CN113347746B

CN113347746B - 发热丝驱动电路和电子设备

Info

Publication number: CN113347746B
Application number: CN202110906977.XA
Authority: CN
Inventors: 赖哲人; 戴兴科; 沈再雄; 丛峰; 陈超
Original assignee: Shenzhen Weiyuan Semiconductor Co ltd
Current assignee: Shenzhen Weiyuan Semiconductor Co ltd
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-08-09
Also published as: CN113347746A

Abstract

本发明提出一种发热丝驱动电路和电子设备，其中，发热丝驱动电路包括电池、MOS管和PWM驱动电路，PWM驱动电路包括第一三角波发生电路、第二三角波发生电路、计数电路和PWM输出电路，第一三角波脉冲信号的频率和第二三角波脉冲信号的频率为PWM信号的N倍，因此，三角波发生器内部可设计更大的电流源，或者三角波发生器内部可设计更小的电容，从而提高电流精度和抗干扰能力，或者降低三角波发生器的面积或者成本，同时，产生的PWM信号的占空比为目标RMS电压的平方与发热丝的端电压的平方的比值，从而达到提高输出精度和实现恒功率输出的目的。

Description

发热丝驱动电路和电子设备

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种发热丝驱动电路和电子设备。

背景技术

许多电子设备需要加热控制，加热的方法为输出一个电压给发热丝，加热功率通过供给发热丝的电压来控制。比如电子烟的烟雾需要通过电池放电至发热丝以提供功率，发热丝给雾化器加热产生烟雾。

其中，发热丝的功率为发热丝两端电压的均方根值（后面将该均方根值简称为RMS值）的平方除以发热丝的阻值，由于像电子烟这样的电子设备用电池供电，电池的电压随放电过程逐渐下降，为了恒定输出功率，控制电路往往用一个MOS管来调节输出功率，具体方式是通过调节MOS管开通的占空比，这种控制方法叫脉宽调制（PWM）法，如图1所示，图1是上述电路的简化的系统原理图。

常规的PWM信号通过三角波产生器输出一个三角波信号，其幅度为V_三角波，当一个低于V_三角波的电压V_DC与其比较，比较器的输出就是一个脉宽调制过的PWM信号，其中，三角波发生器通过电流源提供基准电流并通过电容进行充放电切换。

为了使RMS值不随电池电压变化，占空比电路会根据电池电压信号产生一个幅度正比于电池电压的平方的三角波信号，同时用一个目标信号（目标信号的直流电压正比于目标RMS值的平方）与其比较，产生脉宽调制（PWM）信号，如图2所示。

但是，由于PWM控制周期往往很低，如100Hz到200Hz。以产生2V幅度100Hz的三角波信号为例，如果三角波产生器内部的电容为5pF，电流源的电流只能为1nA。1nA的电流源很难做精确，同时也很容易被干扰。如果要增加电流源值，电容值需按比例增加，电容的体积会相应变大，会大大加大三角波发生器在芯片中的面积，增加成本。

因此，传统的发热丝驱动电路存在因PWM控制周期低导致三角波发生器的精度过低或者成本过高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发热丝驱动电路，旨在解决传统的发热丝驱动电路存在因PWM控制周期低导致三角波发生器的精度过低或者成本过高的问题。

本发明实施例的第一方面提了一种发热丝驱动电路，所述发热丝驱动电路包括电池、MOS管和PWM驱动电路，所述电池、所述MOS管和发热丝依次连接，所述PWM驱动电路与所述MOS管的栅极和输出端分别连接，所述PWM驱动电路包括：

用于输出第一三角波脉冲信号的第一三角波发生器，所述第一三角波脉冲信号的频率与目标RMS电压的平方呈正比例关系；

用于输出第二三角波脉冲信号的第二三角波发生器，所述第二三角波脉冲信号的频率与所述发热丝的端电压的平方呈正比例关系，所述发热丝的端电压的平方的值大于所述目标RMS电压的平方的值；

与所述第一三角波发生器和所述第二三角波发生器分别连接的计数电路，所述计数电路用于对所述第一三角波脉冲信号和所述第二三角波脉冲信号进行同步分别计数并输出第一计数值和第二计数值，其中，所述第一计数值计数至目标计数值时复位计数以及所述第二计数值计数至目标计数值时复位并以第一计数值的当前复位时间点开始计数；

与所述计数电路连接的PWM输出电路，所述PWM输出电路用于获取所述计数电路输出的第一计数值和第二计数值以及对应的计数时长并输出PWM信号，其中，所述PWM信号的周期为所述第一计数值的复位间隔时间，所述PWM信号的占空比值为每一周期内第一计数值的复位时间点至所述第二计数值的复位时间点的时长与所述第一计数值的复位间隔时间的比值。

