CN108834396B

CN108834396B - 电子烟设备及其电路

Info

Publication number: CN108834396B
Application number: CN201680004251.4A
Authority: CN
Inventors: 徐汉明
Original assignee: Xmart Chip Microelectronic Co ltd
Current assignee: Xmart Chip Microelectronic Co ltd
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: WO2016119626A1; US20170303597A1; CN108834396A

Abstract

电子烟设备及其电路，包括控制电路、驱动电路、充电电路、激发组件、调味源和电池。所述电子烟设备可工作在吸烟模式或充电模式；当电子烟设备工作在吸烟模式时，激发信号通过第一开关导电路径并沿第一导电方向从电池流向激发组件，当电子烟设备工作在充电模式下时，充电电流从外部充电电源经第二开关导电路径并沿着第二导电方向流向电池，所述第二导电方向与第一导电方向相反；并且第二开关导电路径形成第一开关导电路径的一部分。

Description

电子烟设备及其电路

技术领域

本次公开涉及到的是电子烟设备及其用于电子烟设备的器件。

背景技术

电子烟设备作为传统吸烟的电子代替品已经获得广泛接受。为了重复使用, 电子烟设备通常由可充电的电池提供电源, 同时配备可再补充或可分离的调味源, 用于产生烟雾、蒸汽或气雾等来模拟吸烟的效果。

随着电子烟设备的不断普及，因此需要改进其电路来增强性能。

发明内容

这里公开了电子烟设备及其电路，包括控制电路、驱动电路、充电电路、激发组件、调味源和电池。所述电子烟设备可工作在吸烟模式或充电模式；当电子烟设备工作在吸烟模式时，激发信号通过第一开关导电路径并沿第一导电方向从电池流向激发组件，当电子烟设备工作在充电模式下时，充电电流从外部充电电源经第二开关导电路径并沿着第二导电方向流向电池，所述第二导电方向与第一导电方向相反；并且第二开关导电路径形成第一开关导电路径的一部分。

附图说明

本次公开将会通过示例附图来进行描述，其中：

图 1 是本次公开的电子烟设备原理图；

图1A 是图1电子烟设备的分模块原理图；

图1B是图1A电子烟设备模块和可兼容充电电源的原理图；

图2A，2B，2C和3是本次公开的电子烟设备原理图；

图4 是本次公开的电子烟设备工作电路的各功能模块原理图；

图4A是图4控制电路的各功能模块原理图；

图5是在图4的基础下电子烟设备的工作流程图；

图6是电子烟设备的工作电路的混合电路图及其框图；

图6A和图6B是在图6工作状态下，描述电源路径、流向的原理图；

图6C是描述各信号的时序图，它是图6电子烟工作电路在不同工作模式下的、不同节点的各信号时序图；

图6D是图6描述中带有栅极选择装置框图的原理图；

图6E是图6D中栅极选择器件的原理图；

图7是混合电路原理图和描述电子烟设备控制电路的框图；

图7A是描述各种信号的时序图，它是图6在不同工作模式下的、不同节点下的各信号时序图；

图8是本次公开的控制电路的版图；

图8A是半导体衬底上的PFET1或PFET2的版图。

具体实施方式

如图1所示，电子烟设备100包括主壳体110、设置在主壳体内的调味源112、电池114、工作电路120、激发组件128和抽吸检测器140。主壳体110是长形的、中间是空的，并设有与吸入孔116和空气入口孔118连接的管状部分。吸入孔116为管状部分的一个自由轴向端（或吸入端），空气入口孔118为吸入端相对的另一轴向端，通道117为吸入孔116和空气入口孔118互连的管状部分。调味源112 设置在容器130内，靠近主壳体110的吸入端。容器设有内壁，其内壁为靠近吸入端的管状部分的外边界。调味物质的出口132设置在内壁上，设置在调味源112中的调味物质通过调味物质的出口132释放到通道117中，促使烟雾产生。主壳体110具有圆形轮廓，与香烟和雪茄的外观相似，吸入端为模拟吸烟时与使用者嘴唇接触的部件。

电子烟设备在工作的时候，使用者在吸入端吸气，空气从空气入口孔118进入到主壳体110内。空气经过由容器130包围的那部分通道117时，变成伴有调味气味的烟雾，然后沿着通道117流动，最后从吸入孔116流出。

如图1A所示，图1的电子烟设备100可以拆分为第一模块150A 和第二模块150B。第一模块150A包括第一壳体部分110A，第二模块150B包括第二壳体部分110B。第一壳体部分110A和第二壳体部分110B的轴向对齐，并且设有配对的连接件，通过所述连接件使第一模块150A和第二模块150B连接形成一个长形整体的吸烟装置，其中，第一模块150A和第二模块150A之间具有导电连接。连接件包括配对的紧固件，通过所述紧固件使第一模块150A和第二模块150B模块进行轴向对齐，形成更好的紧固连接。

抽吸检测器140、工作电路120和电池114设置在第一壳体110A内部的中空室内。第一壳体部分110A是坚硬的和细长的，空气入口孔118设置在第一壳体部分110A的轴向末端，作为电子烟设备100的空气入口。中空室从空气入口孔118延伸到第一壳体部分110A的轴向末端，且为通道117的一部分。中空室在第一壳体部分110A的轴向末端是开口端。所述开口端与第二模块150B的对应中空室的对应开口端连接形成完整的通道117。

