一种恒功率输出的PWM控制电路及其实现方法
技术领域
本发明属于雾化电子烟技术领域，具体涉及一种恒功率输出的PWM控制电路及其实现方法。
背景技术
电子烟相比传统香烟可以更经济实惠，并且显著降低了二手烟对他人的危害，已经逐步被市场广泛接受。图1是典型的电子烟电路框图，电路通过雾化器对烟油进行雾化来模拟香烟是电子烟。雾化器需要开关控制电路实现可控的烟雾大小和口感。目前市面上常见的开关控制电路多数为恒压PWM(pulsewidthmodulation)输出控制，或者伪恒功率(恒定有效输出电压)PWM输出控制。
恒压PWM输出控制是指，通过控制输出开关的占空比，使得在电源电压即使发生缓慢变化时，供给到负载(发热丝)电压的平均电压依然是恒定可控的。例如如果期望输出到发热丝上的平均电压位Vo，当电源的电压是Vsupply时，控制电路控制开关的PWM波的占空比Duty被自动控制为
对于伪恒功率输出控制，则是通过控制输出开关的占空比，使得在电源电压即使发生缓慢变化时，供给到发热丝的有效电压值依然是恒定可控的。如果期望输出到发热丝上的有效电压是Veff，当电源的电压是Vsupply时，控制电路控制开关的PWM波的占空比Duty被自动控制为
如果发热丝阻值表示位RL，则一个PWM周期内，发热丝产生的平均功率PL可以表示为
可见恒定有效电压值，在不同的发热丝阻值下，并非产生恒定的功率值，因此该恒功率为伪恒功率输出。
不随发热丝阻值变化而变化的真恒功率输出控制方案才是更优的控制方案，有助于实现更稳定的烟雾大小和口感。现有真恒功率输出的控制方案，但该方案需要两个模数转换器、数字乘法器、数模转换器等单元，需要较高的成本。
发明内容
本发明提供了一种恒功率输出且成本低的PWM控制电路及其实现方法，能够提供真正恒定的电热丝功率输出。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种恒功率输出的PWM控制电路，包括电流采样电路、电压采样电路、功率运算电路、PWM生成器和功率设置电路；所述电流采样电路的信号输入端和电压采样电路的信号输入端均分别与负载发热丝和开关管Psw的漏极连接，所述开关管Psw的源极分别与电源电压Vsupply和电流采样电路的信号输入端连接，所述开关管Psw的栅极与PWM生成器的信号输出端连接，所述电流采样电路的信号输出端和电压采样电路的信号输出端均与功率运算电路的信号输入端连接，所述功率运算电路的信号输出端与PWM生成器的信号输入端连接，所述功率设置电路分别与电流采样电路的信号输入端、电压采样电路的信号输入端和功率运算电路的信号输入端连接。
优选的：所述功率运算电路为基于电流乘法器的模拟电路或基于几何平均运算的模拟电路。
优选的：所述基于电流乘法器的模拟电路包括电流乘法器Q1和放大器Q2；所述放大器Q2的同向输入端与电压采样电路的信号输出端连接，所述放大器Q2的反向输入端分别与MOS管的源极和接地电阻Rv2i连接，所述放大器Q2的输出端与MOS管N1的栅极连接，所述MOS管N1的漏极与电流乘法器Q1的信号输入端I2连接，所述电流乘法器Q1的信号输入端I1与电流采样电路的信号输出端连接，所述电流乘法器Q1的信号输出端I0输出表征输出功率的电流信号，并分别与PWM生成器的信号输入端和接地电阻RP0连接。
优选的：所述PWM生成器包括计数器Q3、数模转换器Q4、比较器Q5和D触发器Q6，所述数模转换器Q4的参考电压引脚Vref_DAC与功率运算电路的信号输出端连接，所述数模转换器Q4的多比特数字输入引脚DAC[Msb：0]与计数器的信号输出端M1连接，所述数模转换器Q4的模拟输出引脚DAC_O与比较器Q5的正相输入端连接，所述比较器Q5的反向输入端与基准电压Vref连接，所述比较器Q5的输出端与D触发器Q6的CLK引脚连接，所述D触发器Q6的RST引脚与计数器的信号输出端M2连接，所述D触发器的Q6的D引脚连接电源电压，所述D触发器的Q引脚输出控制信号PWM0到开关管Psw的栅极。
