CN106468933A - 电子烟的电源转换器、功率控制电路与功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子烟的电源转换器、功率控制电路与功率控制方法。电源转换器包括第一至第三端子、电源输出级、发热丝开关以及控制电路。第二端子做为电源输出端。第三端子耦接发热丝。电源输出级包括第一开关。控制电路控制第一开关与发热丝开关的运作。当发热丝开关导通时，电源输出级运作；当发热丝开关断开时，电源输出级停止运作，据以控制烟量的多寡。本发明的电子烟无需在反馈电路的路径配置微控制器，构造简单。另一方面，相对于现有电子烟技术，本发明除了可减少开关的数量，还可节省整体的电路面积。
Description
技术领域
本发明是有关于一种电子烟的技术，且特别是有关于一种电子烟的电源转换器、功率控制电路与功率控制方法。
背景技术
图1为现有的电子烟的电路图。请参阅图1。电子烟100包含集成电路110、微控制器MCU、电感器L与发热丝120。集成电路110具有接脚LC1、LC2、VIN、EN、PGND、VOUT与FB。微控制器MCU耦接在接脚VOUT与接脚FB之间。发热丝120耦接在接脚VOUT与接地端GND之间。在电子烟100中，从接脚VOUT流出的负载电流为固定。微控制器MCU用于控制集成电路110的反馈信号，以控制位于接脚VOUT的输出电压，进而控制电子烟的功率。由于微控制器MCU的责任是必须控制输出电压，通常电子烟100还需要配置其他的感测电路(未图示)以辅助微控制器MCU来产生脉宽调制控制信号130。
图2为另一种现有的电子烟的电路图。请参阅图2。电子烟200包含脉宽调制控制电路210、开关211～214、发热丝220、电容器222、比较器224～225以及微控制器MCU。电子烟200采用降压-升压(buck-boost)架构。微控制器MCU控制从输出电压VOUT1至脉宽调制控制电路210的反馈路径，其中反馈电路包含比较器224～225。电子烟200使用微控制器MCU输出信号经由比较器224与225而传送给脉宽调制控制电路210来调整输出电压VOUT1。
现有的电子烟100与200都使用了微控制器MCU，且每一者输出的负载电流为固定，且皆利用控制输出电压来控制功率。在使用微控制器MCU时，通常还需要其他复杂电路来进行检测，因此微控制器MCU与复杂电路的面积相对于整体电路的面积比例上很大。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电子烟的电源转换器、功率控制电路与功率控制方法，藉以解决背景技术所述及的问题。
本发明提供一种电子烟的电源转换器。电源转换器耦接发热丝。电源转换器包括第一至第三端子、电源输出级、发热丝开关以及控制电路。第一端子耦接电源。第二端子做为电源输出端。第三端子耦接发热丝。电源输出级包括第一开关，且电源输出级耦接在第一端子与第二端子之间。发热丝开关耦接在第二端子与第三端子之间。控制电路耦接电源输出级与发热丝开关，以控制第一开关与发热丝开关的运作。当发热丝开关导通时，电源输出级运作；当发热丝开关断开时，电源输出级停止运作。
在本发明的一实施例中，控制电路包括控制信号产生电路以及脉宽调制控制电路。控制信号产生电路用以产生控制信号。脉宽调制控制电路耦接控制信号产生电路、电源输出级和发热丝开关，脉宽调制控制电路接收控制信号，以提供用于运作第一开关的第一信号以及用于运作发热丝开关的第二信号。
在本发明的一实施例中，电源转换器还包括致能控制电路。致能控制电路耦接控制信号产生电路与脉宽调制控制电路，用以判断是否收到致能信号。当电子烟进入吸烟模式时，致能信号被产生，且致能控制电路接收到致能信号后，致能控制电路使得控制信号产生电路与脉宽调制电路开始运作。
在本发明的一实施例中，控制信号产生电路包括参考电压产生电路、斜波产生器以及比较器。参考电压产生电路用以产生参考电压。斜波产生器用以产生斜波信号。比较器比较参考电压与斜波信号以产生控制信号。
在本发明的一实施例中，参考电压产生电路以电阻分压方式来产生参考电压。
在本发明的一实施例中，参考电压产生电路包括滤波器，脉宽调制信号经由滤波器转换成参考电压。
在本发明的一实施例中，通过调整参考电压的电平来调整第二信号的工作周期。
本发明更提供一种电子烟的功率控制方法，用以控制电子烟的电源输出级及发热丝开关。功率控制方法包括：在吸烟模式时产生致能信号；根据致能信号提供控制信号；根据控制信号产生第一信号及第二信号；根据第一信号控制电源输出级，以及根据第二信号控制发热丝开关，其中电源输出级与发热丝开关同步操作，且当控制信号为禁能时，第一信号及第二信号为禁能。
