一种基于TPS61022的恒定且可调输出功率的电子烟供电方案

这篇博客给出了一种电子烟的供电解决方案,主要包括一节锂电池,一个升压电路(TPS61022)和一个烟嘴电阻(2 Ω)。这个解决方案支持最高12.5W5V/2.5A)输出,并且功率连续可调。通过在电子烟里加入一个升压电路,可以使得电子烟获得更高和更稳定的输出电压,这可以提高电子烟的使用口感。同时,这个方案带有输出功率连续可调的功能,使得电子烟的设计更加灵活。

1 、电子烟的介绍 

电子烟的主要功能是通过加热烟草或烟油的方式,取代原有烟草燃烧的方式,给用户带来与传统烟草相同的体验。因为电子烟是不燃烧的方式,几乎没有烟,没有二手烟的污染,所以电子烟跟传统香烟相比对健康的危害更小,同时可以帮助用户戒烟[1,2]

电子烟的基本结构如图1所示,主要包括锂电池,相关充电电路和接口;烟嘴(内部有烟油),加热电阻丝;中央控制器(MCU)和气流检测的传感器等。电子烟采用加热烟嘴电阻丝和烟油,来模拟和真烟相同的口感。一般情况下烟嘴电阻丝的阻值一般在0.4 Ω~2.8 Ω左右。传统的方法是利用电池直接给烟嘴电阻加热的方式,也可以在电池和烟嘴电阻之间串联一个开关管调节输出功率。但是,这种方法最大的输出功率会受到电池电压限制的,同时因为电池电压不稳定,造成输出功率的不稳定,影响到吸烟的口感。

1 电子烟的基本结构

2 、TPS61022 介绍

TPS61022 是一个支持从锂电池输入,输出15W(5V/3A)的一颗升压芯片。它在全温度范围内开关电流的谷值最小值6.5A。TPS61022有较小的导通电阻,下开关管的导通电阻是12mΩ,上开关管的导通电阻是18mΩ。所以它有比较高的效率,比如在Vin=3.6V, Vout=5V,Iout=2.5A的情况下整机效率大概95%。同时,TPS61022的典型启动带载能力为1Ω,所以它可以支持大部分电子烟的烟嘴电阻阻值启动。TPS61022 的工作开关频率是1MHz,封装是2mm*2mm VQFN,可以帮助客户获得较小的设计面积。

3 、系统介绍

电子烟的供电电路如图2所示。可以通过PWM调制EN引脚实现输出功率的动态调节。通过把MODE引脚连接到GND(低电平)使得TPS61022工作在轻载高效的模式,可以在轻载下获得更高的效率。根据TPS61022的应用手册[3],选择1μH的电感,输出采用3颗22μF的陶瓷电容。可以将MCU的GPIO与EN引脚连接,通过调整输出PWM的占空比来调节输出的功率。整个系统的好处是输出功率稳定,不受输入电压变化的影响。

2 通过TPS61022实现的电子烟的供电电路图

4、 测试结果

图3是工作在Vin=3.6V,占空比50%下的稳态波形图。TPS61022可以通过调制EN引脚实现调节输出功率的目的。当EN引脚为高电平,TPS61022首先会软启动,开始工作;当EN引脚为低电平,TPS61022会关机。通过TPS61022不断的开启关闭,实现控制平均输出功率的目的。建议使用PWM的频率为100Hz。

3 TPS61022稳态波形

图4的表示了输出功率随着PWM占空比的变化曲线。从曲线中可以看出,输出功率和占空比的关系并不是线性的。因为TPS61022存在软起动的过程。在占空比是100%,输出功率为12.5W,满负载工作。当占空比为50%时,输出功率仅为3W。用户可以通过调节PWM的占空比来调节输出功率,进而调节电子烟的口感。

4输出功率与占空比的关系曲线

图5表示了效率和PWM的占空比的变化曲线。测试的输入电压为3.6V。从曲线中可以看出,系统的整机效率为95%在满载输出功率下(5V/12.5W)。

5 效率与占空比的关系曲线

图6和图7显示了不同占空比下的温升。图6显示芯片的温升是19.6℃,在Vin=3.6V输出功率12.5W(满载功率)。图7显示芯片的温升是13.6℃,在Vin=3.6V输出功率3W(50%PWM占空比)。温升均在可以接受的范围内。  

参考文献

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_cigarette

[2] https://www.alliedmarketresearch.com/electronic-cigarette-market

[3] TPS61022 8-A boost converter with 0.5-V ultra low input voltage