你抽的是烟还是炸弹？电子烟短路保护设计解析

电子烟虽然体积小巧，确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。

目前电子烟特别是扁烟的产品设计中，通常利用MCU的低电压复位特性（简称LVR、LVD、BOD等，以下简称LVR）来实现短路保护（图1）。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（图2）。

图1：常见电子烟电路 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。

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。

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）。

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。

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。