CN110536617A - 用于在电加热气溶胶生成装置中的温度控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于气溶胶生成装置(2)的控制单元(1)，气溶胶生成装置(2)包括：电阻加热器(3)和电池(4)，其中，所述电池(4)被配置成生成电池电压(Vbat)；其中，所述控制单元(1)包括：DC/DC转换器(11)，所述DC/DC转换器被布置成从所述电池接收所述电池电压(Vbat)作为输入，并将输出电压(Vheater)输出到所述电阻加热器(3)；微控制器(12)，所述微控制器被配置成基于所述电阻加热器(3)的预定温度分布控制所述DC/DC转换器(11)以调节所述输出电压。使用DC/DC转换器调节施加到电阻加热器的DC电压相比单独使用脉宽调制(PWM)具有显著优势，尤其是在电阻加热器的质量低时。

Description

用于在电加热气溶胶生成装置中的温度控制的系统和方法
技术领域
本发明涉及加热式气溶胶生成装置，并且具体涉及在电池供电气溶胶生成装置内的加热器的温度控制。
背景技术
通常，在加热式电池供电气溶胶生成装置中，电阻加热元件用于加热气溶胶形成基质。气溶胶形成基质包括被电阻加热元件汽化然后冷却以形成气溶胶的一种或多种挥发性化合物。电阻加热元件的温度在确定产生的气溶胶的数量和质量时起着重要作用。因此，在此类装置中需要提供对装置内的加热元件的温度控制。
此外，期望能够控制加热元件的温度以随着时间的推移而遵循特定的温度分布。气溶胶形成基质的条件变化以及通过装置的气流变化可意味着只控制加热元件以处于单个目标温度并不会提供最佳结果。
通常，供应到一个或若干加热元件的电压的脉宽调制(PWM)用于控制加热元件的温度。这对加热元件温度提供简单且高度反应式控制。但是，使用脉宽调制作为温度控制的唯一方法有许多局限性。希望提供一种用于控制气溶胶生成系统内的加热元件的温度的替代方法和系统。
发明内容
在本发明的第一方面，提供了一种用于气溶胶生成装置的控制单元，所述气溶胶生成装置包括用于加热气溶胶形成基质的电阻加热器和电池，其中，所述电池被配置成生成电池电压，其中，所述控制单元包括：
DC/DC转换器，所述DC/DC转换器被布置成从所述电池接收所述电池电压作为输入，并将输出电压输出到所述电阻加热器；以及
微控制器，所述微控制器被配置成基于所述电阻加热器的预定温度分布控制所述DC/DC转换器以调节所述输出电压。
使用DC/DC转换器调节施加到电阻加热器的DC电压相比单独使用脉宽调制(PWM)具有显著优势，尤其是在电阻加热器的质量低时。虽然PWM控制实施起来相对简单、低廉，并且是高反应性的，但是，如果电阻加热器结构的质量不足以有效平均在接通周期和关闭周期之间的温度，则PWM控制会存在电阻加热器将在接通周期过热的风险。不期望仅增加PWM频率来缓解此问题，因为当PWM频率变得太高时，装置的效率会降低。类似地，通过在一个或若干电阻加热器元件与气溶胶形成基质之间并入大的热传递结构来增加加热器结构的质量以减少气溶胶形成基质处的温度峰值会带来其自身的问题。如果加热器结构的质量过大，加热器加热至所需的操作温度会花费太长的时间。
因此，在PWM控制参数和电阻加热器结构之间找到恰当的平衡可能非常困难。使用PWM控制实际上限制了加热器结构的设计自由度。
相比之下，使用DC/DC转换器根据目标温度分布控制施加到电阻加热器的电压允许在加热器设计中有更大的灵活性，尤其允许低的加热器质量。
当与在较冷时电阻较低的电阻加热器一起使用时，PWM控制会出现另一个问题。PWM意味着在接通周期中，递送全电池电压。在低温下，当第一次接通装置时，加热器电阻较低，所以电流很高，电池可能无法递送，尤其是当电池过冷时。这可能导致装置完全失效。
使用DC/DC转换器可控制整个加热器的电压，并因此控制从电池汲取的最大电流。
如本文所使用，术语DC/DC转换器意指电子电路或机电装置，其将直流(DC)电源从一个电压电平转换为另一电压电平。DC/DC转换器可以是例如降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器。DC/DC转换器可包括多于一个功率转换器级。有利地，DC/DC转换器为可编程DC/DC转换器。
