CN105003931A - 汽车电子点烟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了汽车电子点烟器，包括点烟头和点烟充电复用电路。点烟头设有金属块。点烟充电复用电路包括LC谐振电路、同步整流Buck-Boost电路、USB接口、第一开关电路、第二开关电路、输出电流采样电路、限流电流采样电路和主控制电路。主控制电路用于选择性地使第一和第二开关电路中的一者导通，并且在第一开关电路导通时，使LC谐振电路的感应加热线圈产生交变磁场，以金属块中产生涡流并使其加热，在第二开关电路导通时能够识别待充电设备的充电模式，并控制同步整流Buck-Boost电路输出与该识别出的充电模式相对应的充电电压和充电电流。本发明可同时实现点烟和充电功能，电路的复用程度高，产品制造成本低。

Description

汽车电子点烟器

技术领域

本发明涉及汽车点烟器。

背景技术

传统的汽车点烟器通过将电池电压直接加到点烟头的电阻丝两端，实现对电阻丝的加热，而点烟头与电池的连接和断开是通过卡簧结构件来实现。传统的汽车点烟器虽然结构简单，但是存在以下缺陷：1、由于点烟头与电池的连接通过卡簧来实现，卡簧随着使用次数的增加很容易变形，进而导致点烟效果差甚至失败，耐久性较差；2、由于点烟头的弹出是通过卡簧的热效应实现，因此电阻丝的最终被加热的温度很容易受使用条件和环境的影响；3、传统点烟器连续使用效果差，这是由于连续使用导致卡簧被反复加热而未能恢复到初始温度，因此连续使用使得电阻丝被加热的时间和温度得不到保障；4、传统点烟器的加热时间受电池电压的影响，这是由于电阻丝的阻值基本固定，电池电压高则电流大，加热时间短，电池电压低则电流小，加热时间长。

由于受限于传统点烟器的工作原理，因此以上缺陷很难完全消除。

汽车上除了点烟的需求，同时还有各种电子设备充电的需求。为了满足汽车上用户的充电需求，通常汽车上会配备车载逆变器模块，将汽车12V电池电压（或者其他电池电压）转换为220V/50Hz（或者其他幅值和频率）的交流电，供用户电子设备充电使用。而这种配电方式只是为了满足兼容不同电子设备的充电接口，因为实际上绝大部分用电设备需要的只是直流电（电子设备充电器一般是将电网电压转换为低压直流电）。这带来了整体转换效率低，成本高，高压安全隐患等问题。

随着USB功率传输协议的推出及相应标准接口的定义，当相关协议及硬件被电子设备支持后，汽车上将只需要配备直流变换模块给各种电子设备供电，而不再需要逆变器模块。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种同时具有点烟和充电功能、结构简单、成本低、点烟操作更加容易、点烟效果好的汽车电子点烟器。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

汽车电子点烟器，包括点烟头，其中，点烟头设有金属块；该汽车电子点烟器还包括点烟充电复用电路，点烟充电复用电路包括：

LC谐振电路，该LC谐振电路包括谐振电容和感应加热线圈；

同步整流Buck-Boost电路，该同步整流Buck-Boost电路包括第一桥臂、第二桥臂、桥接电感和储能电容，所述第一桥臂与外接直流电源的正极连接，该第一桥臂包括由上至下依次串联的第一MOS开关管和第一同步整流MOS管，该第二桥臂包括由上至下依次串联的第二同步整流MOS管和第二MOS开关管；第一MOS开关管和第一同步整流MOS管的共接点分别与所述桥接电感的一端和所述LC谐振电路的一端连接，第二同步整流MOS管和第二MOS开关管的共接点与桥接电感的另一端连接，LC谐振电路的另一端与所述外接直流电源的负极连接，所述储能电容的一端与第二同步整流MOS管连接，储能电容的另一端与所述外接直流电源的负极连接；