在一个实施例中，所述计数电路包括：

与所述第一三角波发生器的信号输出端连接的第一计数单元，所述第一计数单元用于对所述第一三角波脉冲信号进行计数并输出第一计数值，并在计数至目标计数值时复位计数；

与所述第二三角波发生器的信号输出端连接的第二计数单元，所述第二计数单元用于对所述第二三角波脉冲信号进行计数并输出第二计数值，并在计数至目标计数值时复位并以第一计数值的复位时间点开始重新计数。

在一个实施例中，所述第一三角波发生器包括第一电流源、第一电容、第一电子开关管和第一比较器；

所述第一电流源的电源输出端、所述第一电容的第一端、所述第一电子开关管的第一端和所述第一比较器的正相输入端互连，所述第一电容的第二端和所述第一电子开关管的第二端均接地，所述第一比较器的反相输入端用于输入预设参考电压，所述第一比较器的输出端与所述第一电子开关管的受控端共接并构成所述第一三角波发生器的信号输出端。

在一个实施例中，所述目标RMS电压的平方除以所述发热丝的阻值的数值与所述第一电流源的电流值的比值为1：K。

在一个实施例中，所述第二三角波发生器包括第二电流源、第二电容、第二电子开关管和第二比较器；

所述第二电流源的电源输出端、所述第二电容的第一端、所述第二电子开关管的第一端和所述第二比较器的正相输入端互连，所述第二电容的第二端和所述第二电子开关管的第二端均接地，所述第二比较器的反相输入端用于输入预设参考电压，所述第二比较器的输出端与所述第二电子开关管的受控端共接并构成所述第二三角波发生器的信号输出端。

在一个实施例中，所述发热丝的端电压的平方除以所述发热丝的阻值的数值与所述第二电流源的电流值的比值为1：K。

在一个实施例中，所述第一计数单元包括第一计数器。

在一个实施例中，所述第二计数单元包括第二计数器。

在一个实施例中，所述PWM输出电路包括RS寄存器。

本发明实施例的第二方面提了一种电子设备，电子设备包括发热丝和如上所述的发热丝驱动电路，所述发热丝驱动电路和所述发热丝电性连接。

本发明实施例通过采用第一三角波发生器、第二三角波发生器、计数电路和PWM输出电路组成PWM驱动电路，第一三角波脉冲信号和第二三角波脉冲信号的频率为PWM信号的N倍，其中，N等于目标计数值，因此，三角波发生器内部可设计更大的电流源，或者三角波发生器内部可设计更小的电容，从而提高电流精度和抗干扰能力，或者降低三角波发生器的面积或者成本，同时，第一三角波脉冲信号的频率和第二三角波脉冲信号的频率分别正比于目标RMS电压的平方和发热丝的端电压的平方，产生的PWM信号的占空比为目标RMS电压的平方与发热丝的端电压的平方的比值，避免MOS管的导通电阻的影响，从而达到提高输出精度和实现恒功率输出的目的。

附图说明

图1为传统的发热丝驱动电路的结构示意图；

图2为传统的PWM信号的波形示意图；

图3为本发明实施例提供的发热丝驱动电路的第一种结构示意图；

图4为图3所示的发热丝驱动电路中PWM驱动电路的第一种结构示意图；

图5为图4所示的发热丝驱动电路中PWM信号的波形示意图；

图6为图3所示的发热丝驱动电路中PWM驱动电路的第二种结构示意图；

图7为图3所示的发热丝驱动电路中PWM驱动电路的第三种结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

如图3所示，图3为本发明实施例提供的发热丝驱动电路的第一种结构示意图，发热丝驱动电路包括电池BAT、MOS管Q11和PWM驱动电路100，电池BAT、MOS管Q11和发热丝R依次连接，PWM驱动电路100与MOS管Q11的栅极和输出端分别连接。

其中，电池BAT的电源端与MOS管Q11的输入端连接，用于提供驱动电源，PWM驱动电路100获取发热丝R的端电压并转换输出PWM信号至MOS管Q11，MOS管Q11根据PWM信号对应开通，并转换输出所需的电压、电流至发热丝R，实现恒功率输出，PWM驱动电路100根据发热丝R的端电压进行恒功率输出控制，减少MOS管Q11的导通电阻的影响，提高输出精度。

其中，如图4所示，PWM驱动电路100包括：

用于输出第一三角波脉冲信号的第一三角波发生器10，第一三角波脉冲信号的频率与目标RMS电压的平方呈正比例关系；

用于输出第二三角波脉冲信号的第二三角波发生器20，第二三角波脉冲信号的频率与发热丝R的端电压的平方呈正比例关系，发热丝R的端电压的平方的值大于目标RMS电压的平方的值；