控制单元还可包括连接在所述微控制器与所述DC/DC转换器之间的数字电位器。所述数字电位器可用于设置来自所述DC/DC转换器的输出电压。所述数字电位器可以是可编程的。
控制单元还可包括存储预定温度分布或电阻分布的非易失性存储器。预定温度或电压分布可以存储在查询表中。存储器可以存储将加热器或DC/DC转换器的参数彼此相关联的另外的查询表或例程。
有利地，所述微控制器被配置成基于所述电阻加热器的测量或计算的电阻或温度控制所述DC/DC转换器。在一个实施例中，所述电阻加热器具有取决于其温度的电阻。在这种情况下，所述微控制器可被配置成基于所述电阻加热器的计算电阻控制所述DC/DC转换器。所述控制单元可被配置成从电压和电流测量值计算电阻加热器的电阻。
在另一实施例中，所述控制单元可包括连接到所述微控制器并邻近所述电阻加热器定位的温度传感器。在这种情况下，所述微控制器可被配置成基于来自温度传感器的信号控制所述DC/DC转换器。
所述微控制器可被配置成运行闭环控制方案。所述闭环控制方案可以作为所述微控制器的固件中的例程实现。闭环控制方案可以适用于如在连续加热的气溶胶生成系统中所需的在相对长的时段上，例如几分钟控制加热器温度。闭环控制方案可以被布置成控制DC/DC转换器以朝目标温度调节电阻加热器的温度。目标温度可以根据存储的目标温度分布随时间变化。目标温度分布可以基于电阻加热器的电阻的温度系数转换成目标电阻分布。控制单元可以在非易失性存储器中存储目标电阻分布，或者可以从存储在非易失性存储器中的目标温度分布生成目标电阻分布。
所述微控制器可被配置成作为比例积分微分(PID)控制器运行，以便以闭环控制方案将电阻加热器的温度朝目标温度调节。替代地，所述微控制器可被配置成使用预测逻辑以闭环控制方案将电阻加热器的温度朝目标温度调节。
替代地，所述微控制器可被配置成运行开环控制方案。在这种情况下，所述控制单元可以存储所述DC/DC转换器的控制值输入的目标分布。控制值可以确定DC/DC转换器的Vheater输出的水平。所述微控制器可被配置成根据控制值的目标分布给所述DC/DC转换器提供控制值。开环控制方案可以适用于在加热器仅在用户抽吸期间被供应功率的抽吸致动的气溶胶生成系统中，控制电阻加热器相对短时间段，例如几秒钟。
所述微控制器可以另外被配置成通过控制与所述电阻加热器和所述DC/DC转换器串联连接的开关的操作来调节从所述DC/DC转换器供应到所述电阻加热器的平均电流。所述微控制器可被配置成使用开关的脉宽调制控制。因此，除了使用DC/DC转换器控制以外，所述微控制器可被配置成运行PWM控制方案。可以使用DC/DC转换器进行主要温度控制，因为它提供更快的响应，并且PWM控制方案可以用来微调温度。
所述微控制器可被配置成监测通过所述电阻加热器的电流，并且控制所述DC/DC转换器以确保通过所述电阻加热器的电流不超过最大电流阈值。这防止电池过载，电池过载可能导致装置失效。
所述微控制器可以控制所述DC/DC转换器，以确保所述电池电压维持在或高于最小电池电压。最小电池电压可以是在装置内的特定一个或若干部件(例如微控制器)操作所需的最小电压。这确保部件(尤其是微控制器)始终能够运行。
替代地或此外，所述装置可包括微控制器的第二电压供应。第二电压供应可以是第二电池，或者可以是连接在电池与微控制器之间的电压调节器，诸如第二DC/DC转换器或线性压差稳压器(LDO)。这可以用于确保微控制器和其他电子部件接收最小所需电压。
所述微控制器可以是任何合适的微控制器，但优选是可编程的。
在本发明的第二方面，提供了一种用于生成可吸入气溶胶的气溶胶生成装置，所述装置包括：
电加热器，其用于加热气溶胶形成基质；
电池，其中，所述电池被配置成生成电池电压，以及
根据本发明的第一方面的控制单元。
气溶胶生成装置可配置成接收气溶胶形成基质。
电阻加热器可包括电阻材料。合适的电阻材料包括但不限于：半导体例如掺杂陶瓷、电“传导”陶瓷(例如二硅化钼)、碳、石墨、金属、金属合金以及由陶瓷材料和金属材料制成的复合材料。此类复合材料可包括掺杂或无掺杂的陶瓷。合适的掺杂陶瓷的例子包括掺杂碳化硅。合适的金属的实例包含钛、锆、钽、铂、金及银。合适的金属合金的实例包含含不锈钢、含镍合金、含钴合金、含铬合金、含铝合金、含钛合金、含锆合金、含铪合金、含铌合金、含钼合金、含钽合金、含钨合金、含锡合金、含镓合金、含锰合金、含金合金、含铁合金以及以镍、铁、钴、不锈钢、及铁-锰-铝合金为主的超合金。在复合材料中，电阻材料可任选嵌入绝缘材料中，由绝缘材料封装或由绝缘材料涂布或者反之亦然，取决于能量转移的动力学和所需外部理化性质。