USB接口，该USB接口与同步整流Buck-Boost电路的输出端连接；

第一开关电路，用于导通或断开所述LC谐振电路与第一桥臂或外接直流电源的负极的连接；

第二开关电路，用于导通或断开USB接口与同步整流Buck-Boost电路之间的连接；

输出电流采样电路，用于对同步整流Buck-Boost电路的输出电流进行采样；

主控制电路，该主控制电路的控制输出端分别与第一MOS开关管、第一同步整流MOS管、第二MOS开关管和第二同步整流MOS管的栅极、以及第一开关电路和第二开关电路的控制输入端连接，主控制电路的第一输入端与输出电流采样电路的输出端连接，主控制电路的通信端与USB接口连接；该主控制电路用于选择性地使第一开关电路和第二开关电路中的一者导通，并且在第一开关电路导通时，使LC谐振电路的感应加热线圈产生交变磁场，以在点烟头的金属块中产生涡流并使金属块加热，在第二开关电路导通时能够识别与该USB接口相连的待充电设备的充电模式，并控制同步整流Buck-Boost电路输出与该识别出的充电模式相对应的充电电压和充电电流。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明通过一个同步整流Buck-Boost电路可以同时实现点烟和充电功能，由于电路的复用程度高，因而产品的制造成本得以大幅降低；

2、本发明的点烟充电复用电路参照USB功率传输协议，可以自动识别负载充电需求（例如5V、12V或者20V），最高支持100W的功率传输，从而替代了现有的车载逆变器模块，可以为各种电子设备供电。并且，相比现有的车载逆变器模块而言，有更高的传输效率、更小的体积、更轻的重量、更低的成本，而且不存在高压隐患；

3、本发明采用了感应加热的原理，通过电磁感应实现了对点烟头金属块的无接触加热，因此使得该汽车电子点烟器不再需要使用卡簧，因使用卡簧所带来相关的缺陷均得以消除；

4、本发明的点烟充电复用电路也使得点烟器的使用不再受使条件和环境的影响，通过控制器对同步整流Buck-Boost电路进行控制，使得加热时间可以按预期设定（可以远比传统点烟器加热时间短），并且不受电池电压的影响，各种保护可以很容易通过控制器来实现，有更好的安全性；

5、由于本发明采用了感应加热的原理，原有点烟头的电阻丝被替换为整块金属，其表面积与电阻丝相比大为减小，因而有利于提升保温性能，造型方面亦可以获得更多的选择。

附图说明

图1是本发明汽车电子点烟器的一个实施例的原理框图。

图2示出了本发明电子点烟器的主控制电路的一种实施方式的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

请参考图1。根据本发明一实施例的汽车电子点烟器，包括点烟头1和点烟充电复用电路。

点烟头1设有金属块。点烟充电复用电路包括LC谐振电路21、同步整流Buck-Boost电路22、USB接口23、第一开关电路、第二开关电路、输出电流采样电路、限流电流采样电路和主控制电路24。

LC谐振电路包括谐振电容C_r和感应加热线圈L_r。在图1所示的实施例中，LC谐振电路为LC串联谐振电路。在另一种实施例中，该LC谐振电路也可以是LC并联谐振电路。

同步整流Buck-Boost电路22包括第一桥臂、第二桥臂、桥接电感L₂和储能电容C₂，第一桥臂与外接直流电源V₁的正极连接，该第一桥臂包括由上至下依次串联的第一MOS开关管S₁和第一同步整流MOS管S₂，该第二桥臂包括由上至下依次串联的第二同步整流MOS管S₃和第二MOS开关管S₄；第一MOS开关管S₁和第一同步整流MOS管S₂的共接点分别与桥接电感L₂的一端和LC谐振电路21的一端连接，第二同步整流MOS管S₃和第二MOS开关管S₄的共接点与桥接电感L₂的另一端连接，LC谐振电路21的另一端与外接直流电源V₁的负极连接，储能电容C₂的一端与第二同步整流MOS管S₃连接，储能电容C₂的另一端与外接直流电源V₁的负极连接。图中，该外接直流电源V₁为一电池，该外接直流电源V₁的负极接地。

