范攀鋒 凌健鴻

摘? 要：由于傳統(tǒng)香煙對人體健康有一定損害，所以電子煙作為傳統(tǒng)香煙的替代者，就是為了要減少人們對它的依賴，在替代過程中面臨的最核心挑戰(zhàn)是如何對煙油進(jìn)行加熱控制，使產(chǎn)生的口感達(dá)到接近傳統(tǒng)香煙的效果。本文從電子煙的兩種加熱控制方式出發(fā)，分別介紹對電子煙的加熱控制原理、恒功率和恒溫加熱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又對電子煙的安全保護(hù)以及未來的發(fā)展趨勢做了簡要的分析。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù);恒功率恒溫控制;自動(dòng)控制;Buck-Boost;電子煙

中圖分類號：TN722.75? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

近年來電子煙作為新型的吸煙設(shè)備，由于其產(chǎn)生的煙霧量大且可以隨意更換不同口味的煙油加熱霧化，并且在使用過程中并不會(huì)產(chǎn)生焦油和一氧化碳等有害物質(zhì)，故一經(jīng)推出便深受吸煙人群的喜愛，有替代傳統(tǒng)香煙的趨勢。以歐美等國家的吸煙人群為代表，一部分使用者為了追求大煙霧量的效果，往往使電子煙的加熱功率高達(dá)100～200W，面對如此大的功率，硬件電路設(shè)計(jì)就顯得尤為重要;電子煙的控制除了恒功率的加熱控制外，為了更好的口感效果又加入了恒溫加熱控制。不過考慮到鋰電池的安全性和可能關(guān)系到的有關(guān)煙草的法律政策，目前電子煙的合法性仍然需等待社會(huì)的認(rèn)同和討論;為了規(guī)范產(chǎn)品，2014年，歐洲議會(huì)及美國等地通過了對電子煙的要求標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制液體和霧化器，標(biāo)示液體成分，以及保護(hù)兒童打樣和防篡改液體包裝等規(guī)定。不過也有部分國家由于其他安全等原因全面禁止電子煙。

1? 電子煙簡介及框架

1.1? 電子煙簡述

電子煙（Electronic Cigarette）是一種以鋰電池供電，通過功率轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)霧化器的設(shè)備。霧化器一般為儲(chǔ)油槽式霧化器，內(nèi)部有霧化芯，通常是鎳材質(zhì)的線圈與棉花組成，當(dāng)棉花吸收煙油后其線圈通電加熱產(chǎn)生熱能，即可使煙油霧化。通過合理的加熱控制可以使吸煙者體驗(yàn)到類似傳統(tǒng)香煙的口感和煙霧效果。由于電子煙的煙油是由丙二醇、植物甘油、食用香精或尼古丁組成的，所以理論上其煙霧中不含焦油和一氧化碳，可使吸煙人士遠(yuǎn)離傳統(tǒng)香煙中的致癌物，同時(shí)電子煙無需燃燒，也降低了火災(zāi)發(fā)生的可能。因此，在理論上電子煙取代傳統(tǒng)香煙可以大大減少對吸煙者身體健康的危害及發(fā)生火災(zāi)的可能性，并且電子煙可以作為安全的尼古丁替代品。

1.2? 電子煙功率轉(zhuǎn)換電路

如圖1所示是電子煙的核心功率轉(zhuǎn)換電路框圖，其決定了該電子煙加熱時(shí)的最大功率。電子煙功率轉(zhuǎn)換電路的供電輸入端一般為單節(jié)鋰電池（功率特別大時(shí)也有用雙節(jié)鋰電池串聯(lián)的）。輸出端的霧化芯加熱絲的阻值一般在0.2Ω～0.8Ω之間，若以100W的輸出功率計(jì)算，其輸出端的最大電壓接近9V，大于單節(jié)鋰電池的電壓;當(dāng)輸出功率較小，如40W時(shí)，其輸出端電壓完全可能小于單節(jié)鋰電池的電壓。因此考慮到加熱絲上的電壓在控制過程中可能會(huì)大于或小于輸入電池電壓，故其功率轉(zhuǎn)換電路需采用Buck-Boost拓?fù)涞纳祲弘娐?。以功率轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率95%和鋰電池典型電壓3.7V估算，當(dāng)功率最大時(shí)，其電池的輸出電流將達(dá)到28.45A，所以普通的鋰電池根本無法滿足，必須選擇30A以上的動(dòng)力電池供電[1]。面對如此大的功率和電流，功率電路即使采用集成芯片也很難達(dá)到如此高的功率，因此本設(shè)計(jì)最終采用由四個(gè)NMOS管組成的全橋Buck-Boost升降壓拓?fù)潆娐贰?/p>