与第一三角波发生器10和第二三角波发生器20分别连接的计数电路30，计数电路30用于对第一三角波脉冲信号和第二三角波脉冲信号进行同步分别计数并输出第一计数值和第二计数值，其中，第一计数值计数至目标计数值时复位计数以及第二计数值计数至目标计数值时复位并以第一计数值的当前复位时间点开始计数；

与计数电路30连接的PWM输出电路40，PWM输出电路40用于获取计数电路30输出的第一计数值和第二计数值以及对应的计数时长并输出PWM信号，其中，PWM信号的周期为第一计数值的复位间隔时间，PWM信号的占空比值为每一周期内第一计数值的复位时间点至第二计数值的复位时间点的时长与所述第一计数值的复位间隔时间的比值。

本实施例中，第一三角波发生器10和第二三角波发生器20内部均设置有电流源和电容，根据电流源的电流对电容的充放电转换输出对应的三角波脉冲信号，其中，第一三角波发生器10输出的第一三角波脉冲信号的频率正比于目标RMS电压的平方，第二三角波发生器20输出的第二三角波脉冲信号的频率正比于发热丝R的端电压的平方，计数电路30对两个三角波脉冲信号进行同步计数，并反馈第一计数值和第二计数值至PWM输出电路40，在计数至预设目标值时分别复位计数，由于发热丝R的端电压的平方的值大于目标RMS电压的平方的值，所以第二计数值先达到目标预设值，如图5所示，L2表示第二计数值，L1表示第一计数值，PWM输出电路40接收到两个计数值后，以第一计数值的两次复位时间点的时间间隔作为PWM信号的周期时间TS，同时，以每一周期时间内第二计数值从计数开始至达到目标预设值的时间点的时长与第一计数值的复位间隔时间的比值作为占空比的值，并输出PWM信号，其占空比D同时等于D=V_RMS ²/V_R ²，PWM信号输出至MOS管Q11进行恒功率输出，提高输出精度。

同时，通过计数电路30，三角波脉冲信号的频率为PWM信号的频率的N倍，N为目标预设值，例如256，当PWM信号的频率为100HZ时，三角波脉冲信号的频率可达25.6KHZ，远大于100HZ，由于三角波发生器内部电流源的电流值与三角波脉冲信号的频率成正比例，三角波发生器内部电容的电容值与三角波脉冲信号的频率成反比例，因此，电流源的电流值可设计的更大，提高电流源的精度和抗干扰能力，或者三角波发生器内部的电容的电容值可设计的更小，降低三角波发生器的面积和成本。

其中，第二计数值的复位时间可由计数电路30内部电路或者PWM输出电路40控制，以实现与在PWM信号的每一周期结束后复位重新计数，或者由外部控制信号进行驱动控制，具体根据需求对应设置。

各三角波发生器的具体结构根据需求对应设计，可分别包括电流源、电容等其他元器件，如图7所示，在一个实施例中，第一三角波发生器10包括第一电流源IC1、第一电容C1、第一电子开关管Q1和第一比较器U1；

第一电流源IC1的电源输出端、第一电容C1的第一端、第一电子开关管Q1的第一端和第一比较器U1的正相输入端互连，第一电容C1的第二端和第一电子开关管Q1的第二端均接地，第一比较器U1的反相输入端用于输入预设参考电压Vth，第一比较器U1的输出端与第一电子开关管Q1的受控端共接并构成第一三角波发生器10的信号输出端。

第二三角波发生器20包括第二电流源IC2、第二电容C2、第二电子开关管Q2和第二比较器U2；

第二电流源IC2的电源输出端、第二电容C2的第一端、第二电子开关管Q2的第一端和第二比较器U2的正相输入端互连，第二电容C2的第二端和第二电子开关管Q2的第二端均接地，第二比较器U2的反相输入端用于输入预设参考电压Vth，第二比较器U2的输出端与第二电子开关管Q2的受控端共接并构成第二三角波发生器20的信号输出端。

本实施例中，第一三角波发生器10和第二三角波发生器20的基础结构和工作原理相同，即各电流源通过输出电流，并在对应电容中进行充电，当电容的端电压大于预设参考电压Vth时，对应的比较器输出高电平并控制电子开关管导通放电，当放电至电容的端电压小于预设参考电压Vth时，比较器输出低电平控制电子开关管关断截止放电，电容继续充电，从而根据电子开关管的导通和关断进行电容的充放电，对应地，两个比较器分别输出第一三角波脉冲信号和第二三角波脉冲信号。

