電子煙的工作原理及通用電子煙硬件電路設(shè)計(jì)方案分析

電子煙的發(fā)展大致上可以分為兩代，第一代電子煙的設(shè)計(jì)從外型上完全是模仿普通真煙的形狀，煙彈是黃色，煙體是白色。包括電池桿，霧化器和煙彈。其缺點(diǎn)是霧化器很容易燒斷，另外在更換煙彈的時(shí)候，容易傷害到霧化器的尖頭部位。日積月累就會(huì)完全磨壞，最后導(dǎo)致霧化器不出煙。

第二代電子煙一開始為了克服第一代缺點(diǎn)，采用了一體的設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了霧化面積，避免了長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致霧化器不出煙的問題 。但它缺點(diǎn)是一次性設(shè)計(jì)，霧化器和煙彈都無法反復(fù)使用，長(zhǎng)期使用成本較高。

后面有出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)形式的電子—萬次循環(huán)霧化器，采用不銹鋼柱形內(nèi)膽，透明強(qiáng)化外殼設(shè)計(jì)，霧化面積更大及其效果更均勻，可觀察煙液剩余量隨時(shí)添加煙油，反復(fù)使用。大大降低了消費(fèi)者的長(zhǎng)期使用成本。

電子煙工作原理

電子煙主要由氣流監(jiān)測(cè)器、控制電路、霧化頭、LED、鋰電池組成。吸煙時(shí)控制芯片可監(jiān)測(cè)到氣流流動(dòng)，控制加熱霧化頭使發(fā)出模擬煙霧，沒有氣流流過體內(nèi)部時(shí)控制芯片進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)。

圖：霧化頭的外觀結(jié)構(gòu)

外殼為不銹鋼，鍍銅部分為煙身的螺絲接口，中心為氣孔，邊沿還有氣孔。氣流從接口邊沿進(jìn)入煙體，從而使煙體內(nèi)部有氣流。邊沿的氣孔也可噴發(fā)出煙體。內(nèi)部為加熱絲纏繞在圓柱黑色材料上，內(nèi)阻約 3 歐。 接口外面與 VSS 相連，中心控制芯片的驅(qū)動(dòng)芯片好。

霧化頭內(nèi)部預(yù)裝有不同濃度的煙堿液，其霧化方式分為：

1）較高級(jí)的霧化方法：經(jīng)超微霧化泵加壓進(jìn)入霧化室，在高頻超聲波振動(dòng)下霧化成 0.5-1.5um 的煙霧，在由吸入氣流組成氣溶膠，形成模擬煙霧的氣霧。臨界霧化條是用加熱的方式使用液體表面張力減低至最易霧化的程度，模擬煙霧同時(shí)也模擬普通煙霧的溫度（50-60 攝氏度）。

2）最簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的是用發(fā)熱絲纏繞在一個(gè)柱狀耐熱材料上，加熱絲使侵潤(rùn)在耐熱材料上的煙堿長(zhǎng)生氣體。目前，市面上大部分電子煙都是采用的此種方式，也是本文我們所要介紹的方案。

通用電子煙方案分析

通用電子煙的工作流程為，當(dāng)有氣流 (吸氣或呼氣) 氣流穿過嘜頭，嘜頭即產(chǎn)生模擬信號(hào)。嘜頭的模擬信號(hào)到達(dá)一定程度引起中斷，喚醒 MCU，隨即驅(qū)動(dòng) PMOS，加熱發(fā)熱絲噴放煙霧，并且點(diǎn)亮 LED。當(dāng) MCU 監(jiān)測(cè)到模擬信號(hào)減弱或者消失，停止驅(qū)動(dòng) PMOS 和 LED，然后監(jiān)測(cè)電池電壓，如無到達(dá)最低值則睡眠，到達(dá)最低值則閃爍 LED 進(jìn)行低電壓提醒。

因?yàn)殡娐泛?MCU 都無 LDO 穩(wěn)壓，電池供電時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓則需要基準(zhǔn)電壓，所以電路中采用 tl431 電路提供基準(zhǔn)電壓。

EFM8 方案介紹

圖：EFM8 硬件方框圖

該框圖中鋰電池的電壓 3.3V~4.2V，氣流監(jiān)測(cè)可用咪頭或直接使用按鍵。 框圖中 OLED 是用來顯示電池電壓以及功率狀態(tài)。另外，按鍵除了有上述氣流監(jiān)測(cè)功能外，還可用來喚醒出煙和調(diào)整出煙量 (發(fā)熱絲功率)。作為主控單元 MCU，EFM8 對(duì)鋰電池過放和欠壓保護(hù)，充電過程監(jiān)測(cè)和顯示，及其過充保護(hù)，短路監(jiān)測(cè)等。以下是基于 EFM8 的電子煙電路原理圖。

1）也是通過嘜頭或者按鍵喚醒 EFM8。

2）喚醒后，首先進(jìn)行電池電壓監(jiān)測(cè)，如電池電壓正常，則根據(jù)設(shè)置值或者默認(rèn)值，把 PWM 輸出到功率電路，進(jìn)行選定功率輸出，并通過反饋來校準(zhǔn)輸出功率。如電池電壓低于最低電壓值，則通過 OLED 顯示提醒。

3）可以通過按鍵調(diào)整輸出功率值。

4）USB 端口插入后進(jìn)行判斷端口插入后進(jìn)行判斷，決定是否對(duì)電池進(jìn)行充電。

5）獨(dú)立充電 IC 進(jìn)行過沖保護(hù)。

6）LED 可顯示電池電量，當(dāng)前功率值。

7）在無編程功率輸出方案中，發(fā)熱絲的直接到電池，沒有線性功率輸出，滿電和低電時(shí)功率相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致出煙量變化太大，嚴(yán)重影響使用者口感. EFM8 方案從滿電到低電輸出功率基本一致。

8）使用者對(duì)煙霧量的敏感度不同，固定的輸出功率并不合適每一個(gè)人， EFM8 方案可讓使用者可自行設(shè)置噴發(fā)煙霧量范圍。

9）EFM8 方案無需專用充電器，手機(jī)充電器或電腦 USB 都可以對(duì)電池進(jìn)行充電。

就芯片本身而言，以 EFM8SB10F8 為樣本分析：

1）ADC 精度：EFM8SB10F8 內(nèi)嵌 10 bit ADC，相比其他電子煙方案中使用 8 bit ADC，在監(jiān)測(cè)嘜頭氣流變化和電壓判斷上更準(zhǔn)確。

2）電壓監(jiān)測(cè)：EFM8SB10F8 有內(nèi)置 LDO，無需外部提供基準(zhǔn)電壓。

3）MCU 功耗： 使用芯片內(nèi)部 RTC 時(shí)候，睡眠平均電流 《300nA。

4）MCU 封裝： QFN 封裝。