CN107105774B - 用于电子吸烟设备的动态输出电源管理 - Google Patents

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Abstract

公开了针对电子吸烟设备的加热电路(100)的动态输出电源管理单元，所述加热电路(100)具有经由第一开关元件(30)连接至电源(20)的加热元件(10)，该单元具有至少一个电压检测设备以对所述加热电路(100)的不同的点的电压值进行检测；以及控制器(2)被配置为推导所述加热元件(10)的电阻值，估计电源(20)的放电时间或功率消耗值以使得一段时间内转换的能量基本上等于针对相同的时间段的预定的能量转换值。

Description

用于电子吸烟设备的动态输出电源管理
技术领域
本发明涉及用于电子吸烟设备的输出电源管理单元(PMU)。
背景技术
电子吸烟设备，例如电子香烟等，通常具有用于汽化液体的加热元件以及用于为加热元件提供功率的供电电源。在一些情况下，加热元件可以是雾化器的一部分。为加热单元提供一致的能量供应会改善每次吸烟动作(puff)的一致性。每次吸烟动作所用的时间一般是相同的(例如2.5秒/每次)。向加热元件的一致的能量供应可通过在此时间区间内的供电电源的一致的功率输出实现。
典型地，供电电源是一次性的或可充电的电池，其工作电压在其使用寿命上逐渐降低。逐渐降低的电压可能会导致每次吸烟动作的不一致。此外，加热元件可以具有电阻，其会在操作过程中因受到诸如电子液体、加热元件的触点，以及操作温度等因素的影响而发生变化。
因此，需要一种动态输出电源管理单元，其能够响应电池容量的变化和/或加热元件的电阻值的变化而提供稳定的输出功率。
附图说明
图1是电子香烟或类似汽化设备的示意图。
图1A是表示包括动态输出电源管理单元的电子香烟的加热电路的示意图。
图1B是表示包括动态输出电源管理单元的电子香烟的加热电路的另一实施例的示意图。
图2是表示当加热元件具有固定的电阻值时供电电源的放电时间的示意图。
图3是表示当加热元件具有变化的电阻值时供电电源的放电时间的示意图。
图4是表示当加热元件具有变化的电阻值时另一供电电源的放电时间的示意图。
图5是图1A中的动态输出电源管理单元的框图。
图6是图1B中的动态输出电源管理单元的框图。
图7A是图5中的电源管理单元的控制方法的流程图。
图7B是根据本发明的另一实施例的图5中的电源管理单元实施的控制机制的流程图。
图8A是图6中描绘的的电源管理单元的替代性控制方法的流程图。
图8B是图6中描绘的的电源管理单元的替代性控制方法的流程图；以及
图9是描绘图1B中的动态输出电源管理单元的另一示例的框图。
具体实施例
用于电子香烟、雪茄以及烟斗等的动态输出电源管理单元在预定的时间区间内，例如一次吸烟动作的持续时间内，提供基本上恒定的汽化液体。这可以提高电子香烟对不同种类的加热元件的兼容性，和/或可以补偿电源的输出电压的逐渐降低。
针对传统的电子香烟，加热电路典型地包括通过开关元件连接至电源的加热元件，该开关元件在检测到吸烟动作时开启并且为每个吸烟动作保持开启状态一段恒定的时间。相反，针对本PMU而言，电源的放电时间被动态地调整以在相同的时间区间内获得更加一致的汽化作用。由此，用户可在每次吸烟动作中吸入更加恒定量的气溶胶。
为了对随放电时间而下降的电源输出电压进行补偿，可使用例如PWM(脉宽调制)技术的波形控制技术控制加热电路中的至少一个开关元件以控制加热电路的开启时间。可以使用波形发生器产生需要的控制波形。波形发生器可以是PWM控制器或微控制器中的PWM模块中的PWM波形发生器，例如MOSFET。高电平时间和低电平时间之比被确定并继而被PWM控制器用于控制加热电路的开/关切换。
在加热元件的电阻随工作温度的变化而变化的设计中，可通过将参考部件，例如参考电阻并入加热电路以控制加热电路的开启时间而对加热元件的瞬时电阻进行实时测量。