气溶胶生成装置可包括内部电阻加热器或外部电阻加热器，或内部电阻加热器和外部电阻加热器两者，其中“内部”和“外部”是参照气溶胶形成基质。内部电阻加热器可采取任一合适形式。举例来说，内部电阻加热器可采取加热叶片的形式。或者，内部电阻加热器可采取具有不同导电部分的套管或衬底，或电阻式金属管形式。或者，内部电阻加热器可以是贯穿气溶胶形成基质中心的一个或多个加热针或条。其它替代物包括电热线或丝，例如，Ni-Cr(镍-铬)、白金、钨或合金线或加热板。视需要，可将内部电阻加热器沉积在硬质载体材料内或其上。在一个此类实施例中，电阻加热器可使用温度与电阻率之间具有定义关系的金属形成。在此类示例性装置中，金属可在合适的绝缘材料(例如，陶瓷材料)上形成为迹线，然后夹在另一绝缘材料(例如，玻璃)中。以此方式形成的加热器可用于加热和监控加热元件在操作期间的温度。
外部电阻加热器可采取任一合适形式。举例来说，外部电阻加热器可采取位于例如聚酰亚胺的介电质衬底上的一个或多个柔性加热箔形式。可使此类柔性加热箔成形，以与基板接纳空腔的周边一致。替代地，外部加热元件可采用金属网格、柔性印刷电路板、模制互连装置(MID)、陶瓷加热器、柔性碳纤维加热器的形式，或可使用涂层技术(例如，等离子体气相沉积)形成于合适的成形基板上。还可以使用其他技术，例如蒸发、化学蚀刻、激光蚀刻、丝印印刷、凹版印刷和喷墨印刷来形成加热器。外部电阻加热器也可使用温度与电阻率之间具有定义关系的金属来形成。在此类示例性装置中，金属可在两层合适绝缘材料之间形成为迹线。以此方式形成的外部电阻加热器可用于加热且监测外部加热元件在操作期间的温度。
电阻加热器有利地借助于传导来加热气溶胶形成基质。电阻加热器可以至少部分地与基质或其上沉积基质的载体接触。或者，来自内部或外部加热器的热量可借助于导热元件传导到基质。
电阻加热器可以具有在0.1g与0.5g之间，并且更优选地在0.15g至0.25g之间的质量。所述电池可为可再充电电池。所述电池可以是锂离子电池，例如，锂-钴、磷酸锂铁、钛酸锂或锂聚合物电池。或者，所述电池可以是另一形式的可充电电池，例如镍金属氢化电池或镍镉电池。
所述微控制器可被配置成将电流从所述DC/DC转换器连续地供应到所述电阻加热器持续超过5秒的时段。所述微控制器可被配置成基于在激活装置之后随时间变化的目标温度分布来控制所述DC/DC转换器。
如本文中所使用，术语“气溶胶生成装置”涉及一种与气溶胶形成基质相互作用以生成气溶胶的装置。气溶胶形成基质可以是气溶胶生成制品的部分。气溶胶生成装置可以是与气溶胶生成制品的气溶胶形成基质相互作用以生成可通过用户的嘴直接吸入到用户的肺中的气溶胶的装置。气溶胶形成基质可全部或部分地含于装置内。
气溶胶形成基质可为固体气溶胶形成基质。或者，气溶胶形成基质可以是液体或可包括固体和液体组分两者。气溶胶形成基质可包括含烟草材料，所述含烟草材料含有加热后从基质释放的挥发性烟草香味化合物。此外，气溶胶形成基质可包括非烟草材料。气溶胶形成基质还可包括气溶胶形成剂。合适的气溶胶形成剂的例子是甘油和丙二醇。
如果气溶胶形成基质是固体气溶胶形成基质，那么固体气溶胶形成基质可包括(例如)以下各者中的一个或多个：粉末、颗粒、小球、碎片、通心管、条或片材，所述片材含有草本植物叶、烟叶、烟草肋料、再造烟草、均质烟草、挤出烟草、落叶烟草和膨胀烟草中的一个或多个。固体气溶胶形成基质可呈松散形式，或可提供于合适的容器或筒中。任选地，固体气溶胶形成基质可含有在基质加热后释放的额外烟草或非烟草挥发性香味化合物。固体气溶胶形成基质也可含有胶囊，例如胶囊包含额外烟草或非烟草挥发性香味化合物，且此类胶囊可在固体气溶胶形成基质加热期间熔化。
视情况地，固体气溶胶形成基质可以设置在热稳定载体上或嵌入在热稳定载体中。载体可采取粉末、颗粒、小球、碎片、通心管、条或片材的形式。此外，载体可为管状载体，其内表面、或外表面、或内外表面两者上沉积有固体基质薄层。此类管状载体可由例如纸、或纸状材料、非织造碳纤维垫、低质量开网金属丝网、或穿孔金属箔或任何其他热稳定的聚合物基质形成。
