電容式電子煙控制電路設(shè)計(jì)

郜嘉銘，張治東，劉興輝

（遼寧大學(xué)物理學(xué)院，遼寧沈陽 110036）

目前，全球在控?zé)熜蝿莺徒】递浨榈碾p重壓力下，傳統(tǒng)煙受到越來越多的限制，電子煙呈現(xiàn)出極大地潛在市場。在國內(nèi)，電子煙的主控芯片一般是采用單片機(jī)作為微控制單元（Microprogrammed Control Unit，MCU），并攜同一系列的其他元件來組成一個(gè)控制系統(tǒng)[1-2]，具有電路復(fù)雜、功耗高、面積大和難以片上集成的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3-4]采用了數(shù)字控制模塊來控制電路的信號(hào)，同時(shí)也需要額外設(shè)計(jì)復(fù)雜的時(shí)序電路。文獻(xiàn)[5-6]采用了非專用型控制芯片來作為電子煙的控制器。文獻(xiàn)[7-8]采用了單片機(jī)作為控制芯片，增加了很多傳感器來實(shí)現(xiàn)多功能的控制方式?，F(xiàn)如今，集成電路技術(shù)迅猛發(fā)展，系統(tǒng)功能集成度越來越高。上述電子煙控制系統(tǒng)已經(jīng)不適合當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展趨勢。因此設(shè)計(jì)了一款電子煙專用控制電路。

1 總體電路

電子煙專用控制電路總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。核心電路模塊包括調(diào)理放大模塊(AMP)、比較處理模塊(COMP)、溫度電流控制模塊(CTC)、霧化絲驅(qū)動(dòng)模塊(DRIVE)、LED 驅(qū)動(dòng)模塊(LED)、過溫保護(hù)模塊(OTP)和過流保護(hù)模塊(OCP)。AMP 模塊負(fù)責(zé)處理抽煙信號(hào)的放大工作。COMP 模塊比較處理AMP 模塊輸出的電壓信號(hào)。CTC 模塊依據(jù)電路溫度和霧化絲(AT)的電流來控制輸入信號(hào)。DRIVE模塊由具有超大驅(qū)動(dòng)能力的多級(jí)反相器和兩個(gè)耐高壓橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管(Lateral Doublediffused MOSFET,LDMOS)組成。DRIVE 模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)霧化絲AT 并提供一路電流保護(hù)檢測通路。LED 模塊為LED 燈提供合適的電流驅(qū)動(dòng)。OCP 模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測DRIVE 模塊的電流。OTP 模塊監(jiān)控整個(gè)電路的溫度。核心模塊的電壓及電流分別由帶隙（BANDGAP）模塊[9]、電流偏置（IBIAS）模塊提供。正常工作下電源電壓為3.7 V。IBIAS 模塊提供的偏置電流均為2 μA。

圖1 電路總體結(jié)構(gòu)框圖

2 檢測原理

在實(shí)際電路中，電子煙的煙嘴通常連接一個(gè)片外可變電容來產(chǎn)生抽煙動(dòng)作電壓信號(hào)。當(dāng)電容置于變化氣壓的環(huán)境下，兩極板距離變化，電容值改變，電容兩端電壓值也發(fā)生變化。輸入信號(hào)IN為可變電容電壓。IN信號(hào)輸入AMP 模塊中，經(jīng)緩沖處理后放大，放大的信號(hào)IN_VN 傳入COMP 模塊，經(jīng)過比較處理和狀態(tài)鎖存后輸出控制信號(hào)VS。OTP 模塊的VOTP信號(hào)和OCP 模塊的VOCP信號(hào)傳輸?shù)紺TC 模塊，當(dāng)VOCP信號(hào)和VOTP信號(hào)為低電平時(shí)，VS信號(hào)才能通過CTC 模塊輸出VSA信號(hào)。當(dāng)VOCP信號(hào)和VOTP信號(hào)中的任何一個(gè)信號(hào)為高電平時(shí)，VS信號(hào)不能通過CTC 模塊，VSA為低電平，電路停止工作。VSA信號(hào)為高電平時(shí)，DRIVE 模塊導(dǎo)通并為霧化絲AT 提供通路，同時(shí)LED 模塊導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)LED 燈。OCP 模塊檢測DRIVE模塊的電流，當(dāng)電流保護(hù)檢測通路電流過大時(shí)，采樣電壓Vc 升高且高于設(shè)定閾值時(shí)，VOCP為高電平。OTP模塊檢測整個(gè)電路的溫度，當(dāng)溫度高于閾值時(shí)，VOTP為高電平。

