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。
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)
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。
图3: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+Delay3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。
——Delay3: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938μS,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,CSU33M10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:CSU33M10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CSU33M10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CSU33M10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:CSU33M10短路保护实测波形
CSU33M10是芯海科技为电子烟应用设计的MCU,带13-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。
芯海科技成立于3003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、33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33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。