2? 功率轉(zhuǎn)換電路的工作原理及控制

2.1? 全橋Buck-Boost電路工作原理

四管全橋Buck-Boost升降壓拓?fù)潆娐废喈?dāng)于是由一個(gè)同步的Buck拓?fù)潆娐泛鸵粋€(gè)同步的Boost拓?fù)潆娐芳壜?lián)而成的。當(dāng)輸出電壓小于輸入電壓時(shí)，右側(cè)的③管保持導(dǎo)通，④管保持關(guān)閉，如此左側(cè)半橋工作就形成了Buck降壓電路;當(dāng)輸出電壓大于輸入電壓時(shí)，左側(cè)的①管保持導(dǎo)通，②管保持關(guān)閉，如此右側(cè)半橋工作就形成了Boost升壓電路。如此采用雙占空比控制，降壓和升壓部分占空比相互獨(dú)立，可以降低運(yùn)行時(shí)間內(nèi)開關(guān)管的開關(guān)損耗。

比較典型的是當(dāng)輸入電壓接近于輸出電壓時(shí)，由于NMOS管存在管壓降，Buck和Boost模式間的臨界狀態(tài)切換可能會(huì)造成明顯的輸出浪涌，并且沒有回溯能力。有一種方法可以使該區(qū)間內(nèi)降壓和升壓部分的驅(qū)動(dòng)最優(yōu)，并且保證效率最高，這種方法就是占空比固定差值法[2]，其簡要的工法驅(qū)動(dòng)過程如圖2所示。PWMA和PWMB分別是兩側(cè)半橋的PWM驅(qū)動(dòng)信號，其中PWMA的正占空比代表Buck降壓的占空比Dbuck，PWMB的負(fù)占空比代表Boost升壓的占空比Dboost。首先分別設(shè)置Buck電路的最大占空比Dbuck=90%，Boost電路的最小占空比Dboost為10%。最初電路完全工作在降壓模式，此時(shí)Dboost=0%，隨著輸出電壓的升高，Dbuck逐漸變大，當(dāng)達(dá)到最大占空比90%時(shí)，升壓占空比Dboost需強(qiáng)行從0跳變到10%，同時(shí)Dbuck要同步下降到80%以保證輸出電壓不變，此時(shí)輸出的浪涌幾乎可以忽略，不會(huì)出現(xiàn)明顯的輸出過沖和下沖。當(dāng)輸出繼續(xù)變大時(shí)Dbuck和Dboost均變大，但需保證Dbuck-Dboost的差值固定在70%，當(dāng)Dbuck再次達(dá)到最大占空比90%時(shí)，此時(shí)Dboost已經(jīng)增加到20%，降壓占空比Dbuck需強(qiáng)行從90%跳變到100%，同時(shí)Dboost需同步下降到10%以保證輸出電壓的不變。接下來隨著輸出電壓的繼續(xù)升高，電路就完全工作在Boost升壓模式了。

2.2? 恒功率控制技術(shù)

電子煙霧化芯上的熱量與加熱線圈上的功率隨時(shí)間成正比例關(guān)系，因此隨著加熱時(shí)間的增加，使用恒功率加熱可以保證霧化芯上的熱量越來越大，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

如圖3所示是恒功率控制技術(shù)的流程圖。若要實(shí)現(xiàn)恒功率加熱，需要實(shí)時(shí)采集加熱線圈上的電壓和電流進(jìn)行反饋，通過計(jì)算輸出功率P，與預(yù)設(shè)的目標(biāo)加熱功率對比進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，若測量到的輸出功率小于目標(biāo)設(shè)置功率時(shí)，通過PID計(jì)算適當(dāng)增加PWM占空比;反之則適當(dāng)減小PWM占空比，如此形成一個(gè)完整的負(fù)反饋，維持輸出功率的穩(wěn)定。