固体气溶胶形成基质可以(例如)片材、泡沬、胶或浆的形式沉积在载体的表面上。固体气溶胶形成基质可以放置在载体的整个表面上，或可替代地，可以放置成图案以便在使用期间提供不均匀的香味递送。
虽然上文参考了固体气溶胶形成基质，但是所属领域的一般技术人员将清楚知道，可将气溶胶形成基质的其它形式用于其它实施例。例如，气溶胶形成基质可为液体气溶胶形成基质。如果提供液体气溶胶形成基质，那么气溶胶生成装置优选地包括用于留住液体的装置。例如，可在容器中留住液体气溶胶形成基质。替代地或另外，液体气溶胶形成基质可被吸入多孔载体材料中。多孔载体材料可由任何合适的吸收塞或吸收体形成，例如，发泡金属或塑料材料、聚丙烯、聚酯纤维、尼龙纤维或陶瓷。在使用气溶胶生成装置前，可将液体气溶胶形成基质留在多孔载体材料中，或者，可在使用期间或使用前立即将液体气溶胶形成基质材料释放到多孔载体材料中。例如，可将液体气溶胶形成基质设置在胶囊中。胶囊外壳优选地在加热后熔化并将液体气溶胶形成基质释放到多孔载体材料中。该胶囊可以可选择地包含与液体相结合的固体。替代地，载体可为已包括有烟草成分的无纺布或纤维束。非织造织物或纤维束可包含例如碳纤维、天然纤维素纤维或纤维素衍生物纤维。
在操作期间，气溶胶形成基质可完全含于气溶胶生成装置内。在此情况下，用户可用气溶胶生成装置的烟嘴进行抽吸。或者，在操作期间，含有气溶胶形成基质的气溶胶形成制品可部分地含于气溶胶生成装置内。在所述状况下，用户可直接用气溶胶形成制品抽吸。
气溶胶形成制品的形状可基本上为圆柱形的。气溶胶形成制品可以是基本上伸长的。气溶胶形成制品可具有某一长度和基本上垂直于所述长度的圆周。气溶胶形成基质可以是大体上圆柱形的形状。气溶胶形成基质可以是大体上细长的。气溶胶形成基质也可具有长度和大体上垂直于所述长度的外周。
气溶胶形成制品的总长度可在大约30mm与大约100mm之间。气溶胶形成制品可具有在大约5mm与大约12mm之间的外径。气溶胶形成制品可包括过滤器塞。过滤器塞可位于气溶胶形成制品的下游端处。过滤器塞可为酯酸纤维素过滤器塞。过滤器塞长度在一个实施例中为约7mm，但可具有约5mm到约10mm之间的长度。
在一个实施例中，气溶胶形成制品的总长度约为45mm。气溶胶形成制品可具有大约7.2mm的外径。另外，气溶胶形成基质的长度可为约10mm。替代地，气溶胶形成基质可具有约12毫米的长度。另外，气溶胶形成基质的直径可在约5mm与约12mm之间。气溶胶形成制品可包括外包装纸。此外，气溶胶形成制品可包括气溶胶形成基质与过滤器塞之间的分隔物。间隔可为约18mm，但是可在约5mm到约25mm之范围内。
装置优选的是能够舒适地拿在单只手的手指之间的便携式或手持型装置。装置可为基本上圆柱形的形状，并具有在70与200mm之间的长度。装置的最大直径优选的是在10和30mm之间。在一个实施例中，装置具有多边形横截面且具有形成于一个面上的突出按钮。在此实施例中，装置从一个平坦面到相对平坦面的直径在12.7与13.65mm之间；从边缘到相对边缘(即，从装置的一侧上的两个面的相交点到另一侧上的对应相交点)的直径在13.4与14.2之间，及从按钮的顶部到相对底部平坦面的直径在14.2与15mm之间。
在本发明的第三方面，提供了一种控制气溶胶生成装置的方法，所述气溶胶生成装置包括：电阻加热器；电池，其中，所述电池被配置成生成电池电压；以及控制单元，所述控制单元包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器被布置成从所述电池接收所述电池电压作为输入，并将输出电压输出到所述电阻加热器，所述方法包括：
基于所述电阻加热器的预定温度分布控制所述DC/DC转换器以调节所述输出电压。
有利地，所述方法可包括基于所述电阻加热器的测量或计算的电阻或温度控制所述DC/DC转换器。在一个实施例中，所述电阻加热器具有取决于其温度的电阻。在这种情况下，所述方法可包括基于电阻加热器的计算电阻控制所述DC/DC转换器。所述方法还可包括从电压和电流测量值计算电阻加热器的电阻。