3 核心模塊設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)理放大模塊（AMP）

AMP 模塊電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由電壓緩沖跟隨器和兩個(gè)反相比例放大器級(jí)聯(lián)組成，其中所用的運(yùn)放為低失調(diào)、恒跨導(dǎo)、高增益的運(yùn)算放大器[10-11]。第一級(jí)反相比例放大器中，放大比例由電阻R1和R2控制，為固定2 倍放大。第二級(jí)反相比例放大器的電阻R3～R7為相同阻值的電阻，可以對(duì)輸入信號(hào)放大4 倍?？傮w的AMP 模塊對(duì)輸入信號(hào)以1.8 V 為中心上下波動(dòng)放大8 倍。

圖2 調(diào)理放大模塊（AMP）電路結(jié)構(gòu)

3.2 比較處理模塊(COMP)

COMP 模塊電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由兩級(jí)基本放大電路組成，第一級(jí)為由MOS 管M1～M6 組成的五管差分放大電路，第二級(jí)為由M9、M10 組成電流沉反相器。在差分放大電路的輸入端VP 有兩路輸入信號(hào)VL_VP 和VH_VP，其分別由M7、M8 控制，VN 輸入端接調(diào)理放大后的電容信號(hào)IN_VN。M11、M12 為兩個(gè)大尺寸的驅(qū)動(dòng)反相器，M13～M16 為兩個(gè)反相器組成的鎖存器。M17、M18 組成的反相器控制VL 信號(hào)，M19、M20 組成的反相器控制VH 信號(hào)，M21～M24 組成的兩個(gè)反相器為輸出驅(qū)動(dòng)緩沖級(jí)。比較器的亞穩(wěn)態(tài)[12-13]是造成轉(zhuǎn)換誤差的重要原因。當(dāng)輸入信號(hào)的瞬間值與比較器的參考電壓很接近時(shí)，比較器的輸出將在很長時(shí)間內(nèi)不確定，就會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，使電路需要更長的時(shí)間才能產(chǎn)生穩(wěn)定的邏輯輸出，影響電路的速度。AMP 模塊輸出的電壓在1.8 V 上下波動(dòng)，為非固定值，存在亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。由此，后面增加了一級(jí)由兩個(gè)反相器組成的鎖存器。通過鎖存器鎖定COMP 的輸出狀態(tài)，可以有效地排除亞穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，提高比較器的翻轉(zhuǎn)速度。最末端增加的緩沖器可對(duì)上一級(jí)電路輸出的高低電平進(jìn)行處理，提高輸出端的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，并且能夠提升比較器的整體速度[14-16]。

圖3 比較處理模塊（COMP）電路原理圖

初始狀態(tài)下，VS信號(hào)為低電平，此時(shí)VL信號(hào)為高電平，VH信號(hào)為低電平，VL_VP 為1.7 V，此時(shí)IN_VN高于1.7 V，VS信號(hào)仍為低電平。當(dāng)氣壓變化時(shí)，電容值變化，輸入電壓IN_VN 開始下降，在低于1.7 V 時(shí)，VS信號(hào)發(fā)生跳變，同時(shí)VH被拉高，VL降低為低電平，此時(shí)VH_VP 為1.9 V，在IN_VN 持續(xù)的變化下，輸出信號(hào)VS保持為高電平。當(dāng)氣壓逐漸恢復(fù)正常時(shí)，電容值變回靜態(tài)電容值，IN_VN 信號(hào)出現(xiàn)回升，在上升沿高于1.9 V 時(shí)，VS信號(hào)發(fā)生跳變，由高電平變?yōu)榈碗娖?，VH被拉低，VL被拉高，恢復(fù)至初始狀態(tài)。

