100W恒功率恒温电子烟的设计与实现

范攀锋 凌健鸿

摘  要：由于传统香烟对人体健康有一定损害，所以电子烟作为传统香烟的替代者，就是为了要减少人们对它的依赖，在替代过程中面临的最核心挑战是如何对烟油进行加热控制，使产生的口感达到接近传统香烟的效果。本文从电子烟的两种加热控制方式出发，分别介绍对电子烟的加热控制原理、恒功率和恒温加热的设计与实现，同时又对电子烟的安全保护以及未来的发展趋势做了简要的分析。

关键词：电子技术;恒功率恒温控制;自动控制;Buck-Boost;电子烟

中图分类号：TN722.75      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）15-0048-04

Design and Implementation of 100W Constant Power Constant Temperature E-cigarette

FAN Panfeng，LING Jianhong

（ZLG Technology Corp.，Ltd.，Guangzhou  510660，China）

Abstract：As traditional cigarettes are harmful to human health，e-cigarettes as an alternative to traditional cigarettes are to reduce people’s dependence on them. The core challenge in the process of substitution is how to control the heating of cigarette oil to produce a taste similar to that of traditional cigarettes. Starting from two heating control modes of e-cigarette，this paper introduces the heating control principle，constant power and constant temperature heating design and implementation of e-cigarette，and briefly analyzes the security protection and future development trend of e-cigarette.

Keywords：electronic technology;constant power constant temperature control;automatic control;Buck-Boost;e-cigarettes

0  引  言

近年来电子烟作为新型的吸烟设备，由于其产生的烟雾量大且可以随意更换不同口味的烟油加热雾化，并且在使用过程中并不会产生焦油和一氧化碳等有害物质，故一经推出便深受吸烟人群的喜爱，有替代传统香烟的趋势。以欧美等国家的吸烟人群为代表，一部分使用者为了追求大烟雾量的效果，往往使电子烟的加热功率高达100～200W，面对如此大的功率，硬件电路设计就显得尤为重要;电子烟的控制除了恒功率的加热控制外，为了更好的口感效果又加入了恒温加热控制。不过考虑到锂电池的安全性和可能关系到的有关烟草的法律政策，目前电子烟的合法性仍然需等待社会的认同和讨论;为了规范产品，2014年，欧洲议会及美国等地通过了对电子烟的要求标准化和质量控制液体和雾化器，标示液体成分，以及保护儿童打样和防篡改液体包装等规定。不过也有部分国家由于其他安全等原因全面禁止电子烟。

1  电子烟简介及框架

1.1  电子烟简述

电子烟（Electronic Cigarette）是一种以锂电池供电，通过功率转换电路驱动雾化器的设备。雾化器一般为储油槽式雾化器，内部有雾化芯，通常是镍材质的线圈与棉花组成，当棉花吸收烟油后其线圈通电加热产生热能，即可使烟油雾化。通过合理的加热控制可以使吸烟者体验到类似传统香烟的口感和烟雾效果。由于电子烟的烟油是由丙二醇、植物甘油、食用香精或尼古丁组成的，所以理论上其烟雾中不含焦油和一氧化碳，可使吸烟人士远离传统香烟中的致癌物，同时电子烟无需燃烧，也降低了火灾发生的可能。因此，在理论上电子烟取代传统香烟可以大大减少对吸烟者身体健康的危害及发生火灾的可能性，并且电子烟可以作为安全的尼古丁替代品。

1.2  电子烟功率转换电路

如图1所示是电子烟的核心功率转换电路框图，其决定了该电子烟加热时的最大功率。电子烟功率转换电路的供电输入端一般为单节锂电池（功率特别大时也有用双节锂电池串联的）。输出端的霧化芯加热丝的阻值一般在0.2Ω～0.8Ω之间，若以100W的输出功率计算，其输出端的最大电压接近9V，大于单节锂电池的电压;当输出功率较小，如40W时，其输出端电压完全可能小于单节锂电池的电压。因此考虑到加热丝上的电压在控制过程中可能会大于或小于输入电池电压，故其功率转换电路需采用Buck-Boost拓扑的升降压电路。以功率转换电路的转换效率95%和锂电池典型电压3.7V估算，当功率最大时，其电池的输出电流将达到28.45A，所以普通的锂电池根本无法满足，必须选择30A以上的动力电池供电[1]。面对如此大的功率和电流，功率电路即使采用集成芯片也很难达到如此高的功率，因此本设计最终采用由四个NMOS管组成的全桥Buck-Boost升降压拓扑电路。