第一壳体部分110A的轴向末端设有与第二模块150B的配对连接部件形成可拆卸的连接部件。所述连接部件设有接触端口，所述接触端口与第二模块150B的配对连接部件的配对端口形成电连接。第一壳体部分110A的空气入口处设有诸如红色LED（发光二极管）或具有红色滤光的LED来显示工作状态，以提供更好的模拟吸烟效果。在本实施例中，接触端口设有模式检测端口。

第二壳体部分110B包括坚硬而细长的壳体，所述壳体设有第一轴向末端和第二轴向电子连接末端，所述第一轴向末端为吸气端，所述第二轴向电子连接末端插入第一壳体部分110A末端的机械连接端形成配对连接。所述壳体包括第一中空腔，所述第一中空腔为通道117的另一部分。第一壳体部分110A末端的接触端口构成了第二轴向末端，所述第二轴向末端用于和第一模块150A的配对接触端口形成电连接。第一中空腔轴向延伸到吸入孔116，并包括被容器130包围的细长部分。抽吸检测器140的抽吸传感器设置在通道117内，用于检测模拟吸烟时空气的运动。

第二壳体部分110B包括一延伸的内壁，所述内壁设置在第二模块150B的通道117上。所述内壁与第二壳体部分110B的外壁构成了容器130。调味源112可以为调味液体状态，例如果汁味烟液或者其他烟液。容器的出口132设在内壁上，容器130中的液体通过容器的出口132与通道117连通。激发组件128设置在通道117内，电子烟工作时通过激发组件加热调味源产生香味烟雾，香味烟雾被通道117的气流带走。用于给激发组件128提供激发能量的引线从接触端口延伸并进入容器130，所述引线在容器130内部做轴向长度的延伸，从而通过容器的出口132进入通道117中，并连接到激发组件128。所述引线作为液引导桥梁将调味液体从容器130传递给激发组件128。所述引线还作为信号桥梁将激发信号传递给激发组件128。

第二壳体部分110B的耦合末端设有连接部件，所述连接部件与第一模块150A的配对连接部件形成可拆卸的配对连接。所述连接部件设有接触端口，所述接触端口与第一模块150A的配对连接部件的配对接触端口形成电连接。所述接触端口和所述配对接触端口具有螺纹连接，所述螺纹连接使第一模块150A和第二模块150B之间形成良好的、可靠的电连接，使激发能量更可靠地从工作电路120传送到激发组件128。在本实施例中，激发组件128由发热丝组件构成。

当第二模块150B与第一模块150A分离时，第一模块150A耦合末端的接触端口是裸露的。如图1B所示，充电电源，如模块充电电源160设有通电的、机械的接触端口，所述接触端口与第一模块150A形成电连接，并对第一模块150A内的电池114进行充电。具有标识号68430（直径6.8mm，长度43mm）的锂离子可再充电电池广泛用于电子烟中。还有其他主流电池也通常用于电子烟中，其中包括具有标识号18350或18490或18500或18650的锂离子可再充电电池。电池后面的标识号，前两个数字代表直径（以mm为单位），后三个数字代表长度（以0.1mm为单位）。锂离子电池具有约3.6V或3.7V的额定电压以及几百mAh至几千mAh的容量。当然，其他尺寸、大小和材料的可再充电电池也常用于不同尺寸和不同应用的较小电子设备当中，而不失一般性。

图2A所示的电子烟设备200与图1的电子烟设备基本相同，除了抽吸检测器140靠近耦合末端，并且设置在电池114和接触端口之间。在本实施例中，工作电路120设置在电池114和抽吸检测器140之间。

图2B所示的电子烟设备300与图2A的电子烟设备基本相同，除了空气入口孔118设置在主壳体110的一侧上并且靠近耦合末端，以提供空气进入通道117。在本实施例中，通道117靠近主壳体的轴向末端，所述轴向末端为吸入端的末端。

图2C所示的电子烟设备400与图2B的电子烟设备基本相同，除了空气入口孔118和抽吸检测器140设置在第二模块150B的主壳体上且靠近两模块的耦合端。

图3中所示的电子烟设备500与图2C的电子烟设备基本相同，除了电路启动通过开关140A代替抽吸检测器140。

虽然本文已经描述了电子烟设备的各种结构，但是应当理解的是，其结构是不限定的。例如，空气入口孔可以在主壳体的轴向自由末端或侧壁上，抽吸检测器可以在空气入口孔附近或者在通道中，还有工作电路120可以设在内部或外部的通道中而不失一般性。

在申请的各实施例中的电子烟设备，相同或等效功能特性的部件，具有相同的附图标记，除非另有说明。

抽吸检测器140包括前端抽吸传感器，所述前端抽吸传感器设置在通道117内，用于检测电子烟气设备100的模拟吸烟事件或行为的发生。本实施例的前端抽吸传感器由空气流量传感器组成，产生代表通道117内空气流动的信号。空气运动状态包括气流速率和气流方向。抽吸检测器140与工作电路120连接，在工作期间，由空气流量传感器产生的空气流动的信号被传送到工作电路120进行处理。

