CN105212272A - 一种恒压输出电子烟及电子烟芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电子烟及电子烟控制芯片，其特征在于，保证在整个电池电压3.5～4.2范围内输出端的电压保持一致，最大限度地均衡全电压范围的吸烟效果的一致性，其内部主要包括吸烟检测模块，控制模块，Switch驱动电路，LED驱动电路，其中控制模块主要包括系统状态判断模块，Switch控制电路以及LED控制电路；Switch控制电路包括电池电压检测模块和模拟电路模块。

Description

一种恒压输出电子烟及电子烟芯片

技术领域

本发明涉及一种恒压输出电子烟及电子烟控制芯片。

背景技术

现阶段电子烟均采用如图1的结构，包括气流传感器、控制芯片、内置电池、烟油及加热丝组件和指示灯五部分组成，具体连接关系如图2所示，气流传感器与控制芯片的采样端SENS以及VSS端相连，内置电池正端与控制芯片的VDD端相连，负端与控制芯片的VSS端相连；烟油及加热丝组件与控制芯片的输出端OUT以及VSS端相连；指示灯分别与控制芯片的LED端以及VSS端相连。其中气流传感器主要将用户的吸烟动作转化为控制芯片所能识别的电学特性的变化，方便控制芯片进行采样；控制芯片主要通过采样气流传感器的输出信号，判断系统现阶段是处于待机或者吸烟状态，并根据不同的状态判断结果，控制加热丝以及指示灯做出相应的动作，满足用户在吸烟过程中的视觉及味觉等感官要求；内置电池是电子烟内部所有部件的能量来源，也是决定电子烟使用寿命的主要部件，烟油和加热丝组件主要是保证在吸烟过程中，当电热丝温度上升时烟油得到充分雾化，满足用户的吸烟体验；指示灯主要用来仿真吸烟过程中的火光显示效果，力求达到逼真效果。

控制芯片内部框图如图3所示，包括吸烟检测模块、控制模块、Switch驱动电路、LED驱动电路及开关器件。吸烟检测模块用于检测气流传感器的输出，并判断系统处于何种状态；控制模块根据系统的状态分别向LED驱动电路和Switch驱动电路输出合适的控制信号；LED驱动电路用于将LED的控制信号转化为指示灯的驱动信号；Switch驱动电路用于将Switch控制信号转化为实际的开关驱动信号。

传统的电子烟控制芯片通过检测气流传感器的输出，判断系统所处的状态(吸烟或者待机)，进而控制开关器件的导通与截止来控制电热丝中是否有电流，如图4。其中开关器件的控制端Con与电热丝的驱动模块相连，正端接电池正极V+，负端接电热丝，电热丝与开关器件的负端以及电池负端V-相连。

在传统的控制机制下，每个吸烟周期内的电热丝的功率均为Vdd²/R，其中，Vdd为电池电压，R为电热丝的平均电阻(这里由于开关导通电阻较小，我们进行了忽略)。该输出功率与电源电压的关系密切。

但是，与实际香烟不同，电子烟的能源完全来自于内部电池，随着电子烟使用时间的增加，电池的电量逐渐降低，表现为电池电压的降低。原有的电子烟芯片通过一个开关管控制加热丝的电流通路，当检测到吸烟状态时，控制器将开关管打开，加热丝有近似Vdd/R(未考虑开关导通电阻)的电流，随着电池电压的降低，该加热电流也成比例的降低，这就产生用户在使用过程中加热丝的加热效率会降低，表现在用户的吸烟感受随着电子烟的使用会变差。

基于以上问题，市场上出现了在芯片内部设计一种电压检测电路，在不同电压段内通过数字电路产生不同的占空比，该方式有效降低了整个电池电压范围内输出电压平均值的偏差。

为了降低输出电压与电池电压的相关性，目前主要采用如图5所示，在Switch控制电路内部增加电池电压检测以及PWM控制模块，通过模数转换电路将电池电压变化转变为数字信号，并通过其控制一定电池电压条件下的开关管的占空比。