所述方法可包括运行闭环控制方案。所述闭环控制方案可以作为微控制器的固件中的例程实现。闭环控制方案可以适用于如在连续加热的气溶胶生成系统中所需的在几分钟的相对长的时段上控制加热器温度。闭环控制方案可以被布置成控制DC/DC转换器以朝目标温度调节电阻加热器的温度。目标温度可以根据存储的目标温度分布随时间变化。目标温度分布可以基于电阻加热器的电阻的温度系数转换成目标电阻分布。
所述方法可包括操作比例积分微分(PID)控制器，以便以闭环控制方案将电阻加热器的温度朝目标温度调节。替代地，所述方法可以包括使用预测逻辑以闭环控制方案将电阻加热器的温度朝目标温度调节。
替代地，所述方法可包括运行开环控制方案。开环控制方案可以适用于在例如加热器仅在用户抽吸期间被供应功率的抽吸致动的气溶胶生成系统中，控制电阻加热器相对短时间段。
所述方法另外可包括通过控制与所述电阻加热器和所述DC/DC转换器串联连接的开关的操作来调节从所述DC/DC转换器供应到所述电阻加热器的平均电流。所述方法可以包括操作开关以提供供应至电阻加热器的电流的脉宽调制。此技术可用于提供对DC/DC转换器提供的电压控制进行微调。
所述方法可包括监测通过所述电阻加热器的电流，并且控制所述DC/DC转换器以确保通过所述电阻加热器的电流不超过最大电流阈值。这防止电池过载，电池过载可能导致装置失效。
所述方法可包括控制所述DC/DC转换器，以确保所述电池电压维持在或高于最小电池电压。最小电池电压可以是在装置内的特定一个或若干部件(例如微控制器)操作所需的最小电压。替代地或此外，所述方法可包括操作所述微控制器的第二电压供应。第二电压供应可以是第二电池，或者可以是连接在电池与微控制器之间的电压调节器，诸如第二DC/DC转换器或低压差稳压器(LDO)。
在本发明的第四方面，提供了一种计算机程序，其在电操作气溶胶生成装置的控制单元中的可编程电路上运行，所述气溶胶生成装置包括：电阻加热器；电池，其中，所述电池被配置成生成电池电压；以及控制单元，所述控制单元包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器被布置成从所述电池接收所述电池电压作为输入，并将输出电压输出到所述电阻加热器，使得所述可编程电路执行根据本发明的第三方面的方法。
虽然已通过参考不同方面来描述本公开，但是应清楚，关于本公开的一个方面描述的特征可适用于本公开的其他方面。具体地，关于本发明的第一方面所描述的各方面可以应用于本发明的第二和第三方面。
附图说明
现将参看附图详细描述本发明的实例，其中：
图1是根据本发明的实施例的装置的示意性说明；
图2是图示参与控制加热器温度的装置部件的示意图；
图3图示了电阻加热器的示例温度分布以及对应的电阻和生成的电压分布；
图4图示了用于加热器电压的基于PID的控制回路；
图5图示了针对加热器电压使用预测逻辑的控制回路；和
图6图示了用于电阻加热器的另一示例温度分布和对应的电压分布，其适用于仅在用户吸入期间激活加热器的装置。
具体实施方式
在图1中，电加热气溶胶生成装置1的实施例的部件按简化方式示出。电加热气溶胶生成装置1的元件在图1中并非按比例绘制。已省略与理解此实施例无关的元件，以简化图1。
电加热气溶胶生成装置1包括壳体10和例如气溶胶形成制品(例如香烟)的气溶胶形成基质12。气溶胶形成基质12被推送到壳体10内部以与加热器4热接近。在此实例中，加热器是延伸到气溶胶形成基质中的叶片。气溶胶形成基质12将在不同温度下释放一系列挥发性化合物。通过将加热器的操作温度控制成低于挥发性化合物中的一些的释放温度，可避免这些烟雾成分的释放或形成。通常，气溶胶形成基质被加热到在摄氏170与450度之间的温度。在一个实施例中，气溶胶形成基质被加热到在摄氏170与250度之间，优选地在摄氏180与240度之间的温度。在另一个实施例中，气溶胶形成基质被加热到在摄氏240与450度之间，优选地在摄氏250与350度之间的温度。在壳体10内，有电池2，例如可充电锂离子电池。控制单元3连接到加热元件4、电池2和用户接口6，例如按钮或显示器。举例来说，EP2800486中描述此类型的系统。
控制单元3控制供应给加热元件4的电力，以便调节其温度。可能需要在装置的单次使用过程中改变温度。在一个示例中，期望在激活装置后立即快速地增加温度，以最大限度地减少可供第一次抽吸所花的时间，然后降低加热器的温度，使得接下来的几次抽吸基质保持在恒温。然后可能期望增加加热器的温度，因为气溶胶形成基质已耗尽，以便确保充足的气溶胶仍然传递到用户。WO2014/102091中详细地描述了此类加热分布。
