如何選用低成本MOS管搭建開關電路

在上一章中，我們介紹了基于RJGT101D6的兩觸點加密煙彈方案的基本原理，本章將詳細介紹具體實施方案。包括如何選用低成本的MOS管搭建開關電路，煙桿主控MCU是如何與煙彈加密芯片RJGT101D6進行雙向數(shù)據(jù)交互的。

我們知道二極管、晶體管和MOS管都是電子電路中的基本開關器件，但它們在應用中有一些區(qū)別。首先二極管和三極管是電流控制元件，而MOS管是電壓控制元件，同樣條件下MOS管的功耗更低。其次，MOS管導通時導通壓降小接近于0V，三級管和二極管的最低導通壓降要大于0.3V。由此可見選用MOS管做電子煙的開關電路更加合適。

從電路原型中可以看出，煙桿供電方向的切換電路實際上是一個整流全橋電路。我們用MOS管搭建了一個整流全橋電路，為了減少MCU控制端口的數(shù)量，我們用P-MOS管做上橋臂，用N-MOS管做下橋臂，這也有利于簡化驅(qū)動電路，可以分別用RJM8L003的P03和P04端口直接驅(qū)動這2個橋臂。如圖1所示。

圖1 MOS管搭建的兩線加密煙彈電路

因為RJGT101D6的RSD腳既是電源輸入腳又是數(shù)據(jù)通信腳，當它作為數(shù)據(jù)通信腳時需要外部上拉電阻才能輸出高電平，所以我們在2個上橋臂上增加1個公用的2.2KΩ上拉電阻后到電源VCC。發(fā)熱絲工作時需要1A以上的電流，不能用有上拉電阻的H橋來驅(qū)動，因為上拉電阻會限制輸出電流，需要另外設計2個上橋臂，也就是圖中的MOS5和MOS6。當發(fā)熱絲需要工作當時，MOS5或者MOS6導通，電池電流直接驅(qū)動發(fā)熱絲，最后通過下橋臂MOS2或者MOS4流入到GND。

上一章中提到，我們將煙彈內(nèi)部的發(fā)熱絲和加密芯片RJGT101D6采用串聯(lián)連接。因為只有RJGT101D6是由極性的，我們考慮設計一個單向旁路電路與RJGT101D6并聯(lián)，實現(xiàn)RJGT101D6正向工作反向旁路的效果。經(jīng)過驗證我們選用了P-MOS管設計單向旁路電路，當然也可以用N-MOS管。但不能用二極管，因為二極管的正向?qū)▔航荡笥?.3V，相當于給RJGT101D6提供了負0.3V的工作電壓，這會導致其損壞。事實上很多邏輯芯片的工作電壓都不能小于負0.3V。發(fā)熱絲和RJGT101D6不能并聯(lián)也是出于過高的負電壓會損壞RJGT101D6考慮的，因為發(fā)熱絲的瞬時壓降會到達3V以上。

開關電路搭建好了，下一步是考慮如何設計驅(qū)動電路。電子煙內(nèi)部通常采用3.6V的單節(jié)鋰電池供電，MCU的GPIO輸出電壓最大3.6V，能否用3.6V直接驅(qū)動開關取決于我們選用的MOS管開關參數(shù)，只要VGS（th）閾值電壓低于3V的都可以。還要關注MOS管的導通內(nèi)阻RDS（ON），因為RDS（ON）越低其導通壓降也越低，但成本也越高。作為發(fā)熱絲工作通路的MOS管要選用RDS（ON）低于100mΩ的，而作為RJGT101D6工作通路的MOS管就可以適當放寬一點。試驗中我們選用的N-MOS為Si2302，P-MOS為CJ3401A，其性能指標如表1所示，并且這2個通用型號有很多品牌廠家在生產(chǎn)，價格低廉容易采購。

表1 MOS管選型表

MOS管開關電路搭建好了之后，主控MCU是如何向煙彈的RJGT101D6發(fā)送高低電平信號的，我們還是從煙彈正插時的情況分析，如圖2所示。P00始終保持為輸入端口，P01、P02、P04設置為輸出高電平1，此時MOS3斷開MOS4閉合，MOS5和MOS6都斷開，MCU通過P03向RJGT101D6發(fā)送數(shù)據(jù)，當P03輸出低電平0，MOS1閉合MOS2斷開，即可向RJGT101D6發(fā)送1個高電平位。當P03輸出高電平1，MOS1斷開MOS2閉合，即可向RJGT101D6發(fā)送1個低電平位。煙彈反插時，MCU是通過P04向RJGT101D6發(fā)送數(shù)據(jù)，具體分析就不再贅述。

圖2 主控MCU發(fā)送數(shù)據(jù)的原理

主控MCU是通過P00端口讀取RJGT101D6的返回數(shù)據(jù)，如圖3所示。煙彈正插時，P00設置為輸入端口，P01、P02、P04設置為輸出高電平1，P03設置為輸出低電平0，此時MOS3斷開MOS4閉合，MOS5和MOS6都斷開，MOS1閉合MOS2斷開。此時RSD引腳輸出的高低電平可通過MOS1輸入到P00腳的。而煙彈反插時，RSD引腳輸出的高低電平是通過MOS3輸入到P00腳的。

圖3 主控MCU讀取數(shù)據(jù)的原理

這就是基于瑞納捷半導體的RJGT101D6加密芯片設計的兩線加密煙彈方案，方案在不改變傳統(tǒng)煙彈外觀的情況下，做到了簡單、低成本、易于實施的設計目標，可適用于傳統(tǒng)電子煙的改造升級，也可用于醫(yī)療耗材、辦公耗材的加密防偽。