挡板式空气流量传感器是根据气流的瞬时强度和方向发生变化而输出信号的空气流量传感器，用作于前端抽吸传感器。挡板式空气流量传感器的输出信号具有信号特性，所述信号特效根据气流的瞬时特性，如气流强度和方向，工作电路120根据所述信号特性确定电子烟设备100是否触发了模拟吸烟事件或行为。

适用于检测吸烟的示例性挡板式空气流量传感器，包括弹性金属板，所述弹性金属板安装在与参考电极板分离的地方以形成电介质型电容式空气流量传感器。弹性金属挡板构能根据气流的方向而变形，并且变形的程度取决于气流在该方向上的强度，使得空气流量传感器的输出电容值或其他信号属性将指示出气流的方向和强度。通过设置空气流量传感器而提供所需信息，使得弹性金属挡板或其部分朝向或远离参考电极板发生变形，而变形取决于气流的方向是朝向或远离参考电极板，空气流量传感器输出的电容值或其它信号属性。工作电路120通过处理空气流量传感器的输出信号，以确定是否已经检测到与模拟吸烟事件或行为相对应的启动条件。

在本实施例中，工作电路120被设置为能根据从前端抽吸检测器输出的信号, 确定是否在电子烟设备100的口部件处或更具体地在吸入孔116处发生了相对应的模拟吸烟事件。

工作电路120是由驱动电路122、充电电路124、控制电路126和开关电路129构成的，以便于电子烟设备100的工作，如图4所示。控制电路126由传感电路1262、判定电路1264和激发电路1266构成，如图4A所示。

传感电路1262由模式传感电路和吸烟传感电路构成。模式传感电路连与模式传感器连接，并且处理来自模式传感器的模式信号，并反馈到判定电路。吸烟传感电路与吸烟传感器连接，并且处理来自吸烟传感器的信号，并反馈到判定电路。图4中所示的抽吸检测器140为上述所述的吸烟传感器。

判定电路1264与传感电路1262、激发电路1266和开关电路129连接。

判定电路与传感电路1262的输出端连接，通过比较接收的模式信号或内部产生的模式信号，或通过比较充电模式信号和吸烟模式信号来进行判定是在充电模式还是在吸烟模式。所述判定电路包括模式判定电路，通过所述模式判定电路来比较接收模式信号和参考模式信号，或者直接比较接收模式信号。模式判定电路将充电模式输出或吸烟模式输出的结果输出给判定电路1264。判定电路1264与开关电路129连接，并将开关电路129设置为第一导电模式或第二导电模式。当工作在吸烟模式时，判定电路1264将开关电路129设置为第一导电模式，以提供第一导电路径，使激发源沿第一方向从电池114经过开关电路129流向激发组件128。当处于充电模式时，判定电路1264将开关电路129设置为第二导电模式，以提供第二导电路径，使充电电源沿第二方向从外部电源经过开关电路129流向电池114。第二方向是电流充电方向，第一方向是与电流充电方向相反的电流放电方向。

在本实施例中，参考模式信号被设置为电池电压，并且接收模式信号的电压高于电池电压时，判定电路1264输出充电模式输出。

在吸烟模式时，判定电路1264通过参考接收到的空气流信号，从而判定是处于吸烟状态并输出吸烟状态输出，还是处于非吸烟状态并输出非吸烟状态输出。为了便于确定，判定电路包括吸烟状态判定电路，所述吸烟状态判定电路将接收到的空气流信号与参考阈值进行比较。当工作在吸烟模式时，所述控制电路126的判定电路1264在接收到与于启动条件相一致的空气流信号时，输出吸烟状态输出。判定电路将根据吸烟状态判定电路的输出结果来将设备设定在吸烟状态或非吸烟状态。在初始化时，判定电路1264被设置在非吸烟状态以减少无意启动或伪启动。

激发电路1266与判定电路1264的输出端、充电电路124的控制端和驱动电路122的控制端连接。当判定电路输出吸烟模式输出时，激发电路1266被设置为吸烟模式，驱动电路启用且充电电路禁用。当判定电路输出充电模式输出时，激发电路1266被设置为充电模式，充电电路启用且驱动电路禁用。

在吸烟模式时，判定电路1264输出吸烟状态输出，激发电路1266促使驱动电路122使用电池能量来产生激发信号，并通过开关电路129传递激发信号来驱动激发组件128。在吸烟模式时，如果没有检测到触发吸烟状态的启动条件，判定电路1264将继续输出非吸烟状态输出。

激发电路1266被设置为向驱动电路提供驱动指令，所述驱动指令包括放电电流的幅度、占空比、调制频率和其它操作参数等。所述驱动指令可以是单个预设驱动模式，或者是由控制电路选择的多个驱动模式，或者是根据检测到的吸烟特性设置合适的驱动模式。