USB接口23与同步整流Buck-Boost电路22的输出端连接。第一开关电路用于导通或断开LC谐振电路21与第一桥臂或外接直流电源V₁的负极的连接。第二开关电路用于导通或断开USB接口23与同步整流Buck-Boost电路22之间的连接。图中，第一开关电路和第二开关电路分别由第一开关S₅和第二开关S₆构成。输出电流采样电路用于对同步整流Buck-Boost电路22的输出电流进行采样。

主控制电路24的控制输出端分别与第一MOS开关管S₁、第一同步整流MOS管S₂、第二MOS开关管S₄和第二同步整流MOS管S₃的栅极、以及第一开关电路和第二开关电路的控制输入端连接。主控制电路24的第一输入端与输出电流采样电路的输出端连接。在图1所示的实施例中，输出电流采样电路包括第一电流采样电阻R_S1，该第一电流采样电阻R_S1串联在同步整流Buck-Boost电路的输出端与USB接口23之间；主控制电路24的第一输入端分别与该第一电流采样电阻R_S1的两端连接。限流电流采样电路包括第二电流采样电阻R_S2，该第二电流采样电阻R_S2的一端分别与第一同步整流MOS管S₂的源极、第二MOS开关管S₄的源极以及主控制电路24的第三输入端连接，该第二电流采样电阻R_S2的另一端与外接直流电源V₁的负极连接。 主控制电路24用于在第一开关电路导通时，将流过第二电流采样电阻R_S2的电流与预设的第一限流阈值进行比较，如果大于等于该第一限流阈值，则将第一MOS开关管S₁和第一同步整流MOS管S₂关闭；在第二开关电路导通时将流过第二电流采样电阻R_S2的电流与预设的第二限流阈值进行比较，如果大于等于该第二限流阈值，则将第一MOS开关管S₁、第一同步整流MOS管S₂、第二MOS开关管S₄和第二同步整流MOS管S₃全部关闭。

主控制电路24的通信端与USB接口23连接。主控制电路24用于选择性地使第一开关电路和第二开关电路中的一者导通，并且在第一开关电路导通时，使LC谐振电路21的感应加热线圈L_r产生交变磁场，以在点烟头的金属块中产生涡流并使金属块加热，在第二开关电路导通时能够识别与该USB接口相连的待充电设备的充电模式，并控制同步整流Buck-Boost电路22输出与该识别出的充电模式相对应的充电电压和充电电流。其中，主控制电路24可以将采集到的流过第一电流采样电阻R_S1的电流（即同步整流Buck-Boost电路22的实际输出电流）与识别出的充电模式相对应的充电电流（即同步整流Buck-Boost电路的期望输出电流）进行比较，根据比较结果调节输出给第一MOS开关管S₁、第一同步整流MOS管S₂、第二MOS开关管S₄和第二同步整流MOS管S₃的控制信号，直至实际输出电流与期望输出电流之间的误差在预设的允许偏差范围内。

请参阅图2。所述主控制电路24包括单片机241和USB智能充电控制模块242。

单片机241的控制输出端分别与第一MOS开关管S₁、第一同步整流MOS管S₂、第二MOS开关管S₄和第二同步整流MOS管S₃的栅极、以及第一开关电路和第二开关电路的控制输入端连接，该单片机241的第一输入端与输出电流采样电路的输出端连接，单片机241的第二输入端与第二电流采样电阻R_S2的一端连接。

USB智能充电控制模块242的第一通信端与USB接口23连接，USB智能充电控制模块242的第二通信端与单片机241的通信端连接，USB智能充电控制模块242用于在第二开关电路导通时识别待充电设备的充电模式，并将识别结果通知单片机241，单片机241根据该识别结果控制同步整流Buck-Boost电路22输出与该识别出的充电模式相对应的充电电压和充电电流。

    进一步地，USB智能充电控制模块242包括检测单元244和识别单元246。检测单元242用于在第二开关电路导通时检测USB接口23是否连接了待充电设备，若检测出USB接口连接了待充电设备，则向单片机241发送初始供电信号；单片机241在收到该初始供电信号时，控制同步整流Buck-Boost电路22向USB接口23输出5V电压，同时向识别单元246发送充电识别启动信号。识别单元246用于在接收到单片机241发送的充电识别启动信号时识别待充电设备的充电模式，并将识别结果通知单片机241。