加热元件的电阻变化会使得汽化过程中产生的的气溶胶的量发生变化，这会导致产生的蒸汽的量和特征发生变化，例如尼古丁需要被控制在特定的范围内以避免对人的喉咙产生刺激或能够满足相关管理条例的要求。因此，动态输出电源管理技术的另一个优势在于其可与例如金属线圈、加热纤维等多种加热元件相兼容。尤其是针对由纤维制成的加热元件而言，例如对同一批中的所有碳纤维束而言，碳纤维束的精确电阻值并不能被切实地保持，这种动态输出管理技术被期望是由于其可以响应碳纤维束的电阻值范围，例如1.5欧姆，以在一个范围内调整输出功率。这将减轻碳纤维束的制造过程中的负担并由此降低碳纤维束的成本。
图1示出了与真实烟草香烟有大致相同尺寸和形状的电子香烟的示例，典型的烟草香烟为100mm，直径为7.5mm，尽管长度可在70mm至150mm或180mm的范围内，而直径可在5mm至20mm的范围内。电源或电池20位于电子香烟的外壳内，其可选择地被分为第一外壳8和第二外壳9。外壳内提供有一个或多个进口4，并在电子香烟的后端提供有出口14。包括PMU的电子控制器2电性连接于电池以及加热元件10，加热元件可以是细丝线圈。液体保持容器或空间15可包围自加热元件延伸至出口14的通道12。
参照图1A，加热电路100包括加热元件10、电源20，以及连接在加热元件10和电源20之间的开关元件30。加热线圈可被处理或在工作时保持实质干燥以使得其在工作温度范围内具有基本上恒定的电阻值。第一开关元件30可以是第一MOSFET开关，其可由第一控制波形在开状态和关状态之间配置。电源20可以是普通电池，例如镍氢充电电池、锂充电电池，或锂锰一次性电池，或锌锰一次性电池。第一控制波形可以由波形控制器产生，其被包括于电源管理单元200中或由专用电路实现或由处理器或控制器实现功能。
图5示出了可替换的实施例，其中PMU 200具有至少一个用于检测电源20的输出电压的电压检测器201。放电时间估计设备202用于根据检测到的输出电压以及存储设备203中存储的加热元件的电阻值估计电源在吸烟动作期间的放电时间。波形图案推导设备204根据估计到的放电时间以及存储器中保存的预定的功率消耗P以及吸烟动作持续时间tp确定第一控制波形的高电平时间和低电平时间之比。波形发生器205根据确定的图案产生第一控制波形。
如图7A所示，在步骤S101，通过在每次吸烟动作的开始检测电源的工作电压以推导加热元件应该被供电的时间。预定的功率消耗P以及每个吸烟动作的持续时间tp是已知参数并可被预先存储于存储设备203，例如微控制器的寄存器中。
一次吸烟动作的加热元件能量消耗是使用公式1基于加热元件的电阻估计的，该能量消耗继而在步骤102中用于推导向加热元件提供期望的能量所需的时间：
公式1：PXtp/th-p＝V2/Rh或th-p/tp＝PXRh/V2；
其中，P是加热元件针对一次吸烟动作的预定能量消耗；th-p是加热元件应该被供电的时间；tp是一次吸烟动作通常持续的时间；V是电源的工作电压；而Rh是加热元件的电阻值。
借助估计的加热元件应被供电的时间，在步骤S103中可推导出波形图案。
例如，推导出的th-p可以等于或大于每次吸烟动作的持续时间tp。在这种情况下，可将第一MOSFET开关30在整个吸烟动作时间段内保持在闭合状态。施加于加热元件10的电源20的输出在此吸烟动作期间之内则表现为DC输出。
在其他的实施例中，推导出的th-p可比每个吸气动作的持续时间tp小。在这种情况下，根据不同的高电平时间和低电平时间之比的不同的控制波形来配置第一MOSFET开关30，以反映th-p和tp之比。
波形设备，例如波形发生器205继而在步骤S104被用来根据推导出的波形图案产生第一控制波形。