在吸烟模式时，当控制电路126检测到启动条件时，驱动电路122利用抽吸检测器140作为前端空气流量传感器来产生驱动或激发信号来驱动激发组件128。在吸烟模式时，控制电路126与抽吸检测器140的输出端连接，用于接收来自抽吸检测器140的输出信号或输出数据。控制电路对接收到的信号或数据进行分析，然后判断信号或数据是否符合吸烟吸入。当判断的结果指出所接收的信号或数据符合吸烟事件时，接收的信号或数据被归类为启动信号，并且控制电路将驱动电路122设置为启动模式。在启动模式时，驱动电路122将发送激发信号以驱动激发组件128。当激发组件128接收到激发信号时，通过激发信号驱动激发组件128将激发组件128上的调味液体或调味物质转换成调味烟雾、蒸汽或气雾。所述调味烟雾、蒸气或气雾从调味源112沿着通道流到吸入孔116，然后被使用者吸入。

激发信号可以是脉冲的或者是连续的。在一些实施例中, 所述激发信号可以是从电池流到激发组件128的加热组件的电流。通过使用脉冲宽度调制（PWM），电流可以是恒定的或者是可变的。通过PWM来调整的激发信号，使控制电路改变或调整激发源。所述激发信号也可以是由驱动电路产生的高频雾化振动的加热电流，或者是所述加热电流的补充或替代。

激发信号可以是自适应的或者是非自适应的。自适应的激发信号是根据检测到的使用者的吸烟特性变化的信号。非自适的应激发信号是根据检测到的使用者的吸烟特性而不变的信号。非自适应的激发信号可以具有预设的可变工作模式或预设工作幅度。根据抽吸特性（诸如抽吸强度或抽吸持续时间）和根据个人偏好或要求（无论是预设还是后面制定），驱动电路产生相适应的激发源。典型的吸烟特征包括抽吸力度、抽吸频率、抽吸持续时间、抽吸功率的变化率和抽吸频率的变化率，而不失一般性。

当向调味源112的激发组件128施加激发信号时，调味物质形成调味烟雾、蒸气或气雾，然后被释放到通道117中。

加热电流或者雾化振动（无论是脉冲还是连续的）都是驱动调味源112的合适的激发信号。用于雾化调味源112的调味物质的雾化振动具有可操作改进调味物质的雾化的幅度和频率。所述雾化振动的频率低于100Hz或在超声波频率范围内。

激发组件128由加热组件或者雾化器组成，所述加热组件在吸烟模式时将激发信号转换成热量，所述雾化器（如网状振动器或超声波振动器）在吸烟模式时将脉冲或振荡信号转换成雾化振动。

调味源112设有一物质，所述物质在受到刺激时产生调味烟雾、蒸气或气雾。在本实施例中的电子烟，所述调味源可以是含有尼古丁的调味物质，或者是不含有尼古丁的调味物质，例如薄荷醇，精油或其它调味物质。所述调味物质可以是乙二醇类液体，例如为丙二醇（PG）、甘油（G）和聚乙二醇400（PEG400）的混合物或者为丙二醇（PG）和甘油（G）的混合物，含有或不含有尼古丁。

在本实施例中，第二模块150B是由抽吸检测器140，激发组件128和含有液体调味物质的容器130组成的模块化前端。调味物质含有或不含有尼古丁。所述模块化前端通常称为“雾化器”。

当外部充电电源应用在电子烟设备100的充电端口时，充电电路124促使电池进行充电。

参考图5所示的工作流程180，工作电路120在182通电时被初始化，然后在184执行模式检测和模式判定。当模式判定的结果为工作在充电模式时，充电电路124被激活，而驱动电路122失效或禁用。充电完成之后，工作电路在182通电时进行初始化。当模式判定的结果为工作在吸烟模式时，判定电路1264通过设置其输出来指示为非吸烟状态，并通过监视其吸烟检测输入端口，来确定在186处是否具有相对应于吸烟的启动条件。当在188处检测到启动条件时，判定电路1264将设为吸烟状态输出，并且控制电路126将开启驱动电路122，然后在190处驱动激发电路128以产生吸烟效果。在产生吸烟效果之后，工作电路将返回到模式检测工作184。如果在188没有检测到启动条件，则工作电路120将返回到186继续监测吸烟感应的输入执行。

模拟吸烟的启动条件为电子烟的通道117内具有气流状态，在吸入孔116处发生模拟吸烟。气流状态由模拟吸烟在吸入孔116处的吸入抽吸决定，所述吸入抽吸为吸烟的特征。所述吸入抽吸在持续时间阈值和在吸入方向上具有一定的气流速率阈值。在模拟吸烟条件下的启动信号通过传感器信号作为电子烟设备的启动条件。

所述电子烟设备的启动条件为通道117中具有气流，以及气流方向的气流速度超过阈值。气流方向是指空气入口孔118朝向吸入孔116的方向，或者是调味源112朝向吸入孔116的方向。启动条件为吸入持续时间超过吸入持续时间阈值。抽吸检测器140设置在电子烟设备内，用于检测流过电子烟设备的空气流状态，并且根据空气流状态产生不同的空气流状态信号。

如图1A所示，接触端口152A和154A用作模式检测端口、空气移动接收端口、激发信号输出端口和充电输入端口。当具有电特性的负载电耦合到第一模块150A的接触端口152A和154A时，则接触端口的电特性为充电。例如，当接触端口152A和154A处检测到充电电压为5V DC时，工作电路工作在充电模式。另一方面，在接触端口152A和154A处检测到激发组件有电特性，则工作电路工作在吸烟模式。例如，当激发组件是无源组件时，所示无源组件为电阻组件或者振荡器等，则对其无源阻抗特性的检测将可以确定工作电路进入吸烟模式。