在本发明的一实施例中，所述提供控制信号的步骤包括：根据参考电压与斜波信号提供控制信号。
在本发明的一实施例中，所述提供控制信号的步骤包括：根据脉宽调制信号与斜波信号提供控制信号。
本发明更提供一种电子烟的功率控制电路，用以耦接发热丝。功率控制电路包括致能控制电路、控制电路、电源输出级以及发热丝开关。致能控制电路用以判断是否收到致能信号。控制电路耦接致能控制电路，用以产生控制信号。电源输出级包括第一开关。电源输出级耦接控制电路。发热丝开关耦接电源输出级、控制电路及发热丝。当收到致能信号时，控制电路开始运作。控制电路根据控制信号同步操作电源输出级及发热丝开关。
基于上述，本发明的电子烟的电源转换器、功率控制电路与功率控制方法采用电源输出级结合一个发热丝开关，通过改变控制信号的工作周期来控制发热丝开关的运作以调整发热丝上的电流大小，进而调整发热丝的输出功率。本发明的电子烟无需在反馈电路的路径配置微控制器，构造简单。另一方面，相对于现有电子烟技术，本发明除了可减少开关的数量，还可节省整体的电路面积。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，其示出了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
图1为现有的电子烟的电路图；
图2为另一种现有的电子烟的电路图；
图3是依照本发明一实施例的电子烟的电源转换器的电路图；
图4是依照本发明一实施例的参考电压与控制信号的波形示意图；
图5是依照本发明一实施例的各种信号的波形图；
图6是依照本发明一实施例的功率控制方法的流程图。
附图标记说明：
100：电子烟；
110：集成电路；
120、220：发热丝；
130：脉宽调制控制信号；
200：电子烟；
210：脉宽调制控制电路；
211～214：开关；
222：电容器；
224、225：比较器；
300：电子烟；
302、304：开关；
306：发热丝开关；
308：发热丝；
310、312：电阻；
316：电容器；
318、320：比较器；
330：脉宽调制控制电路；
340：电源输出级；
344：控制电路；
350：致能控制电路；
360：控制信号产生电路；
362：参考电压产生电路；
364：斜波产生器；
366：比较器；
368：滤波器；
380：电源转换器；
DY1、DY2：工作周期；
EN：接脚；
EN_CTL：致能信号；
FB：接脚；
GND：接地端；
ILX：信号；
ISG：电流；
L：电感器；
LC1、LC2：接脚；
MCU：微控制器；
PGND：接脚；
PWM_CTL：脉宽调制信号；
DC_CTL：参考电压；
P1：第一端子；
P2：第二端子；
P3：第三端子；
Ramp、Sramp：斜波信号；
S601～S604：步骤；
SG_CTL：控制信号；
SG、UG：信号；
VBAT：工作电压；
VIN：接脚；
VOUT：接脚；
VOUT1：输出电压；
VREF：参考信号。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，在图式及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
在下述诸实施例中，当元件被指为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可为直接连接或耦接至另一元件，或可能存在介于其间的元件。术语“电路”可表示为至少一元件或多个元件，或者主动地和/或被动地而耦接在一起的元件以提供合适功能。术语“信号”可表示为至少一电流、电压、负载、温度、数据或其他信号。应理解，贯穿本说明书以及附图所指的信号，其物理特性可以为电压或是电流。术语“同步”表示该信号的周期切换动作是彼此相关，而非限定于时间上的一致。术语“参考电压”表示一种直流信号或振幅低于0.05V的近似直流的信号。
应理解，尽管本文中可使用术语第一、第二等等以描述各种元件，但此等元件不应受到此等术语限制。此等术语仅用以区分一个元件与另一元件。举例而言，在不脱离本揭露内容的教示的情况下，第一开关可被称为第二开关，且类似地，第二开关可被称为第一开关。