理論上為了使輸出調(diào)節(jié)響應(yīng)更加迅速，其反饋控制的周期應(yīng)該與PWM的周期一致，即PWM同步觸發(fā)主控MCU的ADC中斷采集加熱線圈上的電壓和電流，并在一個(gè)PWM周期內(nèi)完成實(shí)際輸出功率和目標(biāo)功率間的PID調(diào)節(jié)，計(jì)算出一個(gè)新的PWM占空比，由主控更新到下一個(gè)PWM周期的調(diào)控中。一般對于分離式的全橋Buck-Boost電路，其PWM頻率往往在200KHz左右，可在一個(gè)5μs的周期內(nèi)完成信息采集和反饋控制，同時(shí)還要處理其他主函數(shù)功能，則MCU的主頻一般需要在50MHz以上。當(dāng)然為了降低成本也可以適當(dāng)降低反饋環(huán)路的響應(yīng)速度，如可以連續(xù)采集10個(gè)PWM周期的電壓電流信息后取平均值進(jìn)行反饋控制。

2.3? 恒溫控制技術(shù)

電子煙的恒溫控制與恒功率控制思路類似，區(qū)別在于恒溫控制的反饋量是溫度信息，而這個(gè)溫度信息卻并不是通過溫度傳感器進(jìn)行采集的，而是通過加熱絲材質(zhì)的溫度系數(shù)間接計(jì)算出來的。

一般電子煙霧化芯的加熱絲常用材質(zhì)有鎳、鈦、不銹鋼等，不同材質(zhì)的TCR（電阻溫度系數(shù)）值不同，如不銹鋼絲材質(zhì)的TCR值基本為零，即這種材質(zhì)隨溫度的變化阻值基本不變，所以這種材質(zhì)是無法使用于溫控電子煙當(dāng)中的，只能用于恒功率控制當(dāng)中。而像鎳絲這種材質(zhì)TCR值約為0.0069/℃，隨著加熱到不同溫度，對應(yīng)的阻值變化較大，故可以通過采集發(fā)熱絲的電壓電流計(jì)算出來發(fā)熱絲當(dāng)前的阻值，繼而根據(jù)該材質(zhì)的TCR值推算出來當(dāng)前發(fā)熱絲的溫度。電子煙的恒溫加熱溫度一般在350℃左右，由于恒溫加熱可以讓煙油的霧化更加徹底和均勻，也能產(chǎn)生更好的口感，因此越來越多的高端電子煙當(dāng)中都加入了恒溫控制模式。

電子煙的恒溫控制具體過程如圖4所示，是通過與PWM同步采集當(dāng)前發(fā)熱絲上的電壓和電流，計(jì)算出當(dāng)前的發(fā)熱絲電阻值并折算為溫度值T進(jìn)行反饋，通過對比實(shí)際測量的溫度值與目標(biāo)設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較[3]，當(dāng)溫度小于目標(biāo)設(shè)定值時(shí)，通過PID計(jì)算控制適當(dāng)增加占空比，反之則適當(dāng)減小占空比。同樣，為了提高反饋的響應(yīng)速度，建議在一個(gè)PWM周期內(nèi)完成對占空比的更新控制。

可以看出在恒溫控制反饋時(shí)信息計(jì)算量較大，比較浪費(fèi)反饋控制的時(shí)間，所以為了更加高效地進(jìn)行溫度反饋控制，可以在設(shè)定完目標(biāo)溫度時(shí)先由主控將目標(biāo)溫度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的目標(biāo)電阻值，這樣在采集完加熱絲的電壓電流參數(shù)后，只需計(jì)算當(dāng)前的電阻值并與目標(biāo)電阻值進(jìn)行對比即可，大大提高了反饋控制的速度，對恒溫控制的響應(yīng)有很大的改善。

3? 電子煙的安全保護(hù)及發(fā)展趨勢

3.1? 電子煙的安全保護(hù)