当设备工作在吸烟模式时，接触端口152A和154A作为接收端口，用于接收抽吸检测器发送的空气移动信号，或者作为用于将激发信号传递到激发组件128的输出端口。当接触端口152A和154A作为信号接收端口时，接触端口处接收空气移动信号，并将其传送到控制电路用于分析和处理。当作为激发信号输出端口时，激发信号将经由开关电路129和接触端口152A和154A从驱动电路122发送到激发组件128。当设备处于充电模式时，接触端口152A和154A作为充电输入端口，以在充电工作期间接收充电电流。

如图3所示，电子烟设备在壳体上设有手动操作开关，使使用者能够切换选择充电模式或吸烟模式。

如果电子烟设备不是如图1A所示的为可拆卸模块形式，则在外壳上设置充电端口。判定模式电路包括区分电路，以在模式感应端口处检测和区分充电电源和激发电路或抽吸检测器，并且根据检测和区分的结果自动切换到充电模式或吸烟模式。

当检测端口处的负载被检测为具有充电电源特性或与充电电源相关联的电特性时，判定模式电路将电子烟设备设定在充电模式。当检测端口处的负载被检测为具有调味源、抽吸检测器的特性或与其相关联的电特性时，判定模式电路将电子烟设备设定在吸烟模式。

在本实施例中，判定模式电路包括区分电路，所述区分电路在模式检测端口处区分充电电源和激发电路128或抽吸检测器144。当在模式检测端口处检测到充电电源时，区分电路将产生充电模式标志，并且当在模式检测端口处检测到调味源或吸烟检测器时，区分电路产生发热模式标志。

在本实施例中，区分电路包括电压检测器，所述电压检测器用于检测模式检测端口的电压。当在模式检测端口检测到的电压对应于充电电源的电压时，区分电路产生充电模式标志。当在模式检测端口检测到的电压对应于激发电路或抽吸检测器的电压时，区分电路将产生发热模式标志。

为了工作在吸烟模式，第一模块和第二模块通过紧固配对件来紧固接合形成一体，并且通过配对的接触端口完成对应的电接触。当设备通电工作在吸烟模式时，控制电路126通过抽吸检测器140作为检测前端，用来监测通道内的气流状态，对通道内的气流状态进行连续监测。

当使用者使用电子烟雾设备模拟吸烟时，使用者在吸气孔处吸气。由于抽吸作用，使通道中产生空气流动。当空气流具有满足启动条件标准的方向和流速时，控制电路126将产生激发信号触发调味源。空气流是否具有满足启动条件标准的方向和流速，由判定电路参考抽吸检测器的信号输出来确定。启动条件是指具有吸烟者的抽吸特征，并且具有吸入方向和等于或超过流速阈值的流速的空气流。气流的持续时间可以用作附加的阈值标准，用于确定通道117中的空气流量是否符合作为启动条件。

在检测到启动条件时，控制电路产生启动信号，驱动电路接收启动信号并产生激发信号。激发电路接收到激发信号时，在通道内产生调味的烟气、蒸气或气雾，并且由使用者在吸气孔进行吸入。

当处于吸烟模式时，电源通过开关电路129从电池114到激发组件128，并且激发电流沿电池放电方向流动。激发电流在安培数量级范围内变动，这是因为需要激发信号以在吸烟吸入或抽吸结束之前的很短时间内产生调味气流。电子烟的典型激发电流在1-2安培的范围内。对于具有较大气流通道或具有较大容器的电子烟设备，例如在电子烟管或其他较大吸烟装置的情况下，激发电流可以更大。满幅激发电流的持续时间与通常为3-5秒抽吸时间相符。当然，满幅激发电流的持续时间可以更长，例如在5-10秒之间或更低，例如根据使用者偏好在1-3秒之间。

为了便于电池114的充电，第一模块150A与第二模块150B分离，将其在轴向自由末端的接触端口暴露出来。接触端口包括由第一壳体的金属壳限定的正极端口152A和参考端口154A。当参考端口154A在正极端口152A处检测到充电电压时，电子烟工作在充电模式。

如图1B所示，工作在充电模式，具有5V的输出电压的充电电源连接到第一模块150A。充电电源160为模块化形式，包括与第一模块150A的接触端口互补的充电接触端口。当充电电源与第一模块150A的接触端口152A具有电连接时，控制电路126对充电电压进行检测，并使电子烟设备工作在充电模式。充电模式被设置为4.2V，或其他适当的电压值，其中，高于电池的瞬时电压的充电电压有利于电池的充电。

当处于充电模式时，电功率通过开关电路129从充电电源160到电池114，并且充电电流沿与放电方向相反的充电方向流动。

电池的充电通常需要很长的时间段，并且充电电流的大小通常低于激发电流。充电电流的大小通常小于或等于在正常工作状态下全激发电流大小的50％。通常，充电电流小于或等于全激发电流大小的30％或40％，甚至低于20％或10％。