请参阅图3。图3是依照本发明一实施例的电子烟的电源转换器的电路图。电子烟300的电源转换器380包括第一端子P1、第二端子P2、第三端子P3、电源输出级340、发热丝开关306以及控制电路344。第一端子P1耦接电源(例如工作电压VBAT)。第二端子P2做为电源输出端。第三端子P3耦接发热丝308。电源输出级340包括开关302、304，且电源输出级340耦接在第一端子P1与第二端子P2之间。发热丝开关306耦接在第二端子P2与第三端子P3之间。控制电路344耦接电源输出级340与发热丝开关306，以控制开关302、304与发热丝开关306的运作。当发热丝开关306导通时，电源输出级340运作；当发热丝开关306断开时，电源输出级340停止运作。
电源输出级340可以采用升压(boost)架构而配置为成对的开关例如为开关302与开关304，在此不加以限制电源输出级340的开关数量。电源转换器380用来控制电源供应以在电源输出端(第二端子P2)保持稳定的输出电压。
开关302的第一端经由电感器L耦接工作电压VBAT，其第二端耦接接地端GND。开关304的第一端耦接开关302的第一端，开关304的第二端耦接第二端子P2。电容器316耦接在第二端子P2与接地端GND之间。发热丝开关306与发热丝(heating wire)308串接且耦接在第二端子P2与接地端GND之间。
开关302与开关304可以分别为N型金氧半晶体管与P型金氧半晶体管。发热丝开关306可以为P型金氧半晶体管。
详细来说，控制电路344可以包括控制信号产生电路360以及脉宽调制(pulse width modulation；PWM)控制电路330。控制信号产生电路360的目的是根据使用者的需求来产生控制信号SG_CTL。脉宽调制控制电路330耦接控制信号产生电路360、电源输出级340和发热丝开关306，脉宽调制控制电路330接收控制信号SG_CTL，以提供用于运作开关302的信号LG、用于运作开关304的信号UG，以及用于运作发热丝开关306的信号SG。因此控制电路344可以同时地运作开关302、304与发热丝开关306。换言之，控制信号SG_CTL可用来调整流经第二端子P2至接地端GND之间的负载电流。例如，根据控制信号SG_CTL所产生的信号SG可被用来运作发热丝开关306，通过改变电流的方式来改变流经发热丝308的电流ISG。
电源转换器380可以进一步包括致能控制电路350。致能控制电路350用以判断是否收到致能信号EN_CTL。致能控制电路350耦接控制信号产生电路360与脉宽调制控制电路330，用以判断是否收到致能信号EN_CTL。当电子烟300进入吸烟模式(smoking mode)时，致能信号EN_CTL将被产生，且致能控制电路350接收到致能信号EN_CTL后，致能控制电路350使得信号产生电路360与脉宽调制控制电路330开始运作。
致能控制电路350可以通过逻辑元件来组成，例如使用及闸来判断是否收到致能信号EN_CTL。当致能控制电路350接收到致能信号EN_CTL后，致能控制电路350使得控制信号产生电路360与脉宽调制控制电路330开始运作。进一步来说，在控制信号产生电路360运作之后，脉宽调制控制电路330才运作。
控制信号产生电路360可以包括参考电压产生电路362、斜波产生器364以及比较器366。参考电压产生电路362用以产生参考电压DC_CTL。斜波产生器364用以产生斜波信号Sramp。比较器366比较参考电压DC_CTL与斜波信号Sramp以产生控制信号SG_CTL。此处，斜波信号Sramp也可称为三角波信号或锯齿波信号。
控制信号产生电路360的目的是根据使用者的需求来产生控制信号SG_CTL。控制信号SG_CTL可以是由使用者在操作电子烟300时所产生的对应信号。例如，根据使用者期望的烟量比较大或是比较小来调整控制信号SG_CTL。
下文介绍参考电压DC_CTL的两种产生方式。
第一种产生方式：参考电压产生电路362以电阻分压方式(未图示)来产生直流的参考电压DC_CTL。
第二种产生方式：参考电压产生电路362可以包含滤波器368。脉宽调制信号PWM_CTL为方波形式的脉波。脉宽调制信号PWM_CTL可以经由滤波器368转换成直流的参考电压DC_CTL。
图4是依照本发明一实施例的参考电压与控制信号的波形示意图。请参阅图3和图4。在一实施例中，参考电压DC_CTL可以为介于0.25V至1.15V之间的一个可调整的直流信号。斜波信号Sramp的最小波峰为0.25V，而其最大波峰为1.15V。当参考电压DC_CTL的电压电平被调高时，对应的控制信号SG_CTL将由工作周期(duty cycle)DY1变成工作周期DY2，其中工作周期DY2大于工作周期DY1。如此一来，控制信号SG_CTL的工作周期变大，可促使发热丝308所通过的电流时间增加。