同时，为了得到所需频率的三角波脉冲信号，第一三角波发生器10通过目标RMS电压设置对应大小的电流源，第二三角波发生器20通过获取发热丝R的端电压设置对应大小的电流源，在一个实施例中，目标RMS电压的平方和发热丝R的阻值的比值与第一电流源IC1的电流值的比值为1：K，发热丝R的端电压的平方和发热丝R的阻值的比值与第二电流源IC2的电流值的比值为1：K，即IC1=KV_RMS ²/R，IC2=KV_R ²/R，从而使得计数电路30产生的PWM信号的占空比值则为V_RMS ²/V_R ²。

计数电路30可采用单一计数模块或者多个计数模块分别计数，如图6所示，在一个实施例中，计数电路30包括：

与第一三角波发生器10的信号输出端连接的第一计数单元31，第一计数单元31用于对第一三角波脉冲信号进行计数并输出第一计数值，并在计数至目标计数值时复位计数。

与第二三角波发生器20的信号输出端连接的第二计数单元32，第二计数单元32用于对第二三角波脉冲信号进行计数并输出第二计数值，并在计数至目标计数值时复位并以第一计数值的复位时间点开始重新计数。

第一计数单元31和第二计数单元32对两个三角波脉冲信号进行同步计数，并反馈第一计数值和第二计数值至PWM输出电路40，在计数值预设目标值时复位计数，由于发热丝R的端电压的平方的值大于目标RMS电压的平方的值，所以第二计数值先达到目标预设值，如图5所示，L2表示第二计数值，L1表示第一计数值，PWM输出电路40接收到两个计数值后，以第一计数值的两次复位时间点的时间间隔作为PWM信号的周期时间TS，同时，以每一周期时间内第二计数值从计数开始至达到目标预设值的时间点的时长作为占空比的值，并输出PWM信号，其占空比D等于D=V_RMS ²/V_R ²，PWM信号输出至MOS管Q11进行恒功率输出，提高输出精度。

第二计数单元32以第一计数值的复位时间点开始重新计数，第二计数单元32可由外部控制信号控制复位时间点或者由PWM输出电路40具体控制，在此不做具体限制。

第一计数单元31和第二计数单元32可采用相同或者不同的计数模块，如图7所示，在一个实施例中，第一计数单元31包括第一计数器311，第二计数单元32包括第二计数器321，第一计数器311和第二计数器321采用相同位数的计数器，例如8位计数器、16位计数器，具体根据三角波发生器的精度和面积对应设置。

PWM输出电路40可采用不同结构的信号转换模块，如图7所示，在一个实施例中，PWM信号包括RS寄存器41，RS寄存器41的设置信号端连接第一三角波发生器10，RS寄存器41的复位信号端连接第二三角波发生器20，RS寄存器41根据根据接收到的计数值对应输出PWM信号。

本发明还提出一种电子设备，该电子设备包括发热丝和发热丝驱动电路，该发热丝驱动电路的具体结构参照上述实施例，由于本电子设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述，其中，发热丝驱动电路和发热丝电性连接。

本实施例中，发热丝驱动电路为发热丝提供电流、电压，实现恒功率驱动，电子设备可为电子烟、各类发热器等结构，具体使用场景不限。

以上所述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精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种发热丝驱动电路，所述发热丝驱动电路包括电池、MOS管和PWM驱动电路，其特征在于，所述电池、所述MOS管和发热丝依次连接，所述PWM驱动电路与所述MOS管的栅极和输出端分别连接，所述PWM驱动电路包括：

2.如权利要求1所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述计数电路包括：

3.如权利要求2所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述第一三角波发生器包括第一电流源、第一电容、第一电子开关管和第一比较器；

4.如权利要求3所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述目标RMS电压的平方除以所述发热丝的阻值的数值与所述第一电流源的电流值的比值为1：K，其中，K为比例系数且大于零。

5.如权利要求2所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述第二三角波发生器包括第二电流源、第二电容、第二电子开关管和第二比较器；

6.如权利要求5所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述发热丝的端电压的平方除以所述发热丝的阻值的数值与所述第二电流源的电流值的比值为1：K，其中，K为比例系数且大于零。

7.如权利要求2-6任一项所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述第一计数单元包括第一计数器。

8.如权利要求2-6任一项所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述第二计数单元包括第二计数器。

9.如权利要求1-6任一项所述的发热丝驱动电路，其特征在于，所述PWM输出电路包括RS寄存器。

10.一种电子设备，其特征在于，包括发热丝和如权利要求1-9任一项所述的发热丝驱动电路，所述发热丝驱动电路和所述发热丝电性连接。