CN107670894B - 一种雾化器精细调制脉宽与死区时间的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精细调制脉宽与死区时间的电路及电路，其中，该电路包括有基准频率发生器、输出频率控制位、锁相环、占空比调整电路、异或运算器、两相非交叠时钟产生电路及两路互补PWM信号输出链路和PWM输出信号选择与输出单元，所述基准频率发生器连接于锁相环，锁相环输出分为两路，一路接于占空比调整电路，另一路接于两相非交叠时钟产生电路；占空比调整电路后接于异或运算器，异或运算器输出PWM信号给PWM输出信号选择与输出单元；两相非交叠时钟产生电路则分别接互补PWM信号1输出链路、互补PWM信号2输出链路，输出互补PWM信号给PWM输出信号选择与输出单元。
Description
技术领域
本发明属于电子雾化器技术领域，特别涉及电子雾化器的用于微控制芯片输出单路调制占空比或输出死区调制的互补电路及方法，非常有利于电子烟、低EMI雾化器等应用方案的设计。
背景技术
随着众多场所对传统卷烟的限制，电子烟产品凭借对身体伤害小、不会触发烟雾报警器等特点得到迅速普及。早期的EGO电子烟采用普通的内置振荡器进行分频，通过控制不同时间段PWM波的占空比进行烟丝功率的控制。
现阶段，采用这种电路形式的电子烟，PWM由内部关联的振荡器进行分频得到，常用的内部系统振荡器为16MHz、30MHz、32MHz。采用16MHz的内部振荡器，在该振荡器支持PWM一分频的前提下，选用300KHz的PWM进行输出，则有53阶(16M/300K≈53)可供调制，每阶的步进为5.6K(300K/53≈5.6K)，调频精度1.9％。同理，若采用32MHz的内部振荡器，在该振荡器支持PWM一分频的前提下，选用300KHz的PWM进行输出，则有106阶(32M/300K≈106)可供调制，每阶的步进为2.8K(300K/106≈2.8K)，调频精度为0.9％。为了进一步减小纹波，提升电压的平稳度，设计者会将输出频率进一步提升，如到达400KHz，在选用32MHz内部振荡器的前提下，此时调频的精度为1.25％，且仅有80阶可调。
从上述的数据，可以得知采用速度较低的振荡器进行PWM波的输出，则调频精度较低；若采用速度较高的振荡器进行PWM波的输出，虽然精度会有改良，但在输出频率进一步提升的情况下，可调阶数下降，精度降低。此外，内部振荡器通常随工艺、温度、湿度等因素的变化，会产生1％～5％甚至更大范围的频率偏差，导致频率不准，调压效果不好，严重情况下会损坏MOS，影响产品的品质与批量一致性。
另外一个领域，如加湿器、香薰机，已经分布在生活中的各个角落，如日常家居、假山景观、超市果蔬保湿、酒店、农业大棚、公共场所降温等应用场合。市面上的加湿器、香薰机目前均采用单边驱动雾化片的方式，这种驱动方式对供电的要求较高，如电感升压前的电压需要达到24V，这个要求会导致电源成本上升，也会导致设计者在设计电路的时候要采用高耐压值的MOS(如100V)，驱动雾化片的过程也仅有单边有效，效率较低。如果能采用2个MOS管进行双边驱动，则输入电压可以减半，但又能保障雾化的效果不受影响。如果采用2个MOS管进行驱动，则MOS管的驱动波形需要反向互补。如果加湿器选用的是1.7MHz频率的雾化片，设定死区时间为振荡频率的2％，则死区时间为1/(1.7M*50)＝1/(85MHz)。如果加湿器选用的是3MHz频率的雾化片，设定死区时间为振荡频率的2％，则1/(3M*50)＝1/(150MHz)。所以在若需要满足3MHz雾化片的双MOS驱动需求，需要控制信号有150MHz单个时钟信号控制的能力。目前低成本8位MCU的时钟多设计为16MHz、24MHz、32MHz，有部分韩国的MCU可以达到约60MHz的时钟，但在该应用场合下，仍无法满足需求。在32位MCU领域，则存在200MHz以上的时钟的MCU，但售价高昂，不适用于加湿器领域。