此外，电源转换器380进一步包含反馈电路。反馈电路可以包含电阻310、电阻312、比较器318与比较器320。反馈电路耦接脉宽调制控制电路330。输出端VOTLL的信息(电压信息或电流信息)可经由电阻310与电阻312、比较器318与比较器320反馈给脉宽调制控制电路330。其中，比较器318比较信息与参考信号REF；比较器320在比较比较器318的输出信号与斜波信号Ramp之后，将所产生的比较信号传送至PWM控制电路330。此处，斜波信号Ramp亦可称为三角波信号或锯齿波信号。
此外，当使用者设定电子烟在固定电压模式时，可以不用使用到分压电阻(电阻310与电阻312)的路径，而将第二端子P2的电压固定在某一个电压电平。
此外，在图3的电子烟300中可以将致能控制电路350配置在控制电路344的外部，亦即致能控制电路350独立于控制电路344。此时，功率控制电路可以包括致能控制电路350、控制电路344、电源输出级340以及发热丝开关306。控制电路344耦接致能控制电路350。电源输出级340耦接控制电路344。发热丝开关306耦接电源输出级340、控制电路344及发热丝308。致能控制电路350用以判断是否收到致能信号EN_CTL。控制电路344用以产生控制信号SG_CTL。电源输出级340包括开关302、304。当收到致能信号EN_CTL时，控制电路344开始运作。控制电路344根据控制信号SG_CTL同步操作电源输出级340及发热丝开关306。
图5是依照本发明一实施例的各种信号的波形图。请参阅图3和图5。信号ILX用来表示电感电流。当电源输出级340以信号LG与UG运作开关302与开关304时，电源输出级340可以使升压电路具有充电与放电的效果，其中所述升压电路是指包含电源输出级340、电感器L与电容器316的电路。升压电路遵守能量守恒原理，其利用电感储能元件而将输出电压稳定在某一个电压电位。当控制信号SG_CTL为逻辑高电平时，开关302导通且开关304断开，将能量存储在电感器L上。当控制信号SG_CTL反相运作时，开关302断开且开关304导通，将电感器L的存储能量传送至第二端子P2。
从图5的波形图可以看出信号SG、UG与LG受到同一个控制信号SG_CTL的控制而有连动的关系。在控制信号SG_CTL转换成信号SG时，控制信号SG_CTL会经过逻辑运算，以产生用来控制发热丝开关306的信号SG。当信号SG控制发热丝开关306的栅极端的同时，电源输出级340的开关302、开关304开始动作。亦即，发热丝开关306未导通时，电源输出级340的开关不动作。
此外，控制信号SG_CTRL与信号SG在时间上可略有延迟。在信号SG开始致能栅极端的初期可以进行初始的电路保护措施。例如，为了避免大电流烧毁整个电路，发热丝开关306先导通测试电流300毫安，感测发热丝308与发热丝开关306之间的第三端子P3的电压电位的变化。当此电压电位为零时表示发热丝308短路，而当此电压电位不为零时，才让发热丝开关306正常运作，以相应的设定电流来流过发热丝308。
值得一提的是，开关302(或开关304)与发热丝开关306的运作皆是受到同一个控制信号SG_CTL的控制。
基于上述实施例所揭示的内容，可以汇整出一种通用的电子烟的功率控制方法。更清楚来说，图6是依照本发明一实施例的功率控制方法的流程图。请合并参阅图3和图6，本实施例的功率控制方法用于电子烟300，用以控制电子烟300的电源输出级340及发热丝开关306。功率控制方法可以包括以下步骤。
如步骤S601所示，在吸烟模式时产生致能信号EN_CTL。
如步骤S602所示，根据致能信号EN_CTL提供控制信号SG_CTL。接着如步骤S603所示，根据控制信号SG_CTL产生第一信号(信号UG、LG)及第二信号(信号SG)。
接着如步骤S604所示，根据第一信号控制电源输出级340，根据第二信号控制发热丝开关306，其中电源输出级340与发热丝开关306同步操作，且当控制信号SG_CTL为禁能时，第一信号及第二信号为禁能。
另外，所述提供控制信号SG_CTL的步骤S602可以包括：根据参考电压DC_CTL与斜波信号Sramp提供控制信号SG_CTL。
另外，所述提供控制信号SG_CTL的步骤S602可以包括：根据脉宽调制信号PWM_CTL与斜波信号Sramp提供控制信号SG_CTL。
综上所述，电子烟的电源转换器、功率控制电路与功率控制方法采用电源输出级结合一个发热丝开关，通过改变控制信号的工作周期来控制发热丝开关的运作以调整发热丝上的电流大小，进而调整发热丝的输出功率。本发明的电子烟无需在反馈电路的路径配置微控制器，构造简单。另一方面，相对于现有电子烟技术，本发明除了可减少开关的数量，还可节省整体的电路面积。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (15)