上述的USB智能充电控制模块242可以是一块芯片。在另一种实施方式中，也可以将USB智能充电控制模块的功能并入到单片机中，即通过软件编程的方式在单片机中实现USB智能充电控制模块242的功能。

在图1所示的实施例中，点烟充电复用电路还包括输入滤波电路25和输出滤波电路26。输入滤波电路25的输入端与外接直流电源V₁的正极连接，该输入滤波电路25的输出端与第一桥臂连接。输入滤波电路25由滤波电感L₁和滤波电容C₁组成。输出滤波电路26的输入端与同步整流Buck-Boost电路22的输出端连接，该输出滤波电路26的输出端与USB接口23连接。输出滤波电路26由滤波电感L₃和滤波电容C₃组成。

本发明集成了点烟和充电两项功能，根据用户选择可以在点烟功能和充电功能之间切换。

当主控制电路接24收到外部输入的点烟指令时，主控制电路24控制第一开关S₅闭合，第二开关S₆断开。第一MOS开关管S₁、第一同步整流MOS管S₂、谐振电容C_r和感应加热线圈L_r组成半桥谐振电路，在感应加热线圈L_r中产生交变磁场，交变磁场通过空气介质耦合到点烟头1中的金属块，金属块中产生涡流，从而将金属块加热到期望温度范围。第一MOS开关管S₁和第一同步整流MOS管S₂的高频驱动信号由主控制电路24提供。

当主控制电路24接收到外部输入的充电指令时，主控制电路24控制第一开关S₅断开，第二开关S₆闭合。第一MOS开关管S₁、第一同步整流MOS管S₂、第二MOS开关管S₄和第二同步整流MOS管S₃、桥接电感L₂和储能电容C₂组成升降压直流变换电路。主控制电路24根据自动识别到的待充电电子设备端信息，相应输出需求的充电电压和充电电流。第一MOS开关管S₁、第一同步整流MOS管S₂、第二MOS开关管S₄和第二同步整流MOS管S₃的高频驱动信号由主控制电路24提供。

本发明通过一个同步整流Buck-Boost电路可以同时实现点烟和充电功能，由于电路的复用程度高，因而产品的制造成本得以大幅降低。

Claims (8)

1.汽车电子点烟器，包括点烟头，其特征在于，所述的点烟头设有金属块；该汽车电子点烟器还包括点烟充电复用电路，所述点烟充电复用电路包括：

LC谐振电路，该LC谐振电路包括谐振电容和感应加热线圈；

同步整流Buck-Boost电路，该同步整流Buck-Boost电路包括第一桥臂、第二桥臂、桥接电感和储能电容，所述第一桥臂与外接直流电源的正极连接，该第一桥臂包括由上至下依次串联的第一MOS开关管和第一同步整流MOS管，该第二桥臂包括由上至下依次串联的第二同步整流MOS管和第二MOS开关管；第一MOS开关管和第一同步整流MOS管的共接点分别与所述桥接电感的一端和所述LC谐振电路的一端连接，第二同步整流MOS管和第二MOS开关管的共接点与桥接电感的另一端连接，LC谐振电路的另一端与所述外接直流电源的负极连接，所述储能电容的一端与第二同步整流MOS管连接，储能电容的另一端与所述外接直流电源的负极连接；

