100W恒功率恒溫電子煙的設計與實現

范攀鋒 凌健鴻

摘? 要：由于傳統香煙對人體健康有一定損害，所以電子煙作為傳統香煙的替代者，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是如何對煙油進行加熱控制，使產生的口感達到接近傳統香煙的效果。本文從電子煙的兩種加熱控制方式出發，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計與實現，同時又對電子煙的安全保護以及未來的發展趨勢做了簡要的分析。

關鍵詞：電子技術;恒功率恒溫控制;自動控制;Buck-Boost;電子煙

中圖分類號：TN722.75? ? ? 文獻標識碼：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備，由于其產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產生焦油和一氧化碳等有害物質，故一經推出便深受吸煙人群的喜愛，有替代傳統香煙的趨勢。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100～200W，面對如此大的功率，硬件電路設計就顯得尤為重要;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系到的有關煙草的法律政策，目前電子煙的合法性仍然需等待社會的認同和討論;為了規范產品，2014年，歐洲議會及美國等地通過了對電子煙的要求標準化和質量控制液體和霧化器，標示液體成分，以及保護兒童打樣和防篡改液體包裝等規定。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，通過功率轉換電路驅動霧化器的設備。霧化器一般為儲油槽式霧化器，內部有霧化芯，通常是鎳材質的線圈與棉花組成，當棉花吸收煙油后其線圈通電加熱產生熱能，即可使煙油霧化。通過合理的加熱控制可以使吸煙者體驗到類似傳統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，可使吸煙人士遠離傳統香煙中的致癌物，同時電子煙無需燃燒，也降低了火災發生的可能。因此，在理論上電子煙取代傳統香煙可以大大減少對吸煙者身體健康的危害及發生火災的可能性，并且電子煙可以作為安全的尼古丁替代品。

1.2? 電子煙功率轉換電路

如圖1所示是電子煙的核心功率轉換電路框圖，其決定了該電子煙加熱時的最大功率。電子煙功率轉換電路的供電輸入端一般為單節鋰電池（功率特別大時也有用雙節鋰電池串聯的）。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的輸出功率計算，其輸出端的最大電壓接近9V，大于單節鋰電池的電壓;當輸出功率較小，如40W時，其輸出端電壓完全可能小于單節鋰電池的電壓。因此考慮到加熱絲上的電壓在控制過程中可能會大于或小于輸入電池電壓，故其功率轉換電路需采用Buck-Boost拓撲的升降壓電路。以功率轉換電路的轉換效率95%和鋰電池典型電壓3.7V估算，當功率最大時，其電池的輸出電流將達到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到如此高的功率，因此本設計最終采用由四個NMOS管組成的全橋Buck-Boost升降壓拓撲電路。

2? 功率轉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升降壓拓撲電路相當于是由一個同步的Buck拓撲電路和一個同步的Boost拓撲電路級聯而成的。當輸出電壓小于輸入電壓時，右側的③管保持導通，④管保持關閉，如此左側半橋工作就形成了Buck降壓電路;當輸出電壓大于輸入電壓時，左側的①管保持導通，②管保持關閉，如此右側半橋工作就形成了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立，可以降低運行時間內開關管的開關損耗。

比較典型的是當輸入電壓接近于輸出電壓時，由于NMOS管存在管壓降，Buck和Boost模式間的臨界狀態切換可能會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間內降壓和升壓部分的驅動最優，并且保證效率最高，這種方法就是占空比固定差值法[2]，其簡要的工法驅動過程如圖2所示。PWMA和PWMB分別是兩側半橋的PWM驅動信號，其中PWMA的正占空比代表Buck降壓的占空比Dbuck，PWMB的負占空比代表Boost升壓的占空比Dboost。首先分別設置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Dboost=0%，隨著輸出電壓的升高，Dbuck逐漸變大，當達到最大占空比90%時，升壓占空比Dboost需強行從0跳變到10%，同時Dbuck要同步下降到80%以保證輸出電壓不變，此時輸出的浪涌幾乎可以忽略，不會出現明顯的輸出過沖和下沖。當輸出繼續變大時Dbuck和Dboost均變大，但需保證Dbuck-Dboost的差值固定在70%，當Dbuck再次達到最大占空比90%時，此時Dboost已經增加到20%，降壓占空比Dbuck需強行從90%跳變到100%，同時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

電子煙霧化芯上的熱量與加熱線圈上的功率隨時間成正比例關系，因此隨著加熱時間的增加，使用恒功率加熱可以保證霧化芯上的熱量越來越大，最終達到一個穩態。

如圖3所示是恒功率控制技術的流程圖。若要實現恒功率加熱，需要實時采集加熱線圈上的電壓和電流進行反饋，通過計算輸出功率P，與預設的目標加熱功率對比進行PID調節，若測量到的輸出功率小于目標設置功率時，通過PID計算適當增加PWM占空比;反之則適當減小PWM占空比，如此形成一個完整的負反饋，維持輸出功率的穩定。