2  功率转换电路的工作原理及控制

2.1  全桥Buck-Boost电路工作原理

四管全桥Buck-Boost升降压拓扑电路相当于是由一个同步的Buck拓扑电路和一个同步的Boost拓扑电路级联而成的。当输出电压小于输入电压时，右侧的③管保持导通，④管保持关闭，如此左侧半桥工作就形成了Buck降压电路;当输出电压大于输入电压时，左侧的①管保持导通，②管保持关闭，如此右侧半桥工作就形成了Boost升压电路。如此采用双占空比控制，降压和升压部分占空比相互独立，可以降低运行时间内开关管的开关损耗。

比较典型的是当输入电压接近于输出电压时，由于NMOS管存在管压降，Buck和Boost模式间的临界状态切换可能会造成明显的输出浪涌，并且没有回溯能力。有一种方法可以使该区间内降压和升压部分的驱动最优，并且保证效率最高，这种方法就是占空比固定差值法[2]，其简要的工法驱动过程如图2所示。PWMA和PWMB分别是两侧半桥的PWM驱动信号，其中PWMA的正占空比代表Buck降压的占空比Dbuck，PWMB的负占空比代表Boost升压的占空比Dboost。首先分别设置Buck电路的最大占空比Dbuck=90%，Boost电路的最小占空比Dboost为10%。最初电路完全工作在降压模式，此时Dboost=0%，随着输出电压的升高，Dbuck逐渐变大，当达到最大占空比90%时，升压占空比Dboost需强行从0跳变到10%，同时Dbuck要同步下降到80%以保证输出电压不变，此时输出的浪涌几乎可以忽略，不会出现明显的输出过冲和下冲。当输出继续变大时Dbuck和Dboost均变大，但需保证Dbuck-Dboost的差值固定在70%，当Dbuck再次达到最大占空比90%时，此时Dboost已经增加到20%，降压占空比Dbuck需强行从90%跳变到100%，同时Dboost需同步下降到10%以保证输出电压的不变。接下来随着输出电压的继续升高，电路就完全工作在Boost升压模式了。

2.2  恒功率控制技术

电子烟雾化芯上的热量与加热线圈上的功率随时间成正比例关系，因此随着加热时间的增加，使用恒功率加热可以保证雾化芯上的热量越来越大，最终达到一个稳态。

如图3所示是恒功率控制技术的流程图。若要实现恒功率加热，需要实时采集加热线圈上的电压和电流进行反馈，通过计算输出功率P，与预设的目标加热功率对比进行PID调节，若测量到的输出功率小于目标设置功率时，通过PID计算适当增加PWM占空比;反之则适当减小PWM占空比，如此形成一个完整的负反馈，维持输出功率的稳定。

理论上为了使输出调节响应更加迅速，其反馈控制的周期应该与PWM的周期一致，即PWM同步触发主控MCU的ADC中断采集加热线圈上的电压和电流，并在一个PWM周期内完成实际输出功率和目标功率间的PID调节，计算出一个新的PWM占空比，由主控更新到下一个PWM周期的调控中。一般对于分离式的全桥Buck-Boost电路，其PWM频率往往在200KHz左右，可在一个5μs的周期内完成信息采集和反馈控制，同时还要处理其他主函数功能，则MCU的主频一般需要在50MHz以上。当然为了降低成本也可以适当降低反馈环路的响应速度，如可以连续采集10个PWM周期的电压电流信息后取平均值进行反馈控制。

2.3  恒温控制技术

电子烟的恒温控制与恒功率控制思路类似，区别在于恒温控制的反馈量是温度信息，而这个温度信息却并不是通过温度传感器进行采集的，而是通过加热丝材质的温度系数间接计算出来的。

一般电子烟雾化芯的加热丝常用材质有镍、钛、不锈钢等，不同材质的TCR（电阻温度系数）值不同，如不锈钢丝材质的TCR值基本为零，即这种材质随温度的变化阻值基本不变，所以这种材质是无法使用于温控电子烟当中的，只能用于恒功率控制当中。而像镍丝这种材质TCR值约为0.0069/℃，随着加热到不同温度，对应的阻值变化较大，故可以通过采集发热丝的电压电流计算出来发热丝当前的阻值，继而根据该材质的TCR值推算出来当前发热丝的温度。电子烟的恒温加热温度一般在350℃左右，由于恒温加热可以让烟油的雾化更加彻底和均匀，也能产生更好的口感，因此越来越多的高端电子烟当中都加入了恒温控制模式。