一种恒功率输出的PWM控制电路的实现方法，包括以下步骤：
S1、通过电流采样电路和电压采样电路分别采集负载发热丝的电流和电压；
S2、对负载发热丝的电流和电压通过功率运算电路计算得到输出功率；
S3、将输出功率作为反馈信号反馈至PWM生成器，并通过PWM生成器输出开关管的控制信号；
S4、通过开关管的控制信号对开关管进行控制，达到负载发热丝输出恒定功率的目的。
优选的：所述步骤S2中的输出功率为Kp1·Po,其中Kp1为衰减系数，Po为输出到负载发热丝上的平均功率。
优选的：所述衰减系数Kp1的计算公式为：
Kp1＝m·Ki·Kv·Rpo/Rv2i
上式中，m为乘法系数，Ki为电流采样衰减系数，Kv为电压采样衰减系数，Rpo为接地电阻RP0的电阻值，Rv2i为接地电阻Rv2i的电阻值。
优选的：所述步骤S4中负载发热丝的平均输出功率的计算公式为：
上式中，Pavg为负载发热丝的输出平均功率，Duty为开关管Psw被打开的占空比，Vref为基准电压。
优选的：所述开关管Psw被打开的占空比Duty的计算公式为：
上式中，Vo为输出到负载发热丝上的平均电压，Io为输出到负载发热丝上的平均电流。
优选的：所述基于电流乘法器的模拟电路包括电流乘法器Q1和放大器Q2；所述放大器Q2的同向输入端与电压采样电路的信号输出端连接，所述放大器Q2的反向输入端分别与MOS管的源极和接地电阻Rv2i连接，所述放大器Q2的输出端与MOS管N1的栅极连接，所述MOS管N1的漏极与电流乘法器Q1的信号输入端I2连接，所述电流乘法器Q1的信号输入端I1与电流采样电路的信号输出端连接，所述电流乘法器Q1的信号输出端I0输出表征输出功率的电流信号，并分别与PWM生成器的信号输入端和接地电阻RP0连接。
优选的：所述PWM生成器包括计数器Q3、数模转换器Q4、比较器Q5和D触发器Q6，所述数模转换器Q4的参考电压引脚Vref_DAC与功率运算电路的信号输出端连接，所述数模转换器Q4的多比特数字输入引脚DAC[Msb：0]与计数器的信号输出端M1连接，所述数模转换器Q4的模拟输出引脚DAC_O与比较器Q5的正相输入端连接，所述比较器Q5的反向输入端与基准电压Vref连接，所述比较器Q5的输出端与D触发器Q6的CLK引脚连接，所述D触发器Q6的RST引脚与计数器的信号输出端M2连接，所述D触发器的Q6的D引脚连接电源电压，所述D触发器的Q引脚输出控制信号PWM0到开关管Psw的栅极。
本发明具有以下有益效果：本发明通过采集负载发热丝的电流和电压，进而由功率运算电路计算得出表征输出功率的信号，该信号作为反馈信号反馈至PWM生成器，从而输出合适占空比的PWM波控制开关管，达到输出恒定平均功率的目的。与现有恒功率输出的控制方案相比，其组成器件相对简单，成本相对较低。
附图说明
图1为典型的电子烟电路；
图2为本发明的结构框图；
图3为本发明中一种优选的功率运算电路；
图4位本发明中一种优选的PWM生成器。
具体实施方式
在一种实施方式中，如图2所示的一种恒功率输出的PWM控制电路，包括电流采样电路、电压采样电路、功率运算电路、PWM生成器和功率设置电路；所述电流采样电路的信号输入端和电压采样电路的信号输入端均分别与负载发热丝和开关管Psw的漏极连接，所述开关管Psw的源极分别与电源电压Vsupply和电流采样电路的信号输入端连接，所述开关管Psw的栅极与PWM生成器的信号输出端连接，所述电流采样电路的信号输出端和电压采样电路的信号输出端均与功率运算电路的信号输入端连接，所述功率运算电路的信号输出端与PWM生成器的信号输入端连接，所述功率设置电路分别与电流采样电路的信号输入端、电压采样电路的信号输入端和功率运算电路的信号输入端连接。