在加湿器的实际设计中，每一片雾化片之间的频率会有±5％以内的偏差，按照业界的要求，1.7MHz频率雾化片的驱动频率要控制在0.5％的精度，所以死区的时间也需要同步按照0.5％的精度进行调整，因此采用单个固定时钟进行死区时间设置的方法无法满足设计的需求。高性能雾化器系统需要根据雾化片所属频段如1.7MHz、2.4MHz、3MHz，在±10％范围内实现0.5％的步进调频，若采用双MOS驱动的方式，则在保证精准调频的同时还需提供精准的死区时间。虽然双MOS驱动加湿器存在很多的优点，但目前市面不存在能满足该死区时间调节需求的MCU。
发明内容
基于此，因此本发明的首要目地是提供一种雾化器精细调制脉宽与死区时间的电路及方法，该电路及方法可以在PWM中实现精准的占空比调制，让电子烟等需要PWM进行调压的应用场景实现高精度调压。
本发明的另一个目地在于提供一种雾化器精细调制脉宽与死区时间的电路及方法，该电路及方法可以实现互补PWM的死区时间精细调制，让双MOS驱动雾化片的电路得到实现，降低驱动电压，提高EMI性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种雾化器精细调制脉宽与死区时间的电路，其特征在于该电路包括：
基准频率发生器，负责产生系统所需要的基准频率；
输出频率控制位，负责向锁相环提供调频信息；
锁相环，负责提供稳定的基准频率倍频信号；
占空比调整电路，负责精细调整脉宽；
异或运算器，负责合成调整过占空比后的PWM信号；占空比可调PWM信号输出链路，作为合成后的PWM信号的输出缓存；
两相非交叠时钟产生电路，负责产生精准死区时间的互补PWM；
互补PWM信号1输出链路，作为合成后的互补PWM信号1的输出缓存；
互补PWM信号2输出链路，作为合成后的互补PWM信号2的输出缓存；
PWM输出信号选择与输出单元，作为PWM输出信号选择器；
所述基准频率发生器和输出频率控制位均连接于锁相环，锁相环输出分为两路，一路接于占空比调整电路，另一路接于两相非交叠时钟产生电路；占空比调整电路后接于异或运算器，异或运算器输出PWM信号给PWM输出信号选择与输出单元；两相非交叠时钟产生电路则分别接互补PWM信号1输出链路、互补PWM信号2输出链路，输出互补PWM信号给PWM输出信号选择与输出单元。
基准频率发生器连接锁相环，向锁相环模块提供基频；输出频率控制位单元连接锁相环，向锁相环提供输出频率的调整信息；锁相环连接占空比调整电路、异或运算器、两相非交叠时钟产生模块，向这些模块提供倍频调整再经分频后的稳定信号；占空比调整电路连接异或运算器；异或运算器连接占空比可调PWM信号输出链路，将锁相环提供的倍频信号与占空比调整信号异或的结果提供给输出链路，等待输出；两相非交叠时钟产生电路连接互补PWM信号1、2输出链路，等待输出；占空比可调PWM信号输出链路、互补PWM信号1、2输出链路连接PWM输出信号选择与输出单元，输出单元根据选择输出的情况输出符合系统需求的PWM控制信号。
进一步，所述电路还包括有占空比调整电路控制位，占空比调整电路控制位单元连接占空比调整电路，占空比调整电路根据控占空比制位信息对脉宽进行精细调制。
进一步，所述电路还包括有死区调整电路控制位，死区调整电路控制位单元连接两相非交叠时钟产生电路，两相非交叠时钟产生电路根据死区调整控制位信息进行互补PWM死区时间的调制。
一种雾化器精细调制脉宽与死区时间的方法，该方法包括如下步骤：
101、首先，用外部晶振作为基准频率发生器提供一个基准频率信号给锁相环；
102、输出频率控制位单元提供配置信号S1给锁相环，令锁相环最终输出的频率为第一频率；
103、锁相环将基准频率信号的信号倍频到第二频率，根据信号S1，锁相环将倍频后的第二频率进行分频，输出第一频率给两相非交叠时钟产生电路；
104、死区调整电路控制位提供配置信号SC1给两相非交叠时钟产生电路，令两相非交叠时钟产生电路控制互补PWM为2.5％以上的死区时间；
105、两相非交叠时钟产生电路基于锁相环输出的第一频率信号和死区调整电路控制位SC1产生本次信号的死区时间，设置死区时间为2.5％以上，然后将互补PWM信号分成PWM1和PWM2通过输出链路提供给PWM输出信号选择与输出单元；
106、配置PWM输出信号选择与输出单元，打开互补PWM输出，将PWM1和PWM2信号进行输出。
