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只用一颗MCU,搞定电子烟安全设计

时间:2019-04-18 作者:芯海科技 阅读:
众所周知,电子烟的控制系统主要由主控芯片、电池、按键、LED呼吸灯和雾化器组成。 如果说烟油是电子烟的“灵魂”,那么MCU就是电子烟 “心脏”,选择心脏至关重要……
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刚刚落幕的IECIE电子烟展会无疑成为了2019年上半年人气最火爆的行业盛会,超过1500+品牌商填满了40000平方米的展示空间。来自世界各地的展商和观众都浸润在这场蒸汽文化盛宴中。大雨也浇不灭的热情源自于不断增加的电子烟受众,为了增加市场竞争力,电子烟制造商对控制板的要求也在不断提高。RMmEETC-电子工程专辑

众所周知,电子烟的控制系统主要由主控芯片、电池、按键、LED呼吸灯和雾化器组成。 如果说烟油是电子烟的“灵魂”,那么MCU就是电子烟 “心脏”,选择心脏至关重要。RMmEETC-电子工程专辑

由于电子烟形状与真烟大致相同,体积小,组成器件却比较多。同时一般采用小型电池供电,电池使用寿命要尽量长,最后,在电子烟的雾化器温度控制上,要精准,这就要求主芯片ADC精度要高。因此,电子烟的这些特征,给开发者带来了诸多的挑战。芯海科技最新推出了安全性电子烟MCU——CSU32M10,具有体积小、集成度高、安全可靠的特点。RMmEETC-电子工程专辑

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芯海CSU32M10电子烟电路结构框图RMmEETC-电子工程专辑

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实现硬件短路保护

电子烟是随身携带、贴身使用的产品,安全是第一位的。在电子烟使用过程中,可能会遇到雾化器损坏、误触等意外情况导致的短路,如果不及时保护,可能会引发电池爆炸、火灾等安全事故。RMmEETC-电子工程专辑

产品设计中,经常有以下几种方法来实现短路保护:RMmEETC-电子工程专辑

1. 通过芯片自身的LVR(低电压复位)功能:RMmEETC-电子工程专辑

原理:发生短路时,会把电池电压VBAT拉到低于LVR电压,MCU复位,停止工作。RMmEETC-电子工程专辑
缺点:不可靠。遇到MOS内阻大、电池带载能力强时,无法把VBAT拉低到LVR电压,导致保护失效。RMmEETC-电子工程专辑

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2. 通过ADC检测MOS输出电压实现短路保护RMmEETC-电子工程专辑

原理:使用ADC检测MOS的输出电压,根据电压判断。RMmEETC-电子工程专辑
缺点:响应速度慢。短路保护功能需要软件来实现,响应速度无法保证,往往需要在电池端增加保护IC来提高短路保护的可靠性。而且在寸土寸金的电子烟中,增加保护IC和分压电阻,会增大PCB的面积。RMmEETC-电子工程专辑

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3. 通过IO中断实现短路保护RMmEETC-电子工程专辑

原理:在MOS导通时,如果发生短路,GPIO的电压被拉低,产生中断,由软件来进行保护。RMmEETC-电子工程专辑
缺点:①需要增加一个电阻和一个二极管,增加PCB面积和成本。②软件复杂。RMmEETC-电子工程专辑

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CSU32M10集成了硬件短路保护功能,无需外围即可实现安全可靠的短路保护功能,解决了上述方案的缺点。RMmEETC-电子工程专辑

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原理:IC内部集成短路保护模块,检测MOSFET工作时两端的压差,压差超过设定阈值时,关闭MOSFET,停止工作。RMmEETC-电子工程专辑

优点:RMmEETC-电子工程专辑
1. 响应快,更安全:硬件实现,无软件延迟,响应速度快,避免电池电压和MCU进入异常状态,更安全;RMmEETC-电子工程专辑
2. 测量精准,更可靠:可以根据MOS内阻及保护电流,选择80/200/320/480mV等多个保护阈值,更可靠;RMmEETC-电子工程专辑
3. 无需外围器件,减小PCB面积和BOM Cost。RMmEETC-电子工程专辑

集成加热丝阻抗测量功能

电子烟产品使用过程中,会遇到这样的问题:RMmEETC-电子工程专辑

1. 连续吸烟时,烟油渗透速度慢,无法及时渗透到雾化器中,会导致雾化温度过高、有焦糊味,用户体验差RMmEETC-电子工程专辑
2. 无法自动检测烟油是否用完,只能靠人用眼观察RMmEETC-电子工程专辑
为了解决这些问题,需要通过测量雾化器的阻抗来检测工作温度。RMmEETC-电子工程专辑

常规的方法是增加一个测量通路来实现(如图):RMmEETC-电子工程专辑

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原理:RMmEETC-电子工程专辑

在工作通路关断的半周,通过测量采样电阻上的电压和电流来计算雾化器的阻抗,并进一步计算温度。RMmEETC-电子工程专辑
缺点:RMmEETC-电子工程专辑
① 需要增加2~3个电阻和1个MOS,在寸土寸金的电子烟产品中是致命的,而且增加成本;RMmEETC-电子工程专辑
② 需要额外使用1个GPIO和2个ADC共计3个引脚,需要使用更高成本的MCU。RMmEETC-电子工程专辑

为了解决上述问题,CSU32M10集成了烟丝阻抗测量模块,无需外围器件,仅需要1个IO即可实现。RMmEETC-电子工程专辑

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原理:RMmEETC-电子工程专辑

在MOS关断的半周,输出恒定电流,通过测量雾化器上的电压来测量雾化器阻抗,并进一步计算温度。RMmEETC-电子工程专辑

优点:RMmEETC-电子工程专辑
无需外围器件,仅需1个引脚,减少BOM Cost和PCB面积。RMmEETC-电子工程专辑

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CSU32M10支持在线调试,拥有自主研发的高效率C编译器,效率提升30%,可降低开发成本。芯海CSU-IDE是8Bit全系列SOC/MCU免费开发环境,集成编译器、汇编器、链接器调试仿真器以及lib制作工具。支持混合信号处理器CSU系列产品的开发、C语言和ASM语言的编程。RMmEETC-电子工程专辑

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