1.一种电子烟的电源转换器，耦接一发热丝，其特征在于，所述电源转换器包括：
一第一端子，耦接一电源；
一第二端子，做为一电源输出端；
一第三端子，耦接所述发热丝；
一电源输出级，包括一第一开关，且所述电源输出级耦接在所述第一端子与所述第二端子之间；
一发热丝开关，耦接在所述第二端子与所述第三端子之间；以及
一控制电路，耦接所述电源输出级与所述发热丝开关，以控制所述第一开关与所述发热丝开关的运作；
其中当所述发热丝开关导通时，所述电源输出级运作；当所述发热丝开关断开时，所述电源输出级停止运作。
2.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述控制电路包括：
一控制信号产生电路，用以产生一控制信号；以及
一脉宽调制控制电路，耦接所述控制信号产生电路、所述电源输出级和所述发热丝开关，所述脉宽调制控制电路接收所述控制信号，以提供用于运作所述第一开关的一第一信号以及用于运作所述发热丝开关的一第二信号。
3.根据权利要求2所述的电源转换器，其特征在于，还包括：
一致能控制电路，耦接所述控制信号产生电路与所述脉宽调制控制电路，用以判断是否收到一致能信号；
其中当所述电子烟进入一吸烟模式时，所述致能信号被产生，且所述致能控制电路接收到所述致能信号后，所述致能控制电路使得所述控制信号产生电路与所述脉宽调制电路开始运作。
4.根据权利要求2所述的电源转换器，其特征在于，所述控制信号产生电路包括：
一参考电压产生电路，用以产生一参考电压；
一斜波产生器，用以产生一斜波信号；以及
一比较器，比较所述参考电压与所述斜波信号以产生所述控制信号。
5.根据权利要求4所述的电源转换器，其特征在于，所述参考电压产生电路以电阻分压方式来产生所述参考电压。
6.根据权利要求4所述的电源转换器，其特征在于，所述参考电压产生电路包括一滤波器，一脉宽调制信号经由所述滤波器转换成所述参考电压。
7.根据权利要求4所述的电源转换器，其特征在于，通过调整所述参考电压的电平来调整所述第二信号的工作周期。
8.一种电子烟的功率控制方法，用以控制所述电子烟的一电源输出级及一发热丝开关，其特征在于，所述功率控制方法包括：
在一吸烟模式时，产生一致能信号；
根据所述致能信号，提供一控制信号；
根据所述控制信号，产生一第一信号及一第二信号；
根据所述第一信号，控制所述电源输出级；以及
根据所述第二信号，控制所述发热丝开关；其中
所述电源输出级与所述发热丝开关同步操作，且当所述控制信号为禁能时，所述第一信号及所述第二信号为禁能。
9.根据权利要求8所述的功率控制方法，其特征在于，所述提供一控制信号的步骤包括：
根据一参考电压与一斜波信号提供所述控制信号。
10.根据权利要求8所述的功率控制方法，其特征在于，所述提供一控制信号的步骤包括：
根据一脉宽调制信号与一斜波信号提供所述控制信号。
11.一种电子烟的功率控制电路，用以耦接一发热丝，其特征在于，所述功率控制电路包括：
一致能控制电路，用以判断是否收到一致能信号；
一控制电路，耦接所述致能控制电路，用以产生一控制信号；
一电源输出级，包括一第一开关，耦接所述控制电路；以及
一发热丝开关，耦接所述电源输出级、所述控制电路及所述发热丝；其中
当收到所述致能信号时，所述控制电路开始运作；以及
所述控制电路根据所述控制信号同步操作所述电源输出级及所述发热丝开关。
12.根据权利要求11所述的功率控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
一控制信号产生电路，用以产生一控制信号；以及
一脉宽调制控制电路，耦接所述控制信号产生电路、所述电源输出级和所述发热丝开关，所述脉宽调制控制电路接收所述控制信号，以提供用于运作所述第一开关的一第一信号以及用于运作所述发热丝开关的一第二信号。
13.根据权利要求12所述的功率控制电路，其特征在于，所述控制信号产生电路包括：
一参考电压产生电路，用以产生一参考电压；
一斜波产生器，用以产生一斜波信号；以及
一比较器，比较所述参考电压与所述斜波信号以产生所述控制信号。
14.根据权利要求13所述的功率控制电路，其特征在于，所述参考电压产生电路以电阻分压方式来产生所述参考电压。
15.根据权利要求13所述的功率控制电路，其特征在于，所述参考电压产生电路包括一滤波器，一脉宽调制信号经由所述滤波器转换成所述参考电压。
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