进一步，需要进行谐振频率的调整时，若此时需要输出第四频率的互补驱动频率，则调整锁相环输出频率控制位，令锁相环将基准频率信号的基频倍频到第三频率，然后再进行分频，得到第四频率，该第四频率信号再送往两相非交叠时钟产生电路，转换为具有一定死区时间的互补PWM信号，最后从PWM输出信号选择与输出单元经过配置后输出，若要再进行频率的调整，则依此循环。
本发明所述的电路及方法，通过在PWM中实现精准的占空比调制，可以让电子烟等需要PWM进行调压的应用场景实现低成本、高精度调压，有利于减小纹波，实现功率的细分控制；同时可让双MOS驱动的雾化器电路得到实现，降低输入电压，提升雾化效率，降低EMI。
附图说明
图1是本发明所实施的电路原理图。
图2是本发明所实施两相非交叠时钟产生的PWM1和PWM2信号图。
图3是本发明所实施新型双MOS雾化器驱动电路的电路图。
图4是本发明所实施新型双MOS雾化器驱动电路工作时雾化器两端波形示意图。
图5是本发明所实施20％占空比输出波形示意图。
图6是本发明所实施80％占空比输出波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示，为本发明所实现的雾化器精细调制脉宽与死区时间的电路，图中所示，该电路包括有：基准频率发生器连接锁相环，向锁相环模块提供基频；输出频率控制位单元连接锁相环，向锁相环提供输出频率的调整信息；锁相环连接占空比调整电路、异或运算器、两项非交叠时钟产生模块，向这些模块提供倍频调整再经分频后的稳定信号；占空比调整电路控制位单元连接占空比调整电路，占空比调整电路根据控占空比制位信息对脉宽进行精细调制；占空比调整电路连接异或运算器；异或运算器连接占空比可调PWM信号输出链路，将锁相环提供的倍频信号与占空比调整信号异或的结果提供给输出链路，等待输出；死区调整电路控制位单元连接两相非交叠时钟产生电路，两相非交叠时钟产生电路根据死区调整控制位信息进行互补PWM死区时间的调制；两相非交叠时钟产生电路连接互补PWM信号1、2输出链路，等待输出；占空比可调PWM信号输出链路、互补PWM信号1、2输出链路连接PWM输出信号选择与输出单元，输出单元根据选择输出的情况输出符合系统需求的PWM控制信号。
以3MHz加湿器双MOS驱动波形的输出为例，基于图1的原理，进行双MOS雾化电路的驱动。
首先，用外部晶振作为基准频率发生器提供一个1MHz的频率信号给锁相环，信号精度位50ppm。
进一步，输出频率控制位单元提供配置信号S1给锁相环，令锁相环最终输出的频率为3MHz。
进一步，锁相环将1MHz的信号倍频到24MHz，精度仍保持在50ppm，根据信号S1，锁相环将倍频后的24MHz进行8分频，输出3MHz给两相非交叠时钟产生电路。
进一步，死区调整电路控制位提供配置信号SC1给两相非交叠时钟产生电路，令两相非交叠时钟产生电路控制互补PWM为2.5％死区时间。
进一步，两相非交叠时钟产生电路基于锁相环输出的3MHz信号和死区调整电路控制位SC1产生本次信号的死区时间，在本次控制中设置死区时间为2.5％，即整个周期有5％的交叠时间，然后将互补PWM信号分成PWM1和PWM2通过输出链路提供给PWM输出信号选择与输出单元，假定PWM的波形幅值为5V，则互补PWM1、PWM2的波形见附图2。
进一步，配置PWM输出信号选择与输出单元，打开互补PWM输出，将PWM1和PWM2信号进行输出，驱动双MOS雾化器驱动电路，电路见附图3。雾化片工作时两端的振荡波形见附图4。传统单MOS雾化片两端的工作电压高，并且只有半周期处于工作状态，在驱动波形带毛刺的情况下，毛刺的幅值将可达60V，辐射强度大，较难通过EMI测试。所以，采用双NMOS驱动的方式具有很多益处。
由于雾化片生产工艺的原因，每一片雾化片的谐振频率有所差异，同一片在雾化片工作的过程中也需要进行谐振频率的调整。若此时需要输出3.015MHz的互补驱动频率，则调整锁相环输出频率控制位，令锁相环将1MHz的基频倍频到24.12MHz，然后再进行8分频，得到3.015MHz频率，该频率信号再送往两相非交叠时钟产生电路，转换为具有一定死区时间的互补PWM信号，最后从PWM输出信号选择与输出单元经过配置后输出，若要再进行频率的调整，则依此循环。
以下是优选实例2，以电子烟的降压端控制为例。
首先，用外部晶振作为基准频率发生器提供一个1MHz的频率信号给锁相环，信号精度位50ppm。
