电容式电子烟控制电路设计

郜嘉铭，张治东，刘兴辉

（辽宁大学物理学院，辽宁沈阳 110036）

目前，全球在控烟形势和健康舆情的双重压力下，传统烟受到越来越多的限制，电子烟呈现出极大地潜在市场。在国内，电子烟的主控芯片一般是采用单片机作为微控制单元（Microprogrammed Control Unit，MCU），并携同一系列的其他元件来组成一个控制系统[1-2]，具有电路复杂、功耗高、面积大和难以片上集成的缺点。文献[3-4]采用了数字控制模块来控制电路的信号，同时也需要额外设计复杂的时序电路。文献[5-6]采用了非专用型控制芯片来作为电子烟的控制器。文献[7-8]采用了单片机作为控制芯片，增加了很多传感器来实现多功能的控制方式。现如今，集成电路技术迅猛发展，系统功能集成度越来越高。上述电子烟控制系统已经不适合当今技术的发展趋势。因此设计了一款电子烟专用控制电路。

1 总体电路

电子烟专用控制电路总体结构框图如图1 所示。核心电路模块包括调理放大模块(AMP)、比较处理模块(COMP)、温度电流控制模块(CTC)、雾化丝驱动模块(DRIVE)、LED 驱动模块(LED)、过温保护模块(OTP)和过流保护模块(OCP)。AMP 模块负责处理抽烟信号的放大工作。COMP 模块比较处理AMP 模块输出的电压信号。CTC 模块依据电路温度和雾化丝(AT)的电流来控制输入信号。DRIVE模块由具有超大驱动能力的多级反相器和两个耐高压横向扩散金属氧化物半导体管(Lateral Doublediffused MOSFET,LDMOS)组成。DRIVE 模块负责驱动雾化丝AT 并提供一路电流保护检测通路。LED 模块为LED 灯提供合适的电流驱动。OCP 模块负责监测DRIVE 模块的电流。OTP 模块监控整个电路的温度。核心模块的电压及电流分别由带隙（BANDGAP）模块[9]、电流偏置（IBIAS）模块提供。正常工作下电源电压为3.7 V。IBIAS 模块提供的偏置电流均为2 μA。

图1 电路总体结构框图

2 检测原理

在实际电路中，电子烟的烟嘴通常连接一个片外可变电容来产生抽烟动作电压信号。当电容置于变化气压的环境下，两极板距离变化，电容值改变，电容两端电压值也发生变化。输入信号IN为可变电容电压。IN信号输入AMP 模块中，经缓冲处理后放大，放大的信号IN_VN 传入COMP 模块，经过比较处理和状态锁存后输出控制信号VS。OTP 模块的VOTP信号和OCP 模块的VOCP信号传输到CTC 模块，当VOCP信号和VOTP信号为低电平时，VS信号才能通过CTC 模块输出VSA信号。当VOCP信号和VOTP信号中的任何一个信号为高电平时，VS信号不能通过CTC 模块，VSA为低电平，电路停止工作。VSA信号为高电平时，DRIVE 模块导通并为雾化丝AT 提供通路，同时LED 模块导通并驱动LED 灯。OCP 模块检测DRIVE模块的电流，当电流保护检测通路电流过大时，采样电压Vc 升高且高于设定阈值时，VOCP为高电平。OTP模块检测整个电路的温度，当温度高于阈值时，VOTP为高电平。

3 核心模块设计

3.1 调理放大模块（AMP）

AMP 模块电路结构如图2 所示，由电压缓冲跟随器和两个反相比例放大器级联组成，其中所用的运放为低失调、恒跨导、高增益的运算放大器[10-11]。第一级反相比例放大器中，放大比例由电阻R1和R2控制，为固定2 倍放大。第二级反相比例放大器的电阻R3～R7为相同阻值的电阻，可以对输入信号放大4 倍。总体的AMP 模块对输入信号以1.8 V 为中心上下波动放大8 倍。

图2 调理放大模块（AMP）电路结构

3.2 比较处理模块(COMP)

COMP 模块电路结构如图3 所示，由两级基本放大电路组成，第一级为由MOS 管M1～M6 组成的五管差分放大电路，第二级为由M9、M10 组成电流沉反相器。在差分放大电路的输入端VP 有两路输入信号VL_VP 和VH_VP，其分别由M7、M8 控制，VN 输入端接调理放大后的电容信号IN_VN。M11、M12 为两个大尺寸的驱动反相器，M13～M16 为两个反相器组成的锁存器。M17、M18 组成的反相器控制VL 信号，M19、M20 组成的反相器控制VH 信号，M21～M24 组成的两个反相器为输出驱动缓冲级。比较器的亚稳态[12-13]是造成转换误差的重要原因。当输入信号的瞬间值与比较器的参考电压很接近时，比较器的输出将在很长时间内不确定，就会出现亚稳态，使电路需要更长的时间才能产生稳定的逻辑输出，影响电路的速度。AMP 模块输出的电压在1.8 V 上下波动，为非固定值，存在亚稳态现象。由此，后面增加了一级由两个反相器组成的锁存器。通过锁存器锁定COMP 的输出状态，可以有效地排除亚稳态效应，提高比较器的翻转速度。最末端增加的缓冲器可对上一级电路输出的高低电平进行处理，提高输出端的负载驱动能力，并且能够提升比较器的整体速度[14-16]。

图3 比较处理模块（COMP）电路原理图

初始状态下，VS信号为低电平，此时VL信号为高电平，VH信号为低电平，VL_VP 为1.7 V，此时IN_VN高于1.7 V，VS信号仍为低电平。当气压变化时，电容值变化，输入电压IN_VN 开始下降，在低于1.7 V 时，VS信号发生跳变，同时VH被拉高，VL降低为低电平，此时VH_VP 为1.9 V，在IN_VN 持续的变化下，输出信号VS保持为高电平。当气压逐渐恢复正常时，电容值变回静态电容值，IN_VN 信号出现回升，在上升沿高于1.9 V 时，VS信号发生跳变，由高电平变为低电平，VH被拉低，VL被拉高，恢复至初始状态。