在进一步的实施例中，如图7B所示，吸烟动作可被划分为多个周期区间，例如N个周期区间，每个周期tc将持续时间tc＝tp/N，步骤S201。每个周期区间电源工作电压可能略有不同，而针对每个周期区间的电源的放电时间可根据检测到的在每个周期区间开始时的工作电压推导出来，步骤S202。与上面所述的相似的算法可被用于每个周期以确定加热元件在时间段tc内所应当被供电的时间。加热元件应当在每个周期内被供电的时间t’h-p可在步骤S203中通过公式2推导出来：
公式2：t'h-c/tc＝PXRh/V2；
其中，P是每个周期区间中加热元件的预定的能量消耗；并且一个周期区间中的预定的能量消耗可以是每个周期中的预定的能量消耗的除以周期区间的数量。
类似地，用估计出的加热元件应当被供电的时间，可在步骤S204中推导出波形图案。
推导出的t’h-p可以等于或大于周期区间的持续时间tc。因此第一MOSFET开关30可在整个周期区间内保持在闭合状态。施加于加热元件10的电源20的输出在此周期区间之内则表现为DC输出的形式。
在其他的实施例中，推导出的t’h-p可比每个吸气动作的持续时间tc小。根据不同高电平时间和低电平时间之比的不同的控制波形来配置第一MOSFET开关30，以反映t’h-p和tc之比。
可继而在步骤S205中使用波形设备，例如波形发生器205，根据推导出的波形图案产生第一控制波形。重复该处理直至吸烟动作内的所有周期区间的波形都被产生。除使用MOSFET作为开关元件外，双极型晶体管以及二极管也可被用作开关元件来开启或切断加热电路。
第一控制波形可以是PWM(脉宽调制)波形，而波形发生器可以是PWM波形发生器。PWM波形发生器可以是微控制器的一部分或PWM控制器的一部分。
图1B中的设计包括图1A中的元件并进一步包括参考元件40，例如一个参考电阻或串联或并联的一组参考电阻，并具有基本上恒定的电阻值。参考元件40与加热元件10串联并通过第二开关元件50，例如第二MOSFET开关与加热电路断开，该第二MOSFET开关可由第二控制波形在开启状态和关闭状态间配置。参考电阻40具有已知的电阻值Rf，其在电子香烟的整个工作温度下和工作时间内是一致的。
图6示出了图1B中的电源管理单元200的框图。该单元200具有至少一个电压检测器201用于检测电源20的输出电压及/或参考电阻上的电压降，以及/或加热元件上的电压降。加热元件电阻值计算单元206基于检测到的电源的输出电压及/或参考电阻上的电压降及/或加热元件上的电压降，以及存储于存储设备203中的参考电阻的阻值来计算加热元件的瞬时电阻值或平均值。放电时间估计设备202根据检测到的输出电压以及计算出的加热元件的电阻值来估计电源在吸烟动作持续时间内的放电时间。波形图案推导设备204根据估计出的放电时间以及存储于存储器203内的预定的功率消耗P以及吸烟动作通常持续的时间tp来确定第一控制波形的高电平和低电平之比。波形发生器205根据确定的图案产生第一控制波形。
为了检测电源的输出电压，以及/或参考电阻上的电压降，以及/或加热元件10上的电压降，第一MOSFET开关30被配置在断开状态而第二MOSFET开关50被配置在闭合状态。电源20、参考电阻40以及加热元件10连接成闭合电路。如图8A所描绘的，在步骤S301，执行对电源20的工作电压及/或加热元件10上的电压降的检测。继而可在步骤S302中使用公式3通过参照参考电阻40的电阻值以及测量到的电压来计算以推导瞬时电阻值。
公式3：Rh＝V2×Rf/(V1-V2)；
其中Rh是加热元件的瞬时电阻值；Rf是参考电阻的电阻值，V1是DC电源的工作电压；V2是加热元件上的电压降。
可替换地或附加地，在步骤S302中，参考电阻40上的电压降可被检测以用于推导加热元件10的瞬时电阻值。公式3可继而略作修改以包含参考电阻40的电压降来替代电源20的输出电压。
对加热元件的瞬时电阻值的测量和计算可被重复，可从重复计算的结果推导出一平均值，并可将该平均值用于进一步的处理。