在如图6所示的工作电路120，模式检测电路、模式判定电路和模式切换电路被共同表示为一单个工作模块。工作模块的模式具有“CHRG”输出和“VPS”输出。在本实施例中，吸烟事件检测电路和吸烟状态判定电路1264A连接到被表示为可变电容器的抽吸检测器140的输出端。驱动电路包括控制逻辑驱动器和电平移位器，所述电平移位器通过缓冲器被配置为驱动半电桥，所述缓冲器设有两个串联的逆变器。。电平移位器用于将控制逻辑电源从VDD到VPS。半电桥包括P型MOSFET P1和N型MOSFET N1，所述P型MOSFET P1和N型MOSFETN1为串联连接，并在切换正电源VPS和地之间。半电桥的输出端连接到具有着导电端‘a’和‘b’的第一功率MOSFET PFET1的栅极输入端‘e’ 。PFET1的衬底端 ‘c’连接到控制电路的模式判定电路的输出端。电平移位器的输出端被分别连接到具有导电端 ‘f’和‘i’的第二功率MOSFET PFET2的栅极输入端‘g’。PFET2的衬底端‘h’也应连接到控制电路的模式判定电路的一个输出。提供栅极选择器件GS以便于选择性地激活PFET2。栅极选择器件GS包括第一控制部分GS1和第二控制部分GS2，如图6D和6E所示。第一控制部分GS1具有连接到电平移位器输出的输入节点G2，连接到CHRG信号线的第二输入节点和连接到PFET2的栅极端口‘g’的输出节点。第二控制部分GS2具有输入结点G1，所述结点G1连接到充电电路的多个操控结点，其中包含热检测控制模块的输出结点P和通过开关SW1连接到栅极端口‘g’的输出端口。当“CHRG”信号为LO（逻辑低）时，开关SW1打开，进入吸烟工作模式，并且禁用充电或充电电路，当“CHRG”信号为高时（逻辑高），启用充电电路，并禁用吸烟工作模式。

工作电路连接到电源轨V_DD。V_DD是电池114的输出电压，并且电池连接到工作电路的电池接触端口156。半电桥的电源是VPS，它在吸烟模式时由电池供电，在充电模式时由外部电源供电。当处于吸烟模式时，模式检测信号“CHRG”和开关电路被设置为LO，用于启动驱动电路和禁用充电电路。“CHRG”信号在逻辑上与“MODE”信号相反。

当工作在吸烟模式时，驱动电路通过控制辑驱动器和电平移位器以开关脉冲序列形式产生驱动信号。驱动电路的开关脉冲序列将连接到半电桥，用串联逆变器的输出来驱动PFET1的半电桥。相同的驱动电路的开关脉冲序列作为栅极选择装置部分GS1的另一半电桥，来同步驱动PFET2。在吸烟期间，PFET1和PFET同时被驱动，将激发信号从电池传递到激发组件128。当工作在吸烟状态时，激发源从电池接触端口或V_DD端口156经由MOSFET组件的PFET1和PFET2二者形成的传导路径流到OUT端口158，如图6A所示。当处于吸烟模式时，开关SW1断开，将PFET 2的栅极端口‘g’与充电电路断开。

当处于吸烟模式时，驱动电路用于传递开关调制信号（例如PWM信号）来驱动两个半电桥和通过 PFET1和PFET2组成的功率MOSFET组件在输出端口158处输出激发信号。功率MOSFET组件包括并联的功率MOSFET PFET1和PFET2，所述并联的功率MOSFET PFET1和PFET2是用于将激发源从电池传递到输出端口158的电流传导路径。

充电电路包括热检测和控制电路，基准电压和电流电路，恒定电压充电模式控制，恒定电流充电模式控制，通过第一反馈路径fb1将第一反馈网络的电压反馈到恒压充电控制电路，通过第二反馈路径fb2将第二反馈网络的电流反馈到恒流充电控制电路以及连接到电流检测场效应管FET的电流检测网络。热检测和控制电路是用于防止充电电路模块在充电期间过热。基准电压和电流电路为充电电路提供基准和偏置。当电池电压低（通常<4.1V）时，恒流充电被初始化，恒流充电模式控制电路为电池充电提供恒定充电电流。反馈网络fb2通过PFET作为电流传感器来检测充电电流。当电池几乎充满电时，进行恒压充电，并且恒压充电模式控制电路将管理电池充电到达充满电压（通常为4.2V，一些可能需要充电至4.3V）。恒压充电模式期间，通过反馈网络1 fb1监测充电电流。当处于电池充电模式时，模式检测和切换电路的输出“CHRG”被设置为禁用驱动电路并且充电电路开始进行充电，通过连接到端口156的外部充电电源。当处于充电模式时，栅极选择器件GS的第一控制部分GS1被禁用，使得栅极选择器件的半的桥输出悬空，并且第二控制部分GS2的开关SW1闭合以将栅极 PFET 2的端口‘g'连接到充电电路，并与驱动电路隔离。

