郜嘉銘，張治東，劉興輝

（遼寧大學物理學院，遼寧沈陽 110036）

目前，全球在控煙形勢和健康輿情的雙重壓力下，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，電子煙的主控芯片一般是采用單片機作為微控制單元（Microprogrammed Control Unit，MCU），并攜同一系列的其他元件來組成一個控制系統(tǒng)[1-2]，具有電路復雜、功耗高、面積大和難以片上集成的缺點。文獻[3-4]采用了數字控制模塊來控制電路的信號，同時也需要額外設計復雜的時序電路。文獻[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[7-8]采用了單片機作為控制芯片，增加了很多傳感器來實現(xiàn)多功能的控制方式?，F(xiàn)如今，集成電路技術迅猛發(fā)展，系統(tǒng)功能集成度越來越高。上述電子煙控制系統(tǒng)已經不適合當今技術的發(fā)展趨勢。因此設計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構框圖如圖1 所示。核心電路模塊包括調理放大模塊(AMP)、比較處理模塊(COMP)、溫度電流控制模塊(CTC)、霧化絲驅動模塊(DRIVE)、LED 驅動模塊(LED)、過溫保護模塊(OTP)和過流保護模塊(OCP)。AMP 模塊負責處理抽煙信號的放大工作。COMP 模塊比較處理AMP 模塊輸出的電壓信號。CTC 模塊依據電路溫度和霧化絲(AT)的電流來控制輸入信號。DRIVE模塊由具有超大驅動能力的多級反相器和兩個耐高壓橫向擴散金屬氧化物半導體管(Lateral Doublediffused MOSFET,LDMOS)組成。DRIVE 模塊負責驅動霧化絲AT 并提供一路電流保護檢測通路。LED 模塊為LED 燈提供合適的電流驅動。OCP 模塊負責監(jiān)測DRIVE 模塊的電流。OTP 模塊監(jiān)控整個電路的溫度。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 電路總體結構框圖

2 檢測原理

在實際電路中，電子煙的煙嘴通常連接一個片外可變電容來產生抽煙動作電壓信號。當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IN為可變電容電壓。IN信號輸入AMP 模塊中，經緩沖處理后放大，放大的信號IN_VN 傳入COMP 模塊，經過比較處理和狀態(tài)鎖存后輸出控制信號VS。OTP 模塊的VOTP信號和OCP 模塊的VOCP信號傳輸到CTC 模塊，當VOCP信號和VOTP信號為低電平時，VS信號才能通過CTC 模塊輸出VSA信號。當VOCP信號和VOTP信號中的任何一個信號為高電平時，VS信號不能通過CTC 模塊，VSA為低電平，電路停止工作。VSA信號為高電平時，DRIVE 模塊導通并為霧化絲AT 提供通路，同時LED 模塊導通并驅動LED 燈。OCP 模塊檢測DRIVE模塊的電流，當電流保護檢測通路電流過大時，采樣電壓Vc 升高且高于設定閾值時，VOCP為高電平。OTP模塊檢測整個電路的溫度，當溫度高于閾值時，VOTP為高電平。

3 核心模塊設計

3.1 調理放大模塊（AMP）

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

圖2 調理放大模塊（AMP）電路結構

3.2 比較處理模塊(COMP)

COMP 模塊電路結構如圖3 所示，由兩級基本放大電路組成，第一級為由MOS 管M1～M6 組成的五管差分放大電路，第二級為由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VL_VP 和VH_VP，其分別由M7、M8 控制，VN 輸入端接調理放大后的電容信號IN_VN。M11、M12 為兩個大尺寸的驅動反相器，M13～M16 為兩個反相器組成的鎖存器。M17、M18 組成的反相器控制VL 信號，M19、M20 組成的反相器控制VH 信號，M21～M24 組成的兩個反相器為輸出驅動緩沖級。比較器的亞穩(wěn)態(tài)[12-13]是造成轉換誤差的重要原因。當輸入信號的瞬間值與比較器的參考電壓很接近時，比較器的輸出將在很長時間內不確定，就會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，使電路需要更長的時間才能產生穩(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，為非固定值，存在亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。由此，后面增加了一級由兩個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，提高比較器的翻轉速度。最末端增加的緩沖器可對上一級電路輸出的高低電平進行處理，提高輸出端的負載驅動能力，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信號為低電平，此時VL信號為高電平，VH信號為低電平，VL_VP 為1.7 V，此時IN_VN高于1.7 V，VS信號仍為低電平。當氣壓變化時，電容值變化，輸入電壓IN_VN 開始下降，在低于1.7 V 時，VS信號發(fā)生跳變，同時VH被拉高，VL降低為低電平，此時VH_VP 為1.9 V，在IN_VN 持續(xù)的變化下，輸出信號VS保持為高電平。當氣壓逐漸恢復正常時，電容值變回靜態(tài)電容值，IN_VN 信號出現(xiàn)回升，在上升沿高于1.9 V 時，VS信號發(fā)生跳變，由高電平變?yōu)榈碗娖?，VH被拉低，VL被拉高，恢復至初始狀態(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動反相器組成。異或門兩端輸入為VOTP和VOCP，當VOCP和VOTP任何一個信號為高電平時，異或門輸出高電平。異或門輸出信號控制由兩級驅動反相器組成的緩沖級來控制VS信號的導通與否。

