響應(yīng)速度100倍提升，電子煙短路保護(hù)可靠性再上新臺(tái)階

電子煙雖然體積小巧，卻是安全要求極高的大功率產(chǎn)品。以市面上常見(jiàn)的可更換煙彈的扁煙為例，雖然相對(duì)于APV、POD等傳統(tǒng)產(chǎn)品功率大幅下降，但仍不可小視。

假定其選用1Ω的霧化器，導(dǎo)通電流峰值會(huì)超過(guò)4A。而且從趨勢(shì)來(lái)看，部分扁煙產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始使用0.7Ω甚至更低阻抗的霧化器，工作電流更是大幅提升。

為了支持如此高的工作電流，電子煙通常選用高倍率的動(dòng)力電池， 這類(lèi)電池的內(nèi)阻相當(dāng)小，一旦短路，電流會(huì)高達(dá)10A甚至幾十安培，輕則燒毀MOS，重則可能會(huì)引發(fā)電池爆炸、火災(zāi)安全事故。對(duì)于隨身攜帶使用的電子煙來(lái)說(shuō)，哪怕是萬(wàn)分之一的概率，也是無(wú)法接受的。

但在電子煙的使用過(guò)程中，卻無(wú)法完全避免短路的發(fā)生。譬如：遇到劣質(zhì)的煙彈、使用過(guò)程中的擦碰、不小心用金屬接觸等。所以，快速可靠的短路保護(hù)功能是電子煙產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖為可怕的電子煙爆炸后

目前電子煙特別是扁煙的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通常利用MCU的LVR（LVD、BOR）特性來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。（圖1）

圖1：常見(jiàn)電子煙電路

這種方式是否可靠呢？我們來(lái)分析一下。LVR原理是：發(fā)生短路時(shí)，電池電壓拉到低于LVR電壓，MCU復(fù)位，PWM停止輸出，保護(hù)生效。

圖2：LVR保護(hù)原理

仔細(xì)閱讀MCU的數(shù)據(jù)手冊(cè)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有這樣的問(wèn)題。從發(fā)生短路到MCU復(fù)位生效，會(huì)有Delay1+Delay2的延時(shí)。

——Delay1：VDD跌落到LVR電壓的時(shí)間，與MOSFET的內(nèi)阻大小和電池的參數(shù)有關(guān)。

——Delay2：為了避免LVR復(fù)位過(guò)敏感，MCU內(nèi)部的LVR一般都會(huì)設(shè)計(jì)100μS以上的延遲。

但實(shí)際測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)比預(yù)想的保護(hù)時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)到了928μS，如下圖。而且測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電池電壓越高，保護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)；電池內(nèi)阻越小，保護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)。

藍(lán)色：VDD 綠色：PWM輸出

圖3：LVR短路保護(hù)實(shí)測(cè)波形

這導(dǎo)致LVR短路保護(hù)存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，以目前常用的電子煙MOS為例：電流10A，壓差3V時(shí)的安全工作時(shí)間也就1mS左右，上面的測(cè)試結(jié)果已經(jīng)到了安全工作區(qū)的極限，非常危險(xiǎn)。為了保障安全，設(shè)計(jì)者往往需要更換更高規(guī)格的MOSFET，甚至增加專用的電池保護(hù)芯片，大幅提高了系統(tǒng)成本。

圖4：電子煙MOSFET安全工作區(qū)

更為嚴(yán)重的是，在不完全短路的情況（譬如：劣質(zhì)煙彈未完全短路但阻抗偏低，MOSFET內(nèi)阻偏大等），導(dǎo)致VCC無(wú)法降低到LVR電壓，保護(hù)功能會(huì)失效。

為了解決上述痛點(diǎn)，提高電子煙的安全性，CSU32M10突破常規(guī)，集成了專利技術(shù)的硬件短路保護(hù)功能，無(wú)需增加任何外圍器件，即可實(shí)現(xiàn)快速、可靠的短路保護(hù)功能（圖5）。

圖5：CSU32M10短路保護(hù)原理

前述設(shè)計(jì)中，用同樣規(guī)格的外圍器件，把MCU改為CSU32M10再進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)的波形見(jiàn)下圖6?？梢钥吹剑瑥碾娏鬟_(dá)到保護(hù)閾值、經(jīng)過(guò)內(nèi)部濾波、到短路保護(hù)生效，間隔只有5μS，相比傳統(tǒng)的LVR的保護(hù)方式，提高了100倍以上；即使是不完全短路的情況下，也不影響短路保護(hù)的可靠性。而且CSU32M10還可以設(shè)定不同的保護(hù)閾值和濾波時(shí)間長(zhǎng)度，開(kāi)發(fā)者在器件選型、軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需再為短路保護(hù)傷腦筋。

圖6：CSU32M10短路保護(hù)實(shí)測(cè)波形

CSU32M10是芯?？萍?/u>為電子煙應(yīng)用設(shè)計(jì)的MCU，帶12-bit高性能ADC和芯海專利技術(shù)的高精度低溫漂基準(zhǔn)電壓，集成了硬件短路保護(hù)和霧化器阻抗測(cè)量功能，支持免拆電池更新固件，適用于中小功率電子煙產(chǎn)品。