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实现短路保护(图1)——电子烟电路图

说明

电子烟尽管体积小电子烟能戒烟吗,但确实是具有极高安全性要求的高功率产品。以市场上常见的可替换烟弹扁平卷烟为例。虽然与APV和POD等传统产品相比,功率大大降低了,但仍不容小under。

假设使用1Ω雾化器,则峰值传导电流将超过4A。从趋势的角度来看,一些扁平卷烟产品已开始使用0.7Ω甚至更低阻抗的雾化器,并且工作电流已大大增加。

为了支持如此高的工作电流,电子烟通常选择高倍率动力电池。这种电池的内阻很小。一旦短路,电流将高达10A甚至数十安培。可能会导致电池爆炸和火灾安全事故。对于旅途中使用的电子烟,即使万分之一的概率也是不可接受的。

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但是,在使用电子烟期间,不能完全避免发生短路。例如:遇到烟弹劣质,使用过程中的摩擦,金属意外接触等。因此,快速可靠的短路保护是电子烟产品的关键指标。

目前电子烟,特别是在扁平烟的产品设计中电子烟排行榜前8强,通常使用MCU的低压复位特性(称为LVR,LVD,BOD等,以下简称LVR)来实现短路保护(图1)。这样可靠吗?让我们对其进行分析。

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LVR的原理是:发生短路时,电池电压被拉至LVR电压以下,MCU复位,PWM停止输出,保护生效(图2)。

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图1:通用电子烟电路图2:LVR保护原理

仔细阅读MCU数据表,我们会发现存在这样的问题。从发生短路到MCU复位生效之间,都会有Delay1 + Delay2的延迟。

-Delay1:VDD下降到LVR电压的时间与MOSFET的内阻和电池参数有关。

-Delay2:为了防止LVR复位过于敏感,通常将MCU内部的LVR设计为具有超过100μS的延迟。

在实际测试中,发现保护时间比预期的要长,达到928μS,如下图所示。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短路保护的测量波形

这会导致LVR短路保护失败的风险。以当前常用的电子烟 MOS为例:电流为10A,压差为3V时,安全工作时间约为1mS。以上测试结果已经达到安全工作范围。极端,非常危险。为了确保安全,设计人员经常需要替换规格更高的MOSFET甚至添加专用的电池保护芯片,这大大增加了系统成本。

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图4:电子烟 MOSFET安全工作区

更严重的是电子烟短路会怎么样,在短路不完全的情况下(例如:劣质烟弹短路不完全但阻抗低,MOSFET内部电阻高等),VCC无法降低到LVR电压电子烟短路会怎么样,并且保护功能将失败。

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为了解决上述问题并提高电子烟的安全性,CSU32M10突破了惯例,并集成了获得专利的硬件短路保护功能。无需添加任何外围设备即可实现快速可靠的短路保护(图5)。

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图5:CSU32M10短路保护原理

在上述设计中,使用相同规格的外围设备,MCU更改为CSU32M10,然后进行了测试。测量的波形显示在下面的图6中。可以看出小野电子烟,从电流达到保护阈值到经过内部滤波,短路保护生效的时间间隔仅为5μS,是传统LVR保护方法的100倍以上。即使在不完全短路的情况下,也不会影响短路保护的可靠性。此外,CSU32M10还可以设置不同的保护阈值和滤波器时间长度,因此,开发人员在选择设备以及设计软件和硬件时不再需要担心短路保护。

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图6:CSU32M10短路保护的测量波形

CSU32M10是Chipsea Technology为电子烟应用设计的MCU。它具有12位高性能ADC和采用Chipsea专利技术的高精度低温漂移参考电压。它集成了硬件短路保护和雾化器阻抗测量功能。支持更新固件而无需拆卸电池,适用于中小功率电子烟产品。

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