当在充电时，充电电流从OUT端口158流入到电池接触端口156，然后只经过PFET2流入电池114，如图6B所示。

电子烟设备的吸烟模式和充电模式如图6C所示。首先，来自抽吸检测器的空气移动信号在检测电路处理之后作为电容值被接收。此时，没有电流流过PFET1或PFET2，并且CHRG信号处于低或0V，工作在吸烟模式。当检测到启动条件时，电子烟设备或处理电路进入吸烟模式或吸烟状态。当处于吸烟状态时，激发电流流过PFET1并流出节点‘a'到达端口158，然后驱动激发组件128。PFET2的节点‘f'处的电流与PFET1的节点‘a'处的电流同步。当在随后的时间内没有检测到启动条件时，电子烟设备或处理电路将返回到非吸烟状态或待机模式。在多次循环模拟吸烟的期间，电池电压V_DD以平缓的、连续的方式下降。当电池电压下降到低电压时，电池需要充电。此时，第二模块150B将与第一模块150A分离。当充电电源连接到接触端口152A，154A时，工作电路检测到充电电源的充电电压时，工作电路切换到充电模式并执行充电操作，充电模式如图6C所示。栅极选择器件的功能在图6D中示出，并且在图6E中更详细地示出。

图7所示的是另一实施例中的设备500，所述设备500参考图3，抽吸检测器被开关140A替换，所示开关140A连接到工作电路200的控制逻辑和驱动上。在开启开关140A时，设备500进入吸烟模式，并通过向激发组件发送激发功率来产生香味烟雾。此时，开启信号（开关按压）从高（例如V_DD）变为低，如图7A所示。当开关140A没被开启时，开启信号（开关按压）从低变为高。当充电电源连接到OUT引脚时，OUT引脚将被上拉到4.5至5V，设备工作在充电模式。

在如图8所示的工作电路的集成电路布局中，PFET1具有约216,000μm的面积，PFET2具有约79,800μm的面积。PFET1和PFET2占的总面积约为295,800μm。在另一实施例中，PFET1具有约295,800μm的芯片面积以提供较大的额定电流，而PFET2具有约79,800μm的芯片面积。PFET1和PFET2的总面积约为375,600μm。通过选择使用PFET2作为放电路径（或第一开关导电路径）的一部分或充电路径（或第二开关导电路径），用于充电的导电路径面积也可以用作放电路径的一部分，从而大大节省了衬底面积并提高了芯片利用效率。

较大的PFET2芯片面积在充电和放电模式工作期间能提供较强的电流处理能力，这对于需要300-500mA的充电电流的“EGO”型的电子烟设备是非常有利的。这样的充电电流比电子烟的充电电流高3-5倍，并且提高了半导体芯片面积利用效率。

放电路径和充电路径的电流处理能力由电阻或导电路径上的内部电阻决定。PFET和PFET2的衬底面积以及它们的相对面积可以根据电流处理需求而定，而不失一般性。

例如，电池电压为约3.8V时，将1A的激发电流传递到电阻发热丝组件上需要具有0.15 Ohm开启电阻

的MOSFET，PMOSFET工作在线性区，以通过传导端口传递导电电流。所示导电电流是PMOSFET的漏极电流

，并且PMOSFET漏极电流具有以下关系：

, 其中

，

是PMOSFET的沟道长度,

是PMOSFET的总沟道宽度，

是电荷载流子有效迁移率，

是单位面积的栅极氧化物电容，

是导通期间PMOSFET的漏极和源极之间的电压，

是导通期间MOSFET的栅极和源极之间的电压，

是PMOSFET阈值电压。

所以有，

，其中

在本实施例中是1A。

如图6和图7所示，MOSFET的漏极端口与输出节点258连接，并且源极端口与电池节点256连接。

假设

≈ 0.15V，

，

=1V，

= 电池电压=3.8V ，当完全开启时，

。

假设使用最小通道长度

=0.5um计算，总的

等于130,000μm。如果选择80μm的单条宽度W，则形成如图8A所示的MOSFET，它所需的条数将为1625。单条累积长度（总长度）如下：

总长度=金属接触长度+扩散长度+沟道长度。

假设金属接触长度为0.5μm，横向扩散长度为0.2um，则总扩散长度为0.4μm，单条的总长度为1.4μm（0.5+0.4+0.5）。横向扩散长度是从沟道左右扩展的。因此，每条具有1.4×80um^2的面积，并且总MOSFET面积为

1.4×80×1625=182,000um^2。

当激发源被驱动到高的情况下，将增加额外的衬底接触，并且将为每十条添加栅极连接作为典型示例。在这种情况下，考虑到额外的衬底接触和金属密度，总面积约为295,800um^2。

当工作在充电模式时，MOSFET工作在饱和区，恒流充电模式的栅极电压约为2.9V。所示栅极电压通过具有电流检测模块的闭环反馈系统来进行调节，用于监测电流流动，从而保持例如具有5V的电源电压和380mA的充电电流。

当工作在充电模式时，MOSFET的源极端口与电源的节点连接，漏极与电池的节点连接。在饱和区，

，其中

是恒流充电模式下的漏极电流，等于充电电流380mA，

是沟道长度调制系数，

是过驱动电压。如果忽略这些参数，

，

=5V-2.9V=2.1V。

，

=1V，

=60,000。使用

，

= 30,000um。使用单条=80um，条数=375。总面积= 1.4*80*375= 42,000um^2。由于驱动是高功率，可以增加大量的衬底接触，并且每十条间应添加栅极连接。包括衬底接触和金属密度，总面积约79,800um^2。

