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电子烟常识

你抽的是烟还是炸弹?电子烟短路保护设计解析

2021-06-11 电子烟常识 加入收藏
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

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。


你抽的是烟还是炸弹?电子烟短路保护设计解析

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)。


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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。


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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。


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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)。


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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。


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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。

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