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电子烟虽然体积小巧,却是安全要求极高的大功率产品。以市面上常见的可更换烟弹的扁烟为例,虽然相对于APV、POD等传统产品功率大幅下降,但仍不可小视。


假定其选用1Ω的雾化器,导通电流峰值会超过4A。而且从趋势来看,部分扁烟产品已经开始使用0.7Ω甚至更低阻抗的雾化器,工作电流更是大幅提升。


为了支持如此高的工作电流,电子烟通常选用高倍率的动力电池, 这类电池的内阻相当小,一旦短路,电流会高达10A甚至几十安培,轻则烧毁MOS,重则可能会引发电池爆炸、火灾安全事故。对于随身携带使用的电子烟来说,哪怕是万分之一的概率,也是无法接受的。


但在电子烟的使用过程中,却无法完全避免短路的发生。譬如:遇到劣质的烟弹、使用过程中的擦碰、不小心用金属接触等。所以,快速可靠的短路保护功能是电子烟产品的关键指标。

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图为可怕的电子烟爆炸后

目前电子烟特别是扁烟的产品设计中,通常利用MCU的LVR(LVD、BOR)特性来实现短路保护。(图1)

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图1:常见电子烟电路

这种方式是否可靠呢?我们来分析一下。LVR原理是:发生短路时,电池电压拉到低于LVR电压,MCU复位,PWM停止输出,保护生效。

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图2:LVR保护原理

仔细阅读MCU的数据手册,我们会发现有这样的问题。从发生短路到MCU复位生效,会有Delay1+Delay2的延时。

——Delay1:VDD跌落到LVR电压的时间,与MOSFET的内阻大小和电池的参数有关。

——Delay2:为了避免LVR复位过敏感,MCU内部的LVR一般都会设计100μS以上的延迟。

但实际测试时,发现比预想的保护时间更长,达到了928μS,如下图。而且测试发现,电池电压越高,保护时间越长;电池内阻越小,保护时间越长。

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蓝色:VDD     绿色:PWM输出

图3:LVR短路保护实测波形

这导致LVR短路保护存在失效的风险,以目前常用的电子烟MOS为例:电流10A,压差3V时的安全工作时间也就1mS左右,上面的测试结果已经到了安全工作区的极限,非常危险。为了保障安全,设计者往往需要更换更高规格的MOSFET,甚至增加专用的电池保护芯片,大幅提高了系统成本。

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图4:电子烟MOSFET安全工作区

更为严重的是,在不完全短路的情况(譬如:劣质烟弹未完全短路但阻抗偏低,MOSFET内阻偏大等),导致VCC无法降低到LVR电压,保护功能会失效。

为了解决上述痛点,提高电子烟的安全性,CSU32M10突破常规,集成了专利技术的硬件短路保护功能,无需增加任何外围器件,即可实现快速、可靠的短路保护功能(图5)。

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图5:CSU32M10短路保护原理

前述设计中,用同样规格的外围器件,把MCU改为CSU32M10再进行测试,实测的波形见下图6。可以看到,从电流达到保护阈值、经过内部滤波、到短路保护生效,间隔只有5μS,相比传统的LVR的保护方式,提高了100倍以上;即使是不完全短路的情况下,也不影响短路保护的可靠性。而且CSU32M10还可以设定不同的保护阈值和滤波时间长度,开发者在器件选型、软硬件设计时无需再为短路保护伤脑筋。

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图6:CSU32M10短路保护实测波形

CSU32M10是芯海科技为电子烟应用设计的MCU,带12-bit高性能ADC和芯海专利技术的高精度低温漂基准电压,集成了硬件短路保护和雾化器阻抗测量功能,支持免拆电池更新固件,适用于中小功率电子烟产品。

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芯海科技成立于2003年,作为国内首家推出电子烟专用MCU的芯片原厂,芯海科技已开发出了8、32位的电子烟MCU。拥有自主知识产权的8位RISC

架构MCU,集成度高、性价比高、安全可靠、品质稳定,已经被电子烟的大中型板卡厂和品牌批量使用。芯海32位高性能MCU可靠性高、测量精准、封装体积小,是大功率电子烟及加热不燃烧(烤烟)烟具的首选。

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电子烟是新兴消费类电子产品,麻雀虽小,五脏俱全,其综合应用多种材料及外观处理工艺。艾邦电子烟群搭建供应链交流对接平台,麦克韦尔合元吉瑞、思格雷、博迪卓力能铂德Boulder、Juul、SMOK、格林韵达、卓尔悦、IJOY、APOLLO阿波罗、思拓微、诚芯微、合芯微 、亿纬锂能、莱鼎电子、浙江鹏孚隆、纽莱克、聚能陶瓷新化县恒睿电子利德英可电子福美来陶瓷浩然特塑绅博源生物科技弘毅电子华诚达精密工业、中科芯集成电路、海天特种陶瓷中达强电炉、小川电子、建宇网印机电设备、群华陶瓷、晶品新材料大宏新材料科瑞技术、合肥费舍罗、中研高分子、合肥高歌、伊士曼、顺络电子、四川汇利、杰士德等。

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作者 ab