USB接口，该USB接口与所述同步整流Buck-Boost电路的输出端连接；

第一开关电路，用于导通或断开所述LC谐振电路与所述第一桥臂或所述外接直流电源的负极的连接；

第二开关电路，用于导通或断开所述USB接口与所述同步整流Buck-Boost电路之间的连接；

输出电流采样电路，用于对所述同步整流Buck-Boost电路的输出电流进行采样；

主控制电路，该主控制电路的控制输出端分别与第一MOS开关管、第一同步整流MOS管、第二MOS开关管和第二同步整流MOS管的栅极、以及第一开关电路和第二开关电路的控制输入端连接，该主控制电路的第一输入端与输出电流采样电路的输出端连接，该主控制电路的通信端与所述USB接口连接；该主控制电路用于选择性地使所述第一开关电路和所述第二开关电路中的一者导通，并且在第一开关电路导通时，使所述LC谐振电路的感应加热线圈产生交变磁场，以在点烟头的金属块中产生涡流并使金属块加热，在第二开关电路导通时能够识别与该USB接口相连的待充电设备的充电模式，并控制所述同步整流Buck-Boost电路输出与该识别出的充电模式相对应的充电电压和充电电流。

2.根据权利要求1所述的汽车电子点烟器，其特征在于，所述输出电流采样电路包括第一电流采样电阻，该第一电流采样电阻串联在所述同步整流Buck-Boost电路的输出端与所述USB接口之间；

所述主控制电路的第一输入端分别与该第一电流采样电阻的两端连接。

3.根据权利要求1所述的汽车电子点烟器，其特征在于，所述点烟充电复用电路包括限流电流采样电路；所述限流电流采样电路包括第二电流采样电阻，该第二电流采样电阻的一端分别与所述第一同步整流MOS管的源极、所述第二MOS开关管的源极以及所述主控制电路的第二输入端连接，该第二电流采样电阻的另一端与所述外接直流电源的负极连接；

   该主控制电路用于在第一开关电路导通时，将流过所述第二电流采样电阻的电流与预设的第一限流阈值进行比较，如果大于等于该第一限流阈值，则将所述的第一MOS开关管和第一同步整流MOS管关闭；在第二开关电路导通时将流过所述第二电流采样电阻的电流与预设的第二限流阈值进行比较，如果大于等于该第二限流阈值，则将所述的第一MOS开关管、第一同步整流MOS管、第二MOS开关管和第二同步整流MOS管全部关闭。

4.    根据权利要求1所述的汽车电子点烟器，其特征在于，所述LC谐振电路为LC串联谐振电路。

5.根据权利要求1所述的汽车电子点烟器，其特征在于，所述点烟充电复用电路还包括输入滤波电路，该输入滤波电路的输入端与所述外接直流电源的正极连接，该输入滤波电路的输出端与所述第一桥臂连接。

6.根据权利要求1所述的汽车电子点烟器，其特征在于，所述点烟充电复用电路还包括输出滤波电路，该输出滤波电路的输入端与所述同步整流Buck-Boost电路的输出端连接，该输出滤波电路的输出端与所述USB接口连接。

7. 根据权利要求1至6中任何一项所述的汽车电子点烟器，其特征在于，所述主控制电路包括单片机和USB智能充电控制模块；

所述单片机的控制输出端分别与第一MOS开关管、第一同步整流MOS管、第二MOS开关管和第二同步整流MOS管的栅极、以及第一开关电路和第二开关电路的控制输入端连接，该单片机的第一输入端与输出电流采样电路的输出端连接；

该USB智能充电控制模块的第一通信端与所述USB接口连接，该USB智能充电控制模块的第二通信端与所述单片机的通信端连接，该USB智能充电控制模块用于在第二开关电路导通时识别待充电设备的充电模式，并将识别结果通知所述单片机，该单片机根据该识别结果控制所述同步整流Buck-Boost电路输出与该识别出的充电模式相对应的充电电压和充电电流。

8.根据权利要求7所述的汽车电子点烟器，其特征在于，所述USB智能充电控制模块包括检测单元和识别单元；其中：

所述检测单元用于在第二开关电路导通时检测所述USB接口是否连接了所述待充电设备，若检测出USB接口连接了所述待充电设备，则向所述单片机发送初始供电信号；所述单片机在收到该初始供电信号时，控制所述同步整流Buck-Boost电路向所述USB接口输出5V电压，同时向所述识别单元发送充电识别启动信号；

识别单元，用于在接收到所述单片机发送的充电识别启动信号时识别待充电设备的充电模式，并将识别结果通知所述单片机。