进一步，输出频率控制位单元提供配置信号S1给锁相环，令锁相环最终输出的频率为400KHz。
进一步，锁相环将1MHz的信号倍频到24MHz，精度仍保持在50ppm，根据信号S1，锁相环将倍频后的24MHz进行60分频，输出400KHz给占空比调整电路以及异或运算器。
进一步，占空比调整电路控制位提供配置信号D1给占空比调整电路，令占空比调整电路调整用于进行占空比调节的频率信号F1。
进一步，占空比调整电路输出频率信号F1给异或运算器，异或运算器运算后得到系统需要PWM信号。设定本次输出的占空比为20％，则锁相环输出的信号与F1信号进行异或后的PWM波形见图5所示。
如果要输出的PWM信号占空比小于50％，输出的占空比要调大，如调整20％为20.2％，则减少F1信号的高电平时间；输出的占空比要调小，如调整20％为19.8％，则增加F1信号的高电平时间。
设定本次输出的占空比为80％，则锁相环输出的信号与F1进行异或后的PWM波形见图6所示。
如果要输出的PWM信号占空比大于50％，输出的占空比要调大，如调整80％为80.2％，则增加F1信号的高电平时间；输出的占空比要调小，如调整80％为79.8％，则增加减少F1信号的高电平时间。
设定本次输出的占空比为50％，则F1信号可以恒为高或恒为低。
进一步，异或运算后的信号输出给占空比可调PWM信号输出链路，然后再传输到PWM输出信号选择与输出单元。
进一步，配置PWM输出信号选择与输出单元，选择输出异或运算后的PWM信号，关闭互补PWM信号的输出。
因此，本发明所述的电路及方法，通过在PWM中实现精准的占空比调制，可以让电子烟等需要PWM进行调压的应用场景实现低成本、高精度调压，有利于减小纹波，实现功率的细分控制；同时可让双MOS驱动的雾化器电路得到实现，降低输入电压，提升雾化效率，降低EMI。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种精细调制脉宽与死区时间的电路，其特征在于该电路包括：
基准频率发生器，负责产生系统所需要的基准频率；
输出频率控制位，负责向锁相环提供调频信息；
锁相环，负责提供稳定的基准频率倍频信号；
占空比调整电路，负责精细调整脉宽；
异或运算器，负责合成调整过占空比后的PWM信号；占空比可调PWM信号输出链路，作为合成后的PWM信号的输出缓存；
两相非交叠时钟产生电路，负责产生精准死区时间的互补PWM；
互补PWM信号1输出链路，作为合成后的互补PWM信号1的输出缓存；
互补PWM信号2输出链路，作为合成后的互补PWM信号2的输出缓存；
PWM输出信号选择与输出单元，作为PWM输出信号选择器；
基准频率发生器连接锁相环，向锁相环模块提供基频；输出频率控制位单元连接锁相环，向锁相环提供输出频率的调整信息；锁相环连接占空比调整电路、异或运算器、两相非交叠时钟产生模块，向这些模块提供倍频调整再经分频后的稳定信号；占空比调整电路连接异或运算器；异或运算器连接占空比可调PWM信号输出链路，将锁相环提供的倍频信号与占空比调整信号异或的结果提供给输出链路，等待输出；两相非交叠时钟产生电路连接互补PWM信号1、2输出链路，等待输出；占空比可调PWM信号输出链路、互补PWM信号1、2输出链路连接PWM输出信号选择与输出单元，输出单元根据选择输出的情况输出符合系统需求的PWM控制信号；
所述电路还包括有占空比调整电路控制位，所述占空比调整电路控制位连接于占空比调整电路，负责提供脉宽变化的需求；
所述电路还包括有死区调整电路控制位，所述死区调整电路控制位连接于两相非交叠时钟产生电路，负责提供死区时间变化的需求。
2.一种基于权利要求1所述精细调制脉宽与死区时间的电路调制死区时间的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
101、首先，用外部晶振作为基准频率发生器提供一个基准频率信号给锁相环；
102、输出频率控制位单元提供配置信号S1给锁相环，令锁相环最终输出的频率为第一频率；
103、锁相环将基准频率信号的信号倍频到第二频率，根据信号S1，锁相环将倍频后的第二频率进行分频，输出第一频率给两相非交叠时钟产生电路；
104、死区调整电路控制位提供配置信号SC1给两相非交叠时钟产生电路，令两相非交叠时钟产生电路控制互补PWM为2.5％以上的死区时间；