但是上述方式由于采用数字电路，通过检测电池电压的模数转换方式决定数字电路产生何种占空比，无法实现电池电压连续变换输出，电压稳定保持的特性，只能实现分段的占空比调节，在整个电池电压范围内(尤其是在两个占空比的临界电压点，会产生输出电压较大幅度的跳变)，而且考虑电路的规模，模数转换的精度不可能做的很高，图6和图7为采用数字电路分段选择的方式对占空比进行调节的原理以及输出电压示意图。

其中图6表示电路内部设定3个占空比选择区间，分别为D2、D1和D0(D2>D1>D0)。图7表示该控制方式在整个电池电压范围的输出电压变化示意图，从图中可以明显看出，在整个电池电压范围内，输出电压与电池电压的相关程度有变小的趋势，但是如之前所述，该方式仅能实现分段的占空比调节，在两个占空比切换点处，会产生输出电压的大幅度跳变，而要消除或者降低这种问题只能增加分段个数。

发明内容

基于以上问题，本发明提出了一种检测电池电压自动调节占空比的实现方式，既满足了电池电压变化，保持输出电压稳定的作用，同时又避免了数字实现方式需要引入较高精度的模数转换电路的需求。

为达到以上目的，本发明的一种恒压输出电子烟及电子烟芯片采用如下技术方案：

附图说明

图1为现有电子烟的结构示意图；

图2为现有电子烟的电路连接图；

图3为现有电子烟控制芯片内部框图；

图4为现有电子烟控制芯片通过检测气流传感器的输出,判断系统所处的状态示意图；

图5为现有电子烟控制模块内部框图；

图6为采用数字电路分段选择的方式对占空比进行调节的原理示意图；

图7为该控制方式在整个电池电压范围的输出电压变化示意图；

图8为通过三角波实现周期方波示意图。

图9为实现输出电压恒定的模拟电路连接图。

图10为两种不同控制方式输出电压的模拟结果示意图。

具体实施方式

本发明绕过了数字电路实现占空比调节的分段性，利用模拟电路可以产生连续的占空比调节的特点，使得电子烟的输出特性进一步优化。

设计一个输出电压Vref不随电池电压变化的内部参考电压产生电路(对于模拟电路是比较容易实现的)，并通过内部电路实现一个与电池电压成正比例变化的电压，即K*Vbat(其中K为比例系数)。通过后期的调整，Vref的精度至少可以达到±1％。

通过内部比较器以及充放电电路可以实现图8的三角波，利用图8中的三角波很容易实现占空比D＝Ton/(Ton+Toff)的周期方波，等效为：

D＝Vref/(K*Vbat)

由于输出等效电压为：

Vout＝D*Vbat

即

Vout＝Vref/(K*Vbat)*Vbat＝Vref/K

与电池电压无关，实现了输出电压的恒定，上述方式占空比随着Vbat的变化呈现出连续的变化，按照此种方式进行输出电压几乎不随输出电压的变化，图9为该电路的连接示意图，如图中所示，包括：

1.Vref模块：产生与电源电压不相关的参考电压Vref。

2.Sens模块：采样电池电压Vbat，并按照一定比例系数K输出一电压Vout＝K*Vbat。

3.Isource模块：产生与电源电压不相关的恒流源电流。

4.Comp1和Comp2模块：比较输入正负端的电压值，并输出逻辑电平，当正端电压大于负端电压输出为高电平。

5.Cap电容：将Isource的输出电流转化为有一定斜率的电压波形。

6.Switch开关：检测Logic电路的信号，决定是否对Cap电容进行放电。

7.Logic模块：将Comp1以及Comp2的输出信号通过内部的组合逻辑，转化为等效的具有一定占空比的方波信号，其连接关系如图9所示，Vref的输出端与Comp1的负端连接；Sens的输出端与Comp2的负端连接；Isource的正端与Vbat连接，负端与Comp1的正端，Comp2的正端，以及电容Cap和Switch的正端相连接，Cap的负端以及Switch的负端与GND相连接，Comp1以及Comp2的输出端与Logic的输入端I1和I2连接，Logic的FB端与Switch的控制端连接。