通过选择性使用面积为295,800um^2的MOSFET中的79,800um^2的部分面积进行放电，面积为295,800um^2的MOSFET足以用于该设备的充电和放电操作。

虽然本公开已经将各个参考如示例描述，但是这些示例不限制本次公开的适用范围。

Claims

1.电子烟设备及其电路，包括控制电路、驱动电路、充电电路、激发组件、调味源和电池，所述电子烟设备可工作在吸烟模式或充电模式；当电子烟设备工作在吸烟模式时，激发信号通过第一开关导电路径并沿第一导电方向从电池流向激发组件，当电子烟设备工作在充电模式时，充电电流通过第二开关导电路径并沿第二导电方向从外部充电电源流向电池，第二导电方向与第一导电方向相反；并且第二开关导电路径为第一开关导电路径的一部分；

第一开关导电路径包括第二开关导电路径和第三开关导电路径，第二开关导电路径与第三开关导电路径之间可独立进行切换；

第三开关导电路径通过来自第一驱动信号路径的切换信号在第一导电状态和第二导电状态之间进行切换，第二开关导电路径通过来自第二驱动信号路径的切换信号在第一导通状态和第二导通状态之间进行切换；第二驱动信号路径为第一驱动信号路径的分支，并且可切换至与第一驱动信号路径电隔离。

2.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，工作电路包括控制电路、驱动电路和充电电路，工作电路可工作在吸烟模式或充电模式；当工作电路工作在吸烟模式时，激发信号通过第一开关导电路径并沿第一导电方向从第一端口（156）流向第二端口（158），当工作电路工作在充电模式时，充电电流通过第二开关导电路径并沿第二导电方向从第二端口（158）开关导电流向第一端口（156），第二导电方向与第一导电方向相反；并且第二开关导电路径为第一开关导电路径的一部分。

3.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，所述第一开关导电路径在对应于高导电状态的第一导电状态和对应于低导电状态或非导电状态的第二导电状态之间进行切换；在吸烟操作期间，控制电路通过产生信号使第一开关导电路径的导电状态进行反复切换开关导电，用于调制激发信号。

4.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，第二开关导电路径可在第一导电方向和第二导电方向之间进行切换。

5.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，第二开关导电路径的导电方向与第三开关导电路径的导电方向可独立进行切换。

6.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，工作在吸烟模式时，第二驱动信号路径被切换为与第一驱动信号路径连接，工作在充电模式时，第二驱动信号路径被切换为与第一驱动信号路径隔离。

7.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，第三开关导电路径的导电状态通过在其控制端口处施加控制信号来进行切换，第一驱动信号路径将驱动电路连接到控制端口；其中，第一驱动信号路径包括半电桥，所述半电桥设有一个输入和一个输出，所述输入通过开关缓冲器与驱动电路连接，所述输出与控制端口连接。

8.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，第二开关导电路径的导通状态通过在其第二控制端口处施加控制信号来进行切换，第二驱动信号路径将驱动电路连接到第二控制端口；其中，第二驱动信号路径包括半电桥，所述半电桥设有一个输入和一个输出，所述输入通过开关缓冲器与驱动电路连接，所述输出与控制端口连接。

9.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，第一驱动信号路径和第二驱动信号路径与所述驱动电路隔离，当工作在充电模式时，第二开关导电路径的控制端口与充电电路连接，使电池进行充电。

10.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，当工作在吸烟模式时，第一开关导电路径通过驱动电路的切换信号切换到导电状态；当工作在充电模式时，第二开关导电路径与驱动电路或切换信号隔离。

11.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，工作电路由集成电路、第一端口（156）和第二端口（158）组成，所述第一端口（156）和第二端口（158）为与外部设备连接的集成电路的接触端口；第一开关导电路径和第二开关导通路径为集成在同一个半导体衬底上的开关电路，所述开关电路比控制电路、驱动电路和充电电路的总和占用更多的面积。

12.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，第一开关导电路径和第二开关导电路径通过模式开关电路进行切换，模式开关电路整体形成在单个半导体衬底上。

13.根据权利要求1所述的电子烟设备及其电路，第一开关导电路径是第一组功率管MOSFET，为PFET1，PFET2的一个电流导电路径，第二开关导电路径是第二组功率管MOSFET，为PFET2的一个电流导电路径，第一组功率管MOSFET整体形成在单个半导体的衬底上。

14.根据权利要求13所述的电子烟设备及其电路，被定义为PFET1的第一开关导电路径和被定义为PFET2的第一开关导电路径相邻设置在半导体的衬底上。

15.根据权利要求1-14中任一所述的电子烟设备及其电路，第二开关导电路径占的衬底面积是第三开关导电路径占的衬底面积的第一百分比，第一百分比小于90％或小于80％或小于70％或小于60％或小于50％或小于40％或小于30％或小于20％或小于10％。

16.根据权利要求1-14中任一所述的电子烟设备及其电路，第三开关导电路径占的衬底面积是第二开关导电路径占的衬底面积的第二百分比，所述第二百分比小于90％或小于80％或小于70％或小于60％或小于50％或小于40％或小于30％或小于20％或小于10％。