105、两相非交叠时钟产生电路基于锁相环输出的第一频率信号和死区调整电路控制位SC1产生本次信号的死区时间，设置死区时间为2.5％以上，然后将互补PWM信号分成PWM1和PWM2通过输出链路提供给PWM输出信号选择与输出单元；
106、配置PWM输出信号选择与输出单元，打开互补PWM输出，将PWM1和PWM2信号进行输出。
3.如权利要求2所述的调制死区时间的方法，其特征在于需要进行谐振频率的调整时，若此时需要输出第四频率的互补驱动频率，则调整锁相环输出频率控制位，令锁相环将基准频率信号的基频倍频到第三频率，然后再进行分频，得到第四频率，该第四频率信号再送往两相非交叠时钟产生电路，转换为具有一定死区时间的互补PWM信号，最后从PWM输出信号选择与输出单元经过配置后输出，若要再进行频率的调整，则依此循环。
4.如权利要求3所述的调制死区时间的方法，其特征在于以3MHz加湿器双MOS驱动波形的输出进行双MOS雾化电路的驱动时，首先，用外部晶振作为基准频率 发生器提供一个1MHz的频率信号给锁相环，信号精度位50ppm；
进一步，输出频率控制位单元提供配置信号S1给锁相环，令锁相环最终输出的频率为3MHz；
进一步，锁相环将1MHz的信号倍频到24MHz，精度仍保持在50ppm，根据信号S1，锁相环将倍频后的24MHz进行8分频，输出3MHz给两相非交叠时钟产生电路；
进一步，死区调整电路控制位提供配置信号SC1给两相非交叠时钟产生电路，令两相非交叠时钟产生电路控制互补PWM为2.5％死区时间；
进一步，两相非交叠时钟产生电路基于锁相环输出的3MHz信号和死区调整电路控制位SC1产生本次信号的死区时间，设置死区时间为2.5％，然后将互补PWM信号分成PWM1和PWM2通过输出链路提供给PWM输出信号选择与输出单元；
进一步，配置PWM输出信号选择与输出单元，打开互补PWM输出，将PWM1和PWM2信号进行输出，驱动双MOS雾化器驱动电路。
5.如权利要求4所述的调制死区时间的方法，其特征在于每一片雾化片的谐振频率有所差异，同一片在雾化片工作的过程中也需要进行谐振频率的调整；若此时需要输出3.015MHz的互补驱动频率，则调整锁相环输出频率控制位，令锁相环将1MHz的基频倍频到24.12MHz，然后再进行8分频，得到3.015MHz频率，该频率信号再送往两相非交叠时钟产生电路，转换为具有一定死区时间的互补PWM信号，最后从PWM输出信号选择与输出单元经过配置后输出，若要再进行频率的调整，则依此循环。
6.如权利要求3所述的调制死区时间的方法，其特征在于当所述方法应用于电子烟的降压端控制时，
首先，用外部晶振作为基准频率发生器提供一个1MHz的频率信号给锁相环，信号精度位50ppm；
进一步，输出频率控制位单元提供配置信号S1给锁相环，令锁相环最终输出的频率为400KHz；
进一步，锁相环将1MHz的信号倍频到24MHz，精度仍保持在50ppm，根据信号S1，锁相环将倍频后的24MHz进行60分频，输出400KHz给占空比调整电路以及异或运算器；
进一步，占空比调整电路控制位提供配置信号D1给占空比调整电路，令占空比调整电路调整用于进行占空比调节的频率信号F1；
进一步，占空比调整电路输出频率信号F1给异或运算器，异或运算器运算后得到系统需要PWM信号；
进一步，异或运算后的信号输出给占空比可调PWM信号输出链路，然后再传输到PWM输出信号选择与输出单元；
进一步，配置PWM输出信号选择与输出单元，选择输出异或运算后的PWM信号，关闭互补PWM信号的输出。
7.如权利要求6所述的调制死区时间的方法，其特征在于在要输出的PWM信号占空比小于50％时，若输出的PWM信号占空比要调大，则减少F1信号的高电平时间；若输出的PWM信号占空比要调小，则增加F1信号的高电平时间；
在要输出的PWM信号占空比大于50％时，若输出的PWM信号占空比要调大，则增加F1信号的高电平时间；若输出的PWM信号占空比要调小，则减少F1信号的高电平时间；
设定本次输出的占空比为50％，则F1信号可以恒为高或恒为低。
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