具体工作过程为：

电路启动后，Vref输出恒定的参考电压Vref，同时Sens模块采样电池电压Vbat并按照固定比例输出电压K*Vbat，恒流源Isource对电容Cap进行充电，随着Vcap的升高，Comp1以及Comp2的输出信号送入Logic的输入端I1以及I2，Logic根据输入信号输出FB信号，对Cap电容进行放电，使得Vcap为周期性的锯齿波，同时输出PWM信号，该信号即为我们需要的占空比随着Vbat实时变化的方波。

图10为两种不同控制方式的输出电压的模拟结果图，从图10也可以看出，之前的数字电路的实现方式虽然降低了输出电压与电池电压的相关程度，但是仍有较大的偏差，且具有明显的分段特性，而采用模拟调节的控制方式输出电压在整个电池电压区间内仅有较小的误差。

Claims (7)

1.一种恒压输出电子烟及电子烟芯片，包括系统状态判断模块、Switch控制电路模块和LED控制电路模块，所述系统状态判断模块分别与Switch控制电路模块和LED控制电路模块相连，所述Switch控制电路模块包括电池电压检测模块和模拟电路模块，所述电池电压检测模块和模拟电路相连。其特征在于，所述模拟电路实时检测电池电压，通过电池电压确定输出占空比，使输出电压保持恒定。

2.根据权利要求1所述的一种恒压输出电子烟及电子烟芯片，其特征在于，所述模拟电路模块包括Vref模块，Sens模块，Isource模块，Comp1和Comp2模块，Cap电容及Logic模块。

3.根据权利要求2所述的一种恒压输出电子烟及电子烟芯片，其特征在于，所述Vref模块的输出端与Comp1的负端连接；所述Sens模块的输出端与Comp2的负端连接，所述Isource模块的正端与Vbat连接，负端与Comp1的正端、Comp2的正端,及Cap电容和Switch的正端相连接，所述Cap电容的负端以及Switch的负端与GND相连接，所述Comp1和Comp2模块的输出端与Logic的输入端连接,所述Logic模块的FB端与Switch的控制端连接。

4.根据权利要求3所述的一种恒压输出电子烟及电子烟芯片，其特征在于，所述模拟电路通过内部比较器及充放电电路实现占空比D＝Ton/(Ton+Toff)的周期方波，其中：

D＝Vref/(K*Vbat)，Vref为不随电池电压变化的内部参考电压，K为比例系数；

Vout＝D*Vbat＝Vref/(K*Vbat)*Vbat＝Vref/K，Vout为输出电压。

即输出电压与电池电压无关，实现了输出电压的恒定。

5.根据权利要求1所述的一种恒压输出电子烟及电子烟芯片，其特征在于，所述Switch驱动电路启动后，Vref模块输出恒定参考电压Vref，同时Sens模块采样电池电压Vbat并按照固定比例输出电压K^*Vbat，恒流源Isource对电容Cap进行充电，随着Vcap的升高，Comp1以及Comp2的输出信号送入Logic的输入端I1以及I2，Logic根据输入信号输出FB信号，对Cap电容进行放电，使得Vcap为周期性的锯齿波，同时输出PWM信号。

6.根据权利要求5所述的一种恒压输出电子烟及电子烟芯片，其特征在于，所述PWM信号为占空比随着Vbat实时变化的方波。

7.根据权利要求1所述的一种恒压输出电子烟及电子烟芯片，其特征在于，在整个电池电压范围3.5～4.2V内输出端的电压保持一致。