在加热元件的瞬时电阻值或平均电阻值被计算出后。通过将第一MOSFET开关闭合并将第二MOSFET开关断开再次检测电源20的输出电压。针对一个吸烟动作的电源的放电时间继而在步骤S303通过使用公式1基于计算出的加热元件的电阻值以及新检测到的电源的输出电压被估计。在放电时间被估计出后，在步骤S304可确定波形图案，并在步骤S305可确定控制波形。
类似地，在此实施例中，如图8B所描绘的，一吸烟动作也可被划分为复数个周期区间，例如N个周期区间，每个周期tc持续的时间为tc＝tp/N，步骤S401。公式2可再次被用于推导每个周期加热元件应当被供电的时间。
在第一个区间的开始，第一MOSFET开关30处于断开状态，第二MOSFET开关50处于闭合状态。参考电阻40的电压降以及电源的输出电压继而在步骤S402被检测。加热元件10的瞬时电阻值可通过公式3在步骤S403被推导出。
在加热元件的瞬时电阻值被推导出后，第一MOSFET开关20被配置在闭合状态并且第二MOSFET电阻50被配置在断开状态，继而参考电阻40自加热电路100断开。电源20的输出电压V继而被再次检测并且在步骤S404根据公式2推导电源20的放电时间，即在周期区间内第一MOSFET开关20需要被保持在闭合状态使得在加热元件处能够发生期望的能量转换的时间。
继而依据以上描述的相同过程推导针对每个周期区间的第一MOSFET开关30需要被保持在闭合状态的时间。在一些实施例中，加热元件的瞬时电阻值是在每个吸烟动作的开始时推导的并仅推导一次，该瞬时电阻值继而被用于推导在该吸烟动作持续时间内第一MOSFET开关30应该处于闭合状态的时间。在其他实施例中，加热元件10的瞬时电阻值是在每个周期区间的开始时推导的并且仅被用来推导该周期区间内第一MOSFET开关30应当被保持在闭合状态的时间。推导加热元件的瞬时电阻值在加热元件对工作温度十分敏感时可能是非常被期望的。
类似地，可推导参考电阻的平均电阻值并将其用于推导第一MOSFET开关需要被配置在闭合状态的时间。
在一些实施例中，推导出的t’h-p可以与每个周期区间的持续时间tc长度相等或更长。在此种情况下，第一MOSFET开关30将在整个周期区间内被保持在闭合状态，并且基于t’h-p与tc之比，第一MOSFET开关30还可在下一个周期区间的一段时间内或整个下一个周期区间内被保持在闭合状态。电源30在此周期区间或多个周期区间向加热元件10提供DC输出电流。
在其他实施例中，推导出的t’h-p可比每个周期区间的持续时间tc更小。这样，第一MOSFET开关30根据不同的控制波形，例如，具有不同高电平和低电平比的PWM波形被配置以反映t’h-p与tc比。
例如，在步骤S405，波形图案继而根据t’h-p与tc的比值而确定，并且继而在步骤S406根据经确定的波形图案产生第一和第二控制波形。通过在步骤S407重复前述所有步骤来产生所有的周期区间的控制波形。类似于第一控制波形，第二控制波形也可是PWM波形并且波形发生器可以是PWM波形发生器。波形发生器也可以是微处理器的一部分或是PWM控制器的一部分。
作为图1B中的实施例的替换或附加，参考电阻40可以与加热元件10并联配置。在这种配置中，加热元件10的瞬时电阻值可以参照加热电路的每条支路的电流推导出。在一些实施例中，参考电阻40两端的电压以及加热元件10的电压可以通过电压探头、电压测量电路或电压测量设备检测出来。
根据公式1至3的计算可通过处理器或控制器执行指令代码执行，或通过设计为执行前述的逻辑所专用的计算电路实现。可以使用具有PWM功能以及存储功能的微处理器。存储功能可以存储由微处理器执行时能够实施前述逻辑的指令代码。
在进一步的实施例中，除了推导放电时间来产生控制波形，可推导加热元件的估计的功率消耗来产生控制波形。