图2图示了控制加热器温度所涉及的装置的部件。具体来说，图2示出电池2、控制单元3和加热器4的布置。控制单元包括微控制器30和数字控制DC/DC转换器32。数字控制DC/DC转换器32连接在电池2和加热器4之间，并且由微控制器30控制。DC/DC转换器在其输入处接收电池输出电压(Vbat)并输出输出电压(Vheater)。在此示例中，DC/DC转换器是降压或步降式转换器，使得Vheater小于或等于Vbat。但是，可以使用例如升压转换器或降压-升压转换器或功率转换级的组合实施本发明。
加热器4在基板上包括多个电阻迹线。加热器迹线可以由铂形成，基板可以是陶瓷材料，例如氧化锆。基板被成形为刀片，以允许其容易穿透气溶胶形成基质及从气溶胶形成基质移除。
微控制器控制数字控制的DC/DC转换器，以便加热器遵循所需的温度分布。在此实施例中，基于加热器电阻使用闭环控制方案。铂加热器迹线的电阻与加热器的温度通过铂电阻的温度系数直接相关。微控制器接收Vheater的测量值以及通过加热器的电流测量值。示出了电流测量块34连接在加热器与接地之间，输出连接到微控制器30。电流测量块34可以包括与加热器4串联的分流电阻器(具有非常低的电阻)。通过分流电阻器的电流也是通过加热器的电流，其可使用并联连接到分流电阻器的放大器来测量。然后使用欧姆定律计算加热器的电阻。
参考图3，微控制器存储在图形40中所图示的所需温度分布，并且存储为查询表41。图形40图示了目标加热器温度相对装置激活后的时间。在此示例中，温度分布包括五个不同的阶段。在第一阶段，加热器从环境温度T0升高至初始目标温度T1。此第一阶段具有30秒的持续时间。在第二阶段，持续一分钟的时间，加热器的温度维持在T1。在第三阶段，温度下降并维持在第二目标温度T2处。第三阶段持续两分钟。在第四阶段，持续时间为20秒，温度逐渐升高至第三目标温度T3。在最后一个阶段，还持续2分钟，加热器保持在温度T3处。在最后阶段之后，关闭加热器的电源。
为了基于此温度分布执行闭环控制方案，微控制器将目标温度分布转换为基于加热器温度与电阻之间的关系的对应目标电阻分布。电阻分布图示为图形42和查询表43。查询表44可以存储在微处理器中，以将温度分布转换为电阻分布。
不必始终以温度值的形式存储所需的温度分布。在一些实施例中，转而存储所需的电阻分布可能是有益的。这是一种温度分布，在存储在装置上之前简单地转换成电阻分布。如果加热器不可更换，可以优选存储电阻分布，因为它减少了装置上的数据存储要求和处理步骤。但是，尤其是如果加热器可更换，在装置上存储温度分布，然后在装置上将其转换为电阻分布可能是有益的，因为最终必须被控制的是温度。当加热器被替换时，新加热器可具有与之前的加热器不同的电阻温度系数。
然后使用闭环控制方案使加热器电阻接近目标电阻。所得电压输出Vheater示于图形46中。
图4图示了可由微处理器实施的闭环控制方案的第一示例。在第一步骤50中，接收通过加热器的电流的测量值和Vheater的测量值。在第二步骤52中，这些测量值用于计算加热器的电阻。计算得出的加热器电阻与步骤53中的目标电阻进行比较，并且在步骤54中将该差值输出到比例积分微分(PID)控制器。PID控制器的输出是使加热器的电阻接近目标电阻的Vheater的所需值。使用PID控制器是闭环控制的众所周知的技术。PID控制器具有固定参数，与加热器温度或电阻无关。在使用PID控制器的输出控制DC/DC转换器之前，首先检查通过加热器的电流或电压或从DC/DC转换器的所需输出是否大于预定最大限制。如果通过加热器的电流大于电池能够递送的最大电流，则在步骤55中，将Vheater的所需值设置为最大可允许电流与计算的加热器电阻的乘积。如果PID控制器计算的Vheater的值大于DC/DC转换器能够提供的值，则将Vheater设置为DC/DC转换器的最大输出电压。