3.3 溫度電流控制模塊(CTC)

溫度電流控制模塊（CTC）由兩端輸入的異或門和驅(qū)動(dòng)反相器組成。異或門兩端輸入為VOTP和VOCP，當(dāng)VOCP和VOTP任何一個(gè)信號(hào)為高電平時(shí)，異或門輸出高電平。異或門輸出信號(hào)控制由兩級(jí)驅(qū)動(dòng)反相器組成的緩沖級(jí)來控制VS信號(hào)的導(dǎo)通與否。

3.4 LED驅(qū)動(dòng)模塊(LED)

LED 驅(qū)動(dòng)模塊(LED)是由運(yùn)放和電流鏡組成的恒流電路[17]，運(yùn)放把電阻端的電壓鉗位在輸入?yún)⒖茧妷?，由此來產(chǎn)生恒定電流。此電流再由電流鏡鏡像輸出，驅(qū)動(dòng)LED 燈工作。

3.5 霧化絲驅(qū)動(dòng)模塊(DRIVE)

霧化絲驅(qū)動(dòng)模塊（DRIVE）采用電熱式霧化方式，電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，經(jīng)六級(jí)反相器接入VSA信號(hào)，M25～M36 組成六級(jí)反相器，其中最后三級(jí)寬長比依次逐級(jí)翻倍并聯(lián)組成，電流逐步上升倍增，可以為后面的由LDMOS 組成的功率管M37、M38 提供足夠大的驅(qū)動(dòng)。M37、M38 為兩個(gè)超級(jí)大寬長比的LDMOS 管，M37 為霧化絲AT 大電流提供通路，M38為采樣管，且串聯(lián)一分壓電阻，電阻端電壓Vc 用于控制M37 的電流。

圖4 霧化絲驅(qū)動(dòng)模塊（DRIVE）電路原理圖

3.6 保護(hù)模塊（OTP、OCP）

過溫保護(hù)模塊（OTP）由簡單的遲滯比較器[18-19]和BJT 三極管組成。通過兩路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)遲滯功能，避免了信號(hào)在翻轉(zhuǎn)閾值附近頻繁翻轉(zhuǎn)，造成電路工作不穩(wěn)定。利用pnp 型BJT 三極管的負(fù)溫度特性，BJT 三極管的Vbe電壓隨溫度升高而降低，并與基準(zhǔn)參考電壓相比較。當(dāng)溫度逐漸高于150 ℃時(shí)，BJT 三極管的Vbe電壓隨溫度的升高而降低，Vbe電壓經(jīng)過比較器處理，VOTP為高電平并反饋至CTC 模塊。溫度下降至125 ℃時(shí)，VOTP變?yōu)榈碗娖健?/p>

過流保護(hù)模塊（OCP）[20-21]由簡單的遲滯比較器組成。當(dāng)電流過大，DRIVE 模塊的采樣電壓Vc 高于設(shè)定值時(shí)，比較器VOCP為高電平，并反饋至CTC 模塊。當(dāng)電流降低至1.5 A 后，恢復(fù)正常。

