 5V电源，通过PWM功能控制内部MOS进行LC谐振控制，并通过外部的电流采样电阻与解调功能进行通讯解调，通过牙刷本体所回传ID判断是否进行供电。

牙刷本体工作电压DC3.0~4.2V（锂电池供电），待机功耗1μA（休眠模式），工作耗电600mA（LED+声波马达），主控IC BP45F1330内建线性充电电路可用于锂电池充电管理，H桥驱动电路可直接驱动电机。牙刷本体的输入电源由LC谐振供应，并经由稳压电路再提供至IC，通过内部的线性充电电路对3.7V锂电池行涓流、恒流、恒压的充电控制，其充电电流根据使用者的设计而有所不同，充电过程中牙刷本体会与充电座进行通讯，使充电座获取牙刷本体的ID，进而达到绑定的功能。

电动牙刷

图2. BP45F0044 + BP45F1330电动牙刷方案电路

在操作时依不同设定，控制声波马达进行相对应的幅度摆动与频率摆动，达到不同的清洁效果。

（1）充电模式：牙刷本体放上充电座后进入充电模式，充电时牙刷本体电池电压小于3.3V时会亮红色LED指示灯，在大于3.3V小于3.8V时会亮黄色LED指示灯，当大于3.8V时会亮蓝LED指示灯，并且带有呼吸灯效果。

（2）工作模式：牙刷本体有4段不同工作模式，通过按键做循环切换，其中工作模式0为进入休眠模式，并关闭震动与LED灯，工作模式1/2/3分别表示不同的清洁效果，并以3个白色LED灯表示现在工作的模式。

BOM表及PCB布线

此方案包含两个MCU芯片，其中充电座使用移动电源专用MCU BP45F0044作为主控，内部提供0.5K的程序储存空间、4个双向I/O、高压N型MOSFET、可程序化PWM电路与解调电路供用户使用。牙刷本体使用BP45F1330作为主控MCU，内部提供2K的程序储存空间、14个双向I/O、H桥驱动电路可供用户使用。

无线充电发射与数据接收方面，充电座以BP45F0044内建之高压N型MOSFET与可编程PWM电路，控制LC谐振电路发射无线充电功率，以及内建之解调电路供无线充电数据接收使用。在声波马达与锂电池充电控制方面，牙刷本体以BP45F1330内建之H桥驱动电路控制声波马达，以及内建之线性充电电路对锂电池进行充电管理。

电动牙刷

图3. PCB Layout

充电电路部分，需在牙刷本体输入电源设计一前端保护电路，由全桥电路整流后通过稽纳二极管稳压，防止能量过高时将牙刷本体的IC损毁。由于方案电流约45mA，电压5V，功率为0.225W，故选择0.5W齐纳二极管作为稳压管。

充电座线圈电感值为8.9μH，预设谐振频率为130kHz，使用LC谐振公式算出谐振电容为168.41nF，并调整PWM的程序内LCFreq与PWMDuty参数，使PWM输出能够于LC谐振波形的零点作切换，此方案调整的PWM频率为114.3kHz；接着牙刷本体电感为20μH，以充电座的PWM频率计算出牙刷本体谐振电容为96.97nF。

电动牙刷

图4. 电动牙刷方案BOM表

线圈选型时，充电发射线圈采用线径0.6mm的多芯漆包绞线绕制10圈，感量32.01μH，尺寸为高8mm、直径10mm带导磁柱的圆柱形。声波电动牙刷线圈采用线径0.3mm的单芯漆包线绕制18圈，感量53.59μH，尺寸为高9mm、直径15mm圆柱形。

审核编辑：符乾江

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