数字控制的DC/DC转换器包括可编程DC/DC转换器和数字电位器。微控制器连接到数字电位器，并且它是设置可编程DC/DC转换器的输出电压的数字电位器。DC/DC转换器的DC/DC反馈引脚连接到数字电位器，这是该反馈引脚上的值，其确定DC/DC转换器的Vheater输出水平。再次参考图3，使用查询表48将图形46中示出的电压分布转换为要施加到DC/DC反馈引脚的值。例如，查询表48可以将Vheater以0.05V的步长与要施加到DC/DC反馈引脚的值相关联。通过更改数字电位器的值，DC/DC会自动将Vheater的值调节到所需的水平。使用这种布置，可以在10毫秒以内调节Vheater的值。在此示例中，数字电位器由微控制器通过串行外设接口(SPI)控制，但也可以通过I2C或并行总线控制。
图5图示了可由微处理器实施的闭环控制方案的替代示例。在第一步骤60中，接收通过加热器的电流的测量值和Vheater的测量值，然后在第二步骤62使用这些测量值计算加热器的电阻。计算得出的加热器电阻与步骤63中的目标电阻进行比较，并且在步骤64中将差值输出到预测逻辑控制器。预测逻辑控制器可以根据基于多个参数的模型或理想的加热器行为，所述多个参数诸如温度、Vheater、时间、电流以及目标电阻与计算电阻之间的误差。如同在图4的控制回路中，在预测逻辑控制器的输出用于控制DC/DC转换器之前，首先检查通过加热器的电流或电压或从DC/DC转换器的所需输出是否大于预定最大限制。如果通过加热器的电流大于电池能够递送的最大电流，则在步骤65中，将Vheater的所需值设置为最大可允许电流与计算的加热器电阻的乘积。如果预测逻辑控制器计算的Vheater的值大于DC/DC转换器能够提供的值，则将Vheater设置为DC/DC转换器的最大输出电压。
可以看到，可以制定DC/DC转换器的控制，以确保电流不超过最大允许电流，超过该电流，电池将超载且可能导致装置故障。控制单元还可以确保微控制器始终从电池接收足够的电压。微控制器通常需要最小电压才能操作，例如2.5伏。
希望加热器快速达到第一目标温度，以便用户在第一次抽吸前不需要等待长时间。施加到加热器的功率越高，温度上升得越快。当第一次激活装置时，加热器通常在环境温度下。对于具有正温度系数的加热器，这意味着与其在操作期间的电阻相比，加热器具有相对低的电阻。在低温下，电池还具有较低的功率输出，因为它的输出电压降低，并且因为其内部电阻增加，这会降低输出电流。这些因素的这种组合意味着在低温时，如果从电池中提取最大功率，那么电池电压可以降低到低于微控制器最低工作电压的水平。
如图2所示，装置包括电压调节器36，以调节从电池供应到微控制器的电压。此示例中的电压调节器为线性压差稳压器(LDO)，不过例如可以为第二DC/DC转换器。此示例中的LDO被配置成始终将稳定的2.5V递送至微控制器。然而，如果电池电压下降到低于2.5V，LDO将不能正常工作。
可以通过在温度分布的第一阶段控制DC/DC转换器避免此问题。微控制器可被配置成持续监测电池电压并将其与参考电压进行比较，参考电压通常为2.5V。如果电池电压高于参考电压，控制信号会更改数字电位器值，以便其增加DC/DC输出电压。如果电池电压低于参考电压，控制信号会更改数字电位器值，以便降低DC/DC输出电压。这对应于受控回路系统，其中DC/DC输出电压始终处于最大值，其可以同时确保电池电压不会下降到低于最小电压2.5V。该方法为给定电池温度提供加热器的最快加热。
在一些实施例中，对于DC/DC转换器开环控制方案可能是优选的。例如，图1的气溶胶生成装置可以通过仅响应于用户吸入而向加热器供电来工作。在用户吸入之间，不会向加热器提供电力。在这种情况下，加热器的温度分布短得多，仅为大约2或3秒。不需要复杂的温度分布。加热器必须尽可能快地达到汽化温度，在2秒或3秒内保持其状态，然后关闭。在图6中以图形70示出了这种类型的温度分布。在制造过程中，可以已知或校准温度和加热器电阻之间的关系，并且温度或电阻分布可以转换成要施加到DC/DC反馈引脚的控制值的分布，如图形72所示。该分布存储在微控制器中的查询表中。微控制器通过数字电位器直接在开环中控制DC/DC转换器。微控制器仍然可以接收和监测Vheater和电流测量值，以检测异常或故障状况，例如耗尽的基质。
除了以开环或闭环控制方案控制DC/DC转换器之外，微控制器还可以使用脉宽调制(PWM)来微调加热器的温度控制。开关(例如MOSFET)可与加热器串联连接，并且可由微控制器控制以调制供应到加热器的电流。例如，当目标加热器电阻与计算的加热器电阻之间的误差小于阈值量时，可以使用PWM。替代地或此外，PWM可以用于提供快速响应时间，例如，当温度升高过快时。