如图9所示，本示例中的电源管理单元包括ADC 201用于检测电源20的第一输出电压及/或参考电阻40上的电压降，及/或加热元件10上的电压降。加热元件电阻值计算单元206基于该检测到的第一输出电压及/或参考电阻上的电压降及/或加热元件上的电压降来计算加热元件的电阻的瞬时值或平均值。参考电阻40的电阻值存储于存储设备203中。功率消耗估计设备207基于检测到的第二输出电压以及计算出的加热元件的电阻值估计在一段给定的时间内的功率消耗，例如，在吸烟动作的持续时间或吸烟动作中的一个周期区间。波形图案推导设备204基于估计的功率消耗以及存储在存储器203中的预定的功率消耗P来确定第一控制波形的高电平时间和低电平时间之比。波形发生器205根据确定的图案来产生第一控制波形。
此例中的加热元件可以是基于碳纤维的加热元件。微控制器的ADC读取碳纤维加热元件的电压Vwick与阻值为Rstandard的参考电阻上电压降Vres的电压比。标准电阻的电阻值是已知的，碳纤维加热元件的电阻值可通过公式4推导出来：
公式4：
继而将参考电阻从加热电路和碳纤维加热元件断开。ADC继而读取碳纤维的闭合电路电压Vclose。碳纤维的功率继而可通过公式5计算出：
公式5：
Figure BDA0001332103460000101
估计出的功率Pcf可以是例如3.2w，其高于预定的值2.5w，继而可以通过确定控制波形的高电平时间和低电平时间来确定第一MOSFET开关30的开、关时间。
例如，在每个50ms长的周期内，高电平时间是，低电平时间是50ms-高电平时间＝11ms。
继而由波形发生器产生控制波形以配置第一MOSFET开关30的开/关时间。
在估计的PCF小于预定的值2.5W的情况下，第一MOSFET控制器的输出波形将是全部闭合，电源的输出将以DC提供。
图2至图4是使用功率管理单元的加热电路的测试结果的示意图。这些结果显示出即便是在加热元件的电阻值在其工作周期内发生变化时及/或电池电压随时间的流逝而降低时也可保持基本上恒定的输出。
测试结果1：加热元件的基本上恒定的电阻值而电池容量降低
在一个示例中，在干加热元件上，即加热元件具有基本上恒定的电阻值，进行了使用图1A所示的动态输出功率管理单元的动态放电测试。图2中显示了结果，其中，自上而下的数据线代表电池电压V，280mAh中的以焦耳计的输出能量，以及以毫秒计的放电时间，即供电时间，与以秒计的测试时间的关系。
在一些示例中，加热元件的电阻值依赖加热元件的工作条件，例如，加热元件所接触的电子溶液的量，加热元件周围或其中的碳化情况，以及工作温度，而发生变化。加热元件可以是传统的加热元件或者是基于纤维的加热元件，例如碳纤维加热元件。
示例2：湿加热元件且电池容量降低
在另一示例中，在湿加热元件上，即当加热元件具有不同的液体量时其电阻值会发生变化，进行了使用图1A或1B所示的动态输出功率管理单元的湿动态放电测试。图3中示出了结果。自上至下的数据线表示以欧姆计的加热元件的电阻值，电池电压V，在240mAh处的以焦耳计的输出能量，以及以毫秒计的放电时间，即供电时间，与以秒计的测试时间的关系。
示例3：湿加热元件且电池容量降低
图4示出了另一组湿动态放电测试的结果。自上而下的数据线代表以欧姆计的加热元件的电阻值，电池电压V，在280mAh处的以焦耳计的输出能量，以及以毫秒计的放电时间，即供电时间，与以秒计的测试时间的关系。
所描述的功率管理系统可以包括用于电子吸烟设备的加热电路的动态输出功率管理单元，而PMU具有至少一个电压检测设备以检测电源的输出电压，及/或可经由第一开关元件可操作地连接至电源或自电源断开的加热元件的电压降，及/或经由第二开关元件的自第一状态向第二状态的变化以及由第二状态向第一状态变化而实现可操作地连接至加热电路或自加热电路断开的参考元件的电压降。控制器被配置为将第二开关元件的状态从第一状态改变至第二状态；自该检测设备接收第一检测结果；推导加热元件的电阻值；将第二开关元件自第二状态改变至第一状态；自电压检测设备接收第二检测结果；以及根据加热元件的电阻值和第二电压检测推导电源的放电时间。由此，一个时间段内的转换的能量基本上地等于针对同一时间段的预定的能量转换值。