4 電容模擬信號(hào)產(chǎn)生模型

在仿真測試電路中，抽煙信號(hào)電容采用VerilogA編寫的電容等效模塊來代替。示意圖如圖5 所示，在電容等效模塊中串聯(lián)一個(gè)兆歐級(jí)的電阻R9連接1.8 V 的電壓。在輸入端VC、VG 之間，用方波信號(hào)源來模擬抽煙信號(hào)變化。當(dāng)方波信號(hào)為低電平時(shí)，為不抽煙狀態(tài)，氣壓狀態(tài)不變，電容值固定不變，等效模型的輸出電壓信號(hào)IN不變。當(dāng)方波信號(hào)為高電平時(shí)，為抽煙狀態(tài)，氣壓狀態(tài)變化，電容值變化，等效模型的輸出電壓信號(hào)IN發(fā)生變化。此電容等效模塊的VerilogA 具體實(shí)現(xiàn)思路：設(shè)置輸入、輸出端口VC、VG、GND、OUT，采用簡單的case 語句來實(shí)現(xiàn)不同電容值的狀態(tài)，用if 語句來判斷VC 和VG 的輸入信號(hào)差值，并依據(jù)判斷結(jié)果選擇合適的case，最后用簡單的微分語句表示出電容的I-V特性函數(shù)。該電容等效模塊的工作電壓為1.8 V，當(dāng)氣壓不變時(shí)，電容靜態(tài)值為3.2 pF，當(dāng)氣壓發(fā)生變化時(shí)，電容動(dòng)態(tài)值為3.3 pF。

圖5 電容模擬信號(hào)產(chǎn)生示意圖

5 電路時(shí)序仿真與分析

該核心電路基于0.18 μm BCD 工藝，電源電壓為3.7 V，VerilogA 電容等效模型的工作電壓值為1.8 V，電容變化為3.2～3.3 pF，使用Virtuoso 軟件對(duì)電路進(jìn)行Spectre 仿真。如圖6、7 所示，當(dāng)方波信號(hào)接入等效電容模塊時(shí)，輸出圍繞1.8 V 抖動(dòng)的電壓尖峰信號(hào)IN，抖動(dòng)幅度在20 mV。AMP 模塊把信號(hào)IN尖峰抖動(dòng)幅度放大8 倍并輸出IN_VP 至1.64～1.96 V。經(jīng)過COMP 模塊快速處理輸出信號(hào)VS。VS信號(hào)通過CTC 模塊后控制DRIVE 模塊和LED 模塊，驅(qū)動(dòng)霧化絲AT 和LED 燈正常工作。正常工作下，OCP 和OTP 的輸出信號(hào)為低電平。OCP 和OTP 仿真波形如圖8 所示。當(dāng)溫度高于150 ℃或者電流高于3.5 A 時(shí)，OCP 和OTP 分別輸出高電平。當(dāng)溫度降至125 ℃時(shí)，VOTP由高電平跳變?yōu)榈碗娖?。?huì)一直檢測電流保護(hù)通路的電流，直到降低至2 A 時(shí)，OCP 電路才輸出低電平。CTC 檢測到VOTP和VOCP任何一個(gè)為高電平，則切斷輸入信號(hào)VS，電路不再工作。

圖6 AMP放大和COMP輸出圖

圖7 霧化絲AT和LED電流

圖8 OCP和OTP仿真圖

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種電子煙專用控制電路系統(tǒng)，其能夠準(zhǔn)確地控制霧化絲AT 和LED 燈，并具有過溫過流保護(hù)功能。該電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要時(shí)序產(chǎn)生電路。該電路使用0.18 μm BCD 工藝，通過Virtuoso Spectre仿真器仿真，在27 ℃、3.7 V 電源電壓下，該電路最小可識(shí)別0.1 pF 的電容，當(dāng)產(chǎn)生抽煙信號(hào)，霧化絲AT 導(dǎo)通并開始發(fā)熱，同時(shí)LED 燈變亮。當(dāng)溫度高于150 ℃或者電流高于3.5 A 時(shí)，電路停止工作。當(dāng)溫度降至125 ℃時(shí)，且電流低于2 A 時(shí)，電路重新開始正常工作。還可以進(jìn)一步改進(jìn)整個(gè)電子煙控制電路，可以通過增加數(shù)字控制模塊來增加更多的控制模式，提供更豐富的輸出控制信號(hào)。