使用根据预定温度或电压分布控制DC/DC转换器具有许多优势。加热器的温度分布比用PWM控制的更平滑，并且加热器即刻过热的概率低得多。从电池所需的瞬时电流，尤其是激活装置后即刻，比使用PWM控制更低，降低了低温下低电池电压问题的可能性。另外，使用DC/DC转换器可以在加热器的设计中有更大的灵活性。例如，如果使用升压DC/DC转换器，则可以使用更高的电阻加热器，这可以缓解系统内其他电阻，例如寄生电阻和接触电阻的影响。

Claims (14)

1.一种用于生成可吸入气溶胶的气溶胶生成装置(1)，所述装置(1)包括：
电阻加热器(4)，
电池(2)，其中，所述电池(2)被配置成生成电池电压(Vbat)，以及
控制单元(3)，其中，所述控制单元(3)包括：
DC/DC转换器(32)，所述DC/DC转换器被布置成从所述电池接收所述电池电压(Vbat)作为输入，并且将输出电压(Vheater)输出到所述电阻加热器(4)；以及
微控制器(30)，所述微控制器被配置成基于所述电阻加热器(4)的预定温度分布控制所述DC/DC转换器(32)以调节所述输出电压。
2.根据权利要求1所述的气溶胶生成装置，还包括存储所述预定温度分布的存储器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气溶胶生成装置，其中，所述微控制器被配置成基于所述电阻加热器的测量或计算的电阻或温度控制所述DC/DC转换器。
4.根据权利要求3所述的气溶胶生成装置，其中，所述微控制器被配置成运行闭环控制方案。
5.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，还包括用于测量所述加热器的温度或电阻的装置。
6.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的气溶胶生成装置，其中，所述微控制器被配置成运行开环控制方案。
7.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，其中，所述微控制器被配置成通过控制与所述电阻加热器和所述DC/DC转换器串联连接的开关的操作来调节从所述DC/DC转换器供应到所述电阻加热器的平均电流。
8.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，还包括连接在所述微控制器与所述DC/DC转换器之间的数字电位器。
9.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，其中，所述微控制器被配置成监测通过所述电阻加热器的电流，并且控制所述DC/DC转换器以确保通过所述电阻加热器的电流不超过最大电流阈值。
10.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，其中，所述微控制器控制所述DC/DC转换器，以确保所述电池电压维持在或高于最小电池电压。
11.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，其中，所述电阻加热器具有在0.1克与0.5克之间的质量。
12.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，其中，所述电池是锂离子电池。
13.根据任一前述权利要求所述的气溶胶生成装置，其中，所述微控制器被配置成将电流从所述DC/DC转换器连续地供应到所述电阻加热器持续超过5秒的时段。
14.一种控制气溶胶生成装置(1)的方法，所述气溶胶生成装置(1)包括：电阻加热器(4)；电池(2)，其中，所述电池(2)被配置成生成电池电压(Vbat)；以及控制单元(3)，所述控制单元包括DC/DC转换器(32)，所述DC/DC转换器被布置成从所述电池接收所述电池电压(Vbat)作为输入，并且将输出电压(Vheater)输出到所述电阻加热器(4)，所述方法包括：
基于所述电阻加热器(4)的预定温度分布控制所述DC/DC转换器(32)以调节所述输出电压。
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