电子烟的恒温控制具体过程如图4所示，是通过与PWM同步采集当前发热丝上的电压和电流，计算出当前的发热丝电阻值并折算为温度值T进行反馈，通过对比实际测量的温度值与目标设定的温度值进行比较[3]，当温度小于目标设定值时，通过PID计算控制适当增加占空比，反之则适当减小占空比。同样，为了提高反馈的响应速度，建议在一个PWM周期内完成对占空比的更新控制。

可以看出在恒温控制反馈时信息计算量较大，比较浪费反馈控制的时间，所以为了更加高效地进行温度反馈控制，可以在设定完目标温度时先由主控将目标温度转化为对应的目标电阻值，这样在采集完加热丝的电压电流参数后，只需计算当前的电阻值并与目标电阻值进行对比即可，大大提高了反馈控制的速度，对恒温控制的响应有很大的改善。

3  电子烟的安全保护及发展趋势

3.1  电子烟的安全保护

电子烟是用锂电池供电的，其本身并不会燃烧，并且烟油雾化后相比传统香烟基本没有致癌物质。虽然相对安全了许多，但是使用锂电池还是不可避免地会产生由于电路板过流或短路导致电池爆炸的可能，所以如何提高电子烟的安全性，也是非常关键的一点。

电子烟电路设计中的过流或短路保护是必不可少的。通过在电池端增加保险丝或者在功率转换电路输入端增加过流保护电路均能提高安全性，板载保护电路最好通过比较器直接产生过流中断信号，并将此中断优先级调至最高，以迅速使电路进入保护状态。

除此之外还有一些过温保护，毕竟在100W的功率电路板上产生的热量也是不可小觑的，倘若温度过高也会增加爆炸或火灾发生的可能，所以电子烟一般在PCB板上会设置一个NTC热敏电阻，用于过温保护，当PCB板温度超过70℃时会禁止加热功能，并提示用户温度过高。

3.2  电子烟的发展趋势

随着智能时代的到来，电子烟集成的功能越来越多，如2.4寸TFT彩屏显示、电容触摸控制、蓝牙Wi-Fi无线连接、数据统计等功能，不仅可以将显示界面和操控做得更加美观和舒适，同时也能对使用者每天的吸烟量、吸烟时间进行统计，帮助使用者合理地控制吸烟量。

更有目前市面上已经出现的电子烤烟，为了做到与传统香烟的效果更加接近，不再是加热烟油，而是直接通过陶瓷加热管加热真的烟丝，烤烟的加热温度一般为300℃左右，远低于香烟燃烧时的650℃以上，因此烟丝并不会燃烧，只是通过低温烘烤产生烟雾，达到与传统方式几乎一样的吸烟效果，并且低温烘烤与燃烧相比能大大减少致癌物质，因此深受吸烟人群的喜爱。

4  结  论

本文针对电子烟功率转换电路的恒功率恒温控制技术的设计与实现进行说明，主要研究了由四個NMOS管组成的Buck-Boost升降压电路的设计及工作原理，以及电子烟控制中恒功率和恒温的控制和实现方式，然后对电子烟在实际使用过程中可能产生的安全问题及保护电路的必要性进行了分析，同时简要介绍了电子烟目前和未来的发展趋势。虽然电子烟产品发展较快，但万变不离其宗，电子烟产品的设计原理还是对输入输出的功率转换控制。由于传统香烟在燃烧过程中将会产生60多种致癌物质，并且也极易引发各种火灾，所以电子烟的出现主要是为了替代传统香烟，减少人们对香烟的依赖。

参考文献：

[1] [美]Abraham I.Pressman，Keith.Billings，Taylor Morey.开关电源设计 [M].第3版.王志强，肖文勋，虞龙，等译.北京：电子工业出版社，2010：6-24.

[2] [美]Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计 [M].第2版. 王健强，等译.北京：人民邮电出版社，2015：255-259.

[3] 胡寿松.自动控制原理 [M].第5版.北京：科学出版社，2007：9.

作者简介：范攀锋（1991.01-），男，汉族，河南洛阳人，研发主管，本科，研究方向：嵌入式系统硬件开发、开关电源设计。