前述的电源管理系统可以依据存储于非暂时性机器可读介质上的指令运行，当执行指令时引起处理器控制电压检测设备检测电源的第一输出电压，及/或经由第一开关元件可操作地连接至电源的加热元件上的电压降，及/或经由第二开关元件可操作地连接至电源的参考元件上的电压降。当参考元件被连接至电源时，检测第一输出电压。指令可引导处理器根据电源的第一输出电压、加热元件上的电压降以及加热元件上的电压降的至少两个推导加热元件的电阻值，并且控制电压检测设备检测电源的第二输出电压。处理器可以继而根据电源的第二输出电压和推导出的加热元件的电阻值估计针对吸烟动作的电源的放电时间，使得在吸烟动作中转换的能量基本上等于针对一个吸烟动作的预定的能量转换值。

Claims (5)

1.一种电子吸烟设备，包括
雾化器，其包括电性加热元件，该加热元件由液体润湿的纤维制成并且具有在操作中变化的电阻；
电源，其被连接于所述加热元件以及动态输出电源管理系统以对随放电时间而下降的电源输出电压进行补偿，所述动态输出电源管理系统包括：
具有基本上恒定的电阻值的参考元件；
第一开关元件，其可操作地将所述加热元件连接到所述电源；
第二开关元件，其可操作地从第一状态变化至第二状态以将所述参考元件连接至加热电路，以及从所述第二状态变化至所述第一状态以将所述参考元件自所述加热电路断开，以对加热元件的瞬时电阻进行实时测量；以及
电源管理单元，包括
至少一个电压检测设备以检测电源的输出电压，以及/或所述参考元件上的电压降，以及/或所述加热元件上的电压降；
以及
控制器，其被配置为：
将所述第二开关元件自所述第一状态改变至所述第二状态；
自所述检测设备接收第一检测结果；
实时推导所述加热电路中的加热元件的瞬时电阻值；
将所述第二开关元件自所述第二状态改变至所述第一状态；
自所述电压检测设备接收第二检测结果；以及
根据所述加热元件的电阻值以及所述第二检测结果推导所述加热电路的开启时间，以至于所述加热元件在一段时间内转换的能量基本上等于同一时间段内预定的能量转换值；
其中，所述控制器基于所估计的放电时间以及针对每个吸烟动作的预定的放电时间推导控制波形的图案；以及基于推导出的图案产生针对所述第一开关元件的控制波形。
2.根据权利要求1所述的电子吸烟设备，其中，所述控制器在吸烟动作的开始时检测所述电源的第一输出电压。
3.一种电子吸烟设备的加热电路的电源管理方法，包括
将吸烟动作的持续时间划分成多个周期区间；
在每个周期区间检测电源的第一输出电压，以及/或经由第一开关元件可操作地被连接于电源的加热元件上的电压降；以及/或经由第二开关元件可操作地连接于电源的参考元件上的电压降，其中当所述参考元件被连接至所述电源时，检测所述第一输出电压；
根据所述电源的所述第一输出电压、所述加热元件上的电压降以及所述加热元件上的电压降中的至少两者推导所述加热元件的电阻值；
检测所述电源的第二输出电压；以及
根据所述电源的所述第二输出电压以及所述加热元件的所推导出的电阻值估计针对所述周期区间的所述电源的放电时间；
基于估计出的放电时间以及针对每个周期区间的预定的放电时间推导控制波形的图案；以及
基于所推导出的图案生成针对所述第一开关元件的控制波形；
以至于所述周期区间内的转换的能量基本上等于针对一个周期区间的预定的能量转换值；
进一步包括通过将参考电阻切换入和切换出加热电路而进行所述第一和第二输出电压的检测，该加热电路包括所述加热元件和所述电源。
4.根据权利要求3所述的方法，其中对电源的第一输出电压的检测在每个周期区间的开始时进行。
5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括针对每个周期区间重复所述检测，估计，波形图案推导以及波形生成步骤。
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