3.3 温度电流控制模块(CTC)

温度电流控制模块（CTC）由两端输入的异或门和驱动反相器组成。异或门两端输入为VOTP和VOCP，当VOCP和VOTP任何一个信号为高电平时，异或门输出高电平。异或门输出信号控制由两级驱动反相器组成的缓冲级来控制VS信号的导通与否。

3.4 LED驱动模块(LED)

LED 驱动模块(LED)是由运放和电流镜组成的恒流电路[17]，运放把电阻端的电压钳位在输入参考电压，由此来产生恒定电流。此电流再由电流镜镜像输出，驱动LED 灯工作。

3.5 雾化丝驱动模块(DRIVE)

雾化丝驱动模块（DRIVE）采用电热式雾化方式，电路结构如图4 所示，经六级反相器接入VSA信号，M25～M36 组成六级反相器，其中最后三级宽长比依次逐级翻倍并联组成，电流逐步上升倍增，可以为后面的由LDMOS 组成的功率管M37、M38 提供足够大的驱动。M37、M38 为两个超级大宽长比的LDMOS 管，M37 为雾化丝AT 大电流提供通路，M38为采样管，且串联一分压电阻，电阻端电压Vc 用于控制M37 的电流。

图4 雾化丝驱动模块（DRIVE）电路原理图

3.6 保护模块（OTP、OCP）

过温保护模块（OTP）由简单的迟滞比较器[18-19]和BJT 三极管组成。通过两路开关来实现迟滞功能，避免了信号在翻转阈值附近频繁翻转，造成电路工作不稳定。利用pnp 型BJT 三极管的负温度特性，BJT 三极管的Vbe电压随温度升高而降低，并与基准参考电压相比较。当温度逐渐高于150 ℃时，BJT 三极管的Vbe电压随温度的升高而降低，Vbe电压经过比较器处理，VOTP为高电平并反馈至CTC 模块。温度下降至125 ℃时，VOTP变为低电平。

过流保护模块（OCP）[20-21]由简单的迟滞比较器组成。当电流过大，DRIVE 模块的采样电压Vc 高于设定值时，比较器VOCP为高电平，并反馈至CTC 模块。当电流降低至1.5 A 后，恢复正常。

4 电容模拟信号产生模型

在仿真测试电路中，抽烟信号电容采用VerilogA编写的电容等效模块来代替。示意图如图5 所示，在电容等效模块中串联一个兆欧级的电阻R9连接1.8 V 的电压。在输入端VC、VG 之间，用方波信号源来模拟抽烟信号变化。当方波信号为低电平时，为不抽烟状态，气压状态不变，电容值固定不变，等效模型的输出电压信号IN不变。当方波信号为高电平时，为抽烟状态，气压状态变化，电容值变化，等效模型的输出电压信号IN发生变化。此电容等效模块的VerilogA 具体实现思路：设置输入、输出端口VC、VG、GND、OUT，采用简单的case 语句来实现不同电容值的状态，用if 语句来判断VC 和VG 的输入信号差值，并依据判断结果选择合适的case，最后用简单的微分语句表示出电容的I-V特性函数。该电容等效模块的工作电压为1.8 V，当气压不变时，电容静态值为3.2 pF，当气压发生变化时，电容动态值为3.3 pF。

图5 电容模拟信号产生示意图

5 电路时序仿真与分析

该核心电路基于0.18 μm BCD 工艺，电源电压为3.7 V，VerilogA 电容等效模型的工作电压值为1.8 V，电容变化为3.2～3.3 pF，使用Virtuoso 软件对电路进行Spectre 仿真。如图6、7 所示，当方波信号接入等效电容模块时，输出围绕1.8 V 抖动的电压尖峰信号IN，抖动幅度在20 mV。AMP 模块把信号IN尖峰抖动幅度放大8 倍并输出IN_VP 至1.64～1.96 V。经过COMP 模块快速处理输出信号VS。VS信号通过CTC 模块后控制DRIVE 模块和LED 模块，驱动雾化丝AT 和LED 灯正常工作。正常工作下，OCP 和OTP 的输出信号为低电平。OCP 和OTP 仿真波形如图8 所示。当温度高于150 ℃或者电流高于3.5 A 时，OCP 和OTP 分别输出高电平。当温度降至125 ℃时，VOTP由高电平跳变为低电平。会一直检测电流保护通路的电流，直到降低至2 A 时，OCP 电路才输出低电平。CTC 检测到VOTP和VOCP任何一个为高电平，则切断输入信号VS，电路不再工作。

图6 AMP放大和COMP输出图

图7 雾化丝AT和LED电流

图8 OCP和OTP仿真图

6 结论

设计了一种电子烟专用控制电路系统，其能够准确地控制雾化丝AT 和LED 灯，并具有过温过流保护功能。该电路结构简单，不需要时序产生电路。该电路使用0.18 μm BCD 工艺，通过Virtuoso Spectre仿真器仿真，在27 ℃、3.7 V 电源电压下，该电路最小可识别0.1 pF 的电容，当产生抽烟信号，雾化丝AT 导通并开始发热，同时LED 灯变亮。当温度高于150 ℃或者电流高于3.5 A 时，电路停止工作。当温度降至125 ℃时，且电流低于2 A 时，电路重新开始正常工作。还可以进一步改进整个电子烟控制电路，可以通过增加数字控制模块来增加更多的控制模式，提供更丰富的输出控制信号。