理論上為了使輸出調節響應更加迅速，其反饋控制的周期應該與PWM的周期一致，即PWM同步觸發主控MCU的ADC中斷采集加熱線圈上的電壓和電流，并在一個PWM周期內完成實際輸出功率和目標功率間的PID調節，計算出一個新的PWM占空比，由主控更新到下一個PWM周期的調控中。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5μs的周期內完成信息采集和反饋控制，同時還要處理其他主函數功能，則MCU的主頻一般需要在50MHz以上。當然為了降低成本也可以適當降低反饋環路的響應速度，如可以連續采集10個PWM周期的電壓電流信息后取平均值進行反饋控制。

2.3? 恒溫控制技術

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

一般電子煙霧化芯的加熱絲常用材質有鎳、鈦、不銹鋼等，不同材質的TCR（電阻溫度系數）值不同，如不銹鋼絲材質的TCR值基本為零，即這種材質隨溫度的變化阻值基本不變，所以這種材質是無法使用于溫控電子煙當中的，只能用于恒功率控制當中。而像鎳絲這種材質TCR值約為0.0069/℃，隨著加熱到不同溫度，對應的阻值變化較大，故可以通過采集發熱絲的電壓電流計算出來發熱絲當前的阻值，繼而根據該材質的TCR值推算出來當前發熱絲的溫度。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，也能產生更好的口感，因此越來越多的高端電子煙當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同步采集當前發熱絲上的電壓和電流，計算出當前的發熱絲電阻值并折算為溫度值T進行反饋，通過對比實際測量的溫度值與目標設定的溫度值進行比較[3]，當溫度小于目標設定值時，通過PID計算控制適當增加占空比，反之則適當減小占空比。同樣，為了提高反饋的響應速度，建議在一個PWM周期內完成對占空比的更新控制。

可以看出在恒溫控制反饋時信息計算量較大，比較浪費反饋控制的時間，所以為了更加高效地進行溫度反饋控制，可以在設定完目標溫度時先由主控將目標溫度轉化為對應的目標電阻值，這樣在采集完加熱絲的電壓電流參數后，只需計算當前的電阻值并與目標電阻值進行對比即可，大大提高了反饋控制的速度，對恒溫控制的響應有很大的改善。

3? 電子煙的安全保護及發展趨勢

3.1? 電子煙的安全保護

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

電子煙電路設計中的過流或短路保護是必不可少的。通過在電池端增加保險絲或者在功率轉換電路輸入端增加過流保護電路均能提高安全性，板載保護電路最好通過比較器直接產生過流中斷信號，并將此中斷優先級調至最高，以迅速使電路進入保護狀態。

除此之外還有一些過溫保護，畢竟在100W的功率電路板上產生的熱量也是不可小覷的，倘若溫度過高也會增加爆炸或火災發生的可能，所以電子煙一般在PCB板上會設置一個NTC熱敏電阻，用于過溫保護，當PCB板溫度超過70℃時會禁止加熱功能，并提示用戶溫度過高。

3.2? 電子煙的發展趨勢

隨著智能時代的到來，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、藍牙Wi-Fi無線連接、數據統計等功能，不僅可以將顯示界面和操控做得更加美觀和舒適，同時也能對使用者每天的吸煙量、吸煙時間進行統計，幫助使用者合理地控制吸煙量。

更有目前市面上已經出現的電子烤煙，為了做到與傳統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，遠低于香煙燃燒時的650℃以上，因此煙絲并不會燃燒，只是通過低溫烘烤產生煙霧，達到與傳統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，因此深受吸煙人群的喜愛。

4? 結? 論

本文針對電子煙功率轉換電路的恒功率恒溫控制技術的設計與實現進行說明，主要研究了由四個NMOS管組成的Buck-Boost升降壓電路的設計及工作原理，以及電子煙控制中恒功率和恒溫的控制和實現方式，然后對電子煙在實際使用過程中可能產生的安全問題及保護電路的必要性進行了分析，同時簡要介紹了電子煙目前和未來的發展趨勢。雖然電子煙產品發展較快，但萬變不離其宗，電子煙產品的設計原理還是對輸入輸出的功率轉換控制。由于傳統香煙在燃燒過程中將會產生60多種致癌物質，并且也極易引發各種火災，所以電子煙的出現主要是為了替代傳統香煙，減少人們對香煙的依賴。

參考文獻：

[1] [美]Abraham I.Pressman，Keith.Billings，Taylor Morey.開關電源設計 [M].第3版.王志強，肖文勛，虞龍，等譯.北京：電子工業出版社，2010：6-24.

[2] [美]Sanjaya Maniktala.精通開關電源設計 [M].第2版. 王健強，等譯.北京：人民郵電出版社，2015：255-259.

[3] 胡壽松.自動控制原理 [M].第5版.北京：科學出版社，2007：9.

作者簡介：范攀鋒（1991.01-），男，漢族，河南洛陽人，研發主管，本科，研究方向：嵌入式系統硬件開發、開關電源設計。