3.4 LED驅動模塊(LED)

LED 驅動模塊(LED)是由運放和電流鏡組成的恒流電路[17]，運放把電阻端的電壓鉗位在輸入參考電壓，由此來產生恒定電流。此電流再由電流鏡鏡像輸出，驅動LED 燈工作。

3.5 霧化絲驅動模塊(DRIVE)

霧化絲驅動模塊（DRIVE）采用電熱式霧化方式，電路結構如圖4 所示，經六級反相器接入VSA信號，M25～M36 組成六級反相器，其中最后三級寬長比依次逐級翻倍并聯(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 提供足夠大的驅動。M37、M38 為兩個超級大寬長比的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 霧化絲驅動模塊（DRIVE）電路原理圖

3.6 保護模塊（OTP、OCP）

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

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

4 電容模擬信號產生模型

在仿真測試電路中，抽煙信號電容采用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)一個兆歐級的電阻R9連接1.8 V 的電壓。在輸入端VC、VG 之間，用方波信號源來模擬抽煙信號變化。當方波信號為低電平時，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IN不變。當方波信號為高電平時，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IN發(fā)生變化。此電容等效模塊的VerilogA 具體實現(xiàn)思路：設置輸入、輸出端口VC、VG、GND、OUT，采用簡單的case 語句來實現(xiàn)不同電容值的狀態(tài)，用if 語句來判斷VC 和VG 的輸入信號差值，并依據判斷結果選擇合適的case，最后用簡單的微分語句表示出電容的I-V特性函數。該電容等效模塊的工作電壓為1.8 V，當氣壓不變時，電容靜態(tài)值為3.2 pF，當氣壓發(fā)生變化時，電容動態(tài)值為3.3 pF。

圖5 電容模擬信號產生示意圖

5 電路時序仿真與分析

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 軟件對電路進行Spectre 仿真。如圖6、7 所示，當方波信號接入等效電容模塊時，輸出圍繞1.8 V 抖動的電壓尖峰信號IN，抖動幅度在20 mV。AMP 模塊把信號IN尖峰抖動幅度放大8 倍并輸出IN_VP 至1.64～1.96 V。經過COMP 模塊快速處理輸出信號VS。VS信號通過CTC 模塊后控制DRIVE 模塊和LED 模塊，驅動霧化絲AT 和LED 燈正常工作。正常工作下，OCP 和OTP 的輸出信號為低電平。OCP 和OTP 仿真波形如圖8 所示。當溫度高于150 ℃或者電流高于3.5 A 時，OCP 和OTP 分別輸出高電平。當溫度降至125 ℃時，VOTP由高電平跳變?yōu)榈碗娖?。會一直檢測電流保護通路的電流，直到降低至2 A 時，OCP 電路才輸出低電平。CTC 檢測到VOTP和VOCP任何一個為高電平，則切斷輸入信號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 結論

設計了一種電子煙專用控制電路系統(tǒng)，其能夠準確地控制霧化絲AT 和LED 燈，并具有過溫過流保護功能。該電路結構簡單，不需要時序產生電路。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，該電路最小可識別0.1 pF 的電容，當產生抽煙信號，霧化絲AT 導通并開始發(fā)熱，同時LED 燈變亮。當溫度高于150 ℃或者電流高于3.5 A 時，電路停止工作。當溫度降至125 ℃時，且電流低于2 A 時，電路重新開始正常工作。還可以進一步改進整個電子煙控制電路，可以通過增加數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。