電子煙是用鋰電池供電的，其本身并不會(huì)燃燒，并且煙油霧化后相比傳統(tǒng)香煙基本沒有致癌物質(zhì)。雖然相對安全了許多，但是使用鋰電池還是不可避免地會(huì)產(chǎn)生由于電路板過流或短路導(dǎo)致電池爆炸的可能，所以如何提高電子煙的安全性，也是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。

電子煙電路設(shè)計(jì)中的過流或短路保護(hù)是必不可少的。通過在電池端增加保險(xiǎn)絲或者在功率轉(zhuǎn)換電路輸入端增加過流保護(hù)電路均能提高安全性，板載保護(hù)電路最好通過比較器直接產(chǎn)生過流中斷信號，并將此中斷優(yōu)先級調(diào)至最高，以迅速使電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

除此之外還有一些過溫保護(hù)，畢竟在100W的功率電路板上產(chǎn)生的熱量也是不可小覷的，倘若溫度過高也會(huì)增加爆炸或火災(zāi)發(fā)生的可能，所以電子煙一般在PCB板上會(huì)設(shè)置一個(gè)NTC熱敏電阻，用于過溫保護(hù)，當(dāng)PCB板溫度超過70℃時(shí)會(huì)禁止加熱功能，并提示用戶溫度過高。

3.2? 電子煙的發(fā)展趨勢

隨著智能時(shí)代的到來，電子煙集成的功能越來越多，如2.4寸TFT彩屏顯示、電容觸摸控制、藍(lán)牙Wi-Fi無線連接、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，不僅可以將顯示界面和操控做得更加美觀和舒適，同時(shí)也能對使用者每天的吸煙量、吸煙時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，幫助使用者合理地控制吸煙量。

更有目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)的電子烤煙，為了做到與傳統(tǒng)香煙的效果更加接近，不再是加熱煙油，而是直接通過陶瓷加熱管加熱真的煙絲，烤煙的加熱溫度一般為300℃左右，遠(yuǎn)低于香煙燃燒時(shí)的650℃以上，因此煙絲并不會(huì)燃燒，只是通過低溫烘烤產(chǎn)生煙霧，達(dá)到與傳統(tǒng)方式幾乎一樣的吸煙效果，并且低溫烘烤與燃燒相比能大大減少致癌物質(zhì)，因此深受吸煙人群的喜愛。

4? 結(jié)? 論

本文針對電子煙功率轉(zhuǎn)換電路的恒功率恒溫控制技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說明，主要研究了由四個(gè)NMOS管組成的Buck-Boost升降壓電路的設(shè)計(jì)及工作原理，以及電子煙控制中恒功率和恒溫的控制和實(shí)現(xiàn)方式，然后對電子煙在實(shí)際使用過程中可能產(chǎn)生的安全問題及保護(hù)電路的必要性進(jìn)行了分析，同時(shí)簡要介紹了電子煙目前和未來的發(fā)展趨勢。雖然電子煙產(chǎn)品發(fā)展較快，但萬變不離其宗，電子煙產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理還是對輸入輸出的功率轉(zhuǎn)換控制。由于傳統(tǒng)香煙在燃燒過程中將會(huì)產(chǎn)生60多種致癌物質(zhì)，并且也極易引發(fā)各種火災(zāi)，所以電子煙的出現(xiàn)主要是為了替代傳統(tǒng)香煙，減少人們對香煙的依賴。

參考文獻(xiàn)：

[1] [美]Abraham I.Pressman，Keith.Billings，Taylor Morey.開關(guān)電源設(shè)計(jì) [M].第3版.王志強(qiáng)，肖文勛，虞龍，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010：6-24.

[2] [美]Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì) [M].第2版. 王健強(qiáng)，等譯.北京：人民郵電出版社，2015：255-259.

[3] 胡壽松.自動(dòng)控制原理 [M].第5版.北京：科學(xué)出版社，2007：9.

作者簡介：范攀鋒（1991.01-），男，漢族，河南洛陽人，研發(fā)主管，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)、開關(guān)電源設(shè)計(jì)。