电流采样电路输出被衰减的输出电流信号，为Ki·Io；电压采样电路输出被衰减的输出电压信号，为Kv·Vo；功率运算电路是一种模拟运算电路，将输入的电流、电压信号，转换为包含功率信息的输出信号；该运算可以是乘法运算，输出Kp1·Po，或者是几何平均运算，输出
在本发明实施例中，所述功率运算电路为基于电流乘法器的模拟电路或基于几何平均运算的模拟电路。
在另一种可行的实施例中，如图3所示的，所述基于电流乘法器的模拟电路包括电流乘法器Q1和放大器Q2；所述放大器Q2的同向输入端与电压采样电路的信号输出端连接，所述放大器Q2的反向输入端分别与MOS管的源极和接地电阻Rv2i连接，所述放大器Q2的输出端与MOS管N1的栅极连接，所述MOS管N1的漏极与电流乘法器Q1的信号输入端I2连接，所述电流乘法器Q1的信号输入端I1与电流采样电路的信号输出端连接，所述电流乘法器Q1的信号输出端I0输出表征输出功率的电流信号，并分别与PWM生成器的信号输入端和接地电阻RP0连接。
电路将检测到的电压信号Kv·Vo转换为电流信号Kv·Vo/Rv2i后，再与检测到的电流信号Ki·Io相乘，得到包含功率信息的电流信号m·Ki·Io·Kv·Vo/Rv2i，该电流信号流过电阻后产生包含功率信息的电压信号m·Ki·Io·Kv·Vo·Rpo/Rv2i。
本实施中的乘法电路是一种基于MOS管的平方关系伏安特性的模拟电路，该电路能够准确地运算出表征两路输入电流乘积的输出电流，从而准确地检测出电热丝的实时功率、进而准确地控制电热丝的平均功率。相比需要使用高精度模数转换器、多比特数字乘法器的数字方案，该模拟乘法器方案结构简单，简化了电路设计、时序验证，显著降低了实现成本、增强了可靠性。
在另一种实施例中，如图4所示的，所述PWM生成器包括计数器Q3、数模转换器Q4、比较器Q5和D触发器Q6，所述数模转换器Q4是通用的多比特数模转换器，实际位数由具体的系统需求所决定。数模转换器Q4的参考电压引脚Vref_DAC与功率运算电路的信号输出端连接，所述数模转换器Q4的多比特数字输入引脚DAC[Msb：0]与计数器的信号输出端M1连接，所述数模转换器Q4的模拟输出引脚DAC_O与比较器Q5的正相输入端连接，所述比较器Q5的反向输入端与基准电压Vref连接，所述比较器Q5的输出端与D触发器Q6的CLK引脚连接，所述D触发器Q6的RST引脚与计数器的信号输出端M2连接，所述D触发器的Q6的D引脚连接电源电压，所述D触发器的Q引脚输出控制信号PWM0到开关管Psw的栅极。
计数器的输出作为数模转换器Q4的多比特输入控制信号，计数器在时钟的控制下从输出起始值0线性增加到最大值，之后被自动重置为0，周而复始。计数器每周期起始时刻同时输出一个复位脉冲，用于将D触发器的输出置0，从而打开输出开关Psw；开关打开后，即产生输出电流、输出电压，进而由电流采样、电压采样电路、功率运算电路输出表征实时功率的Kp1·Po，该信号被用作数模转换器Q4的参考电压；每一个计数周期内，计数器的输出，即数模转换器Q4的数字输入信号的线性增长，使得数模转换器Q4的输出电压相应增长，当该电压超过基准电压Vref后，比较器的输出被置高，进而使得D触发器的输出为高，关闭开关管。开关管在下一个计数周期的起始时刻被重新打开，周而复始。因此PWM0的占空比，即每个计数周期内的开关管的导通时间所占比例，由上述检测到的实时功率、基准电压值进行自动控制。
本实施例的PWM生成器在每一个计数周期内，利用计数器、数模转换器，等效地将电热丝的实时功率累积起来，并由参考电压进行监测，从而控制电热丝开关的开启时间，保证了电热丝每个周期都能获得恒定的平均功率。该方案结构简单、控制精确。
一种恒功率输出的PWM控制电路的实现方法，包括以下步骤：
S1、通过电流采样电路和电压采样电路分别采集负载发热丝的电流和电压。
S2、对负载发热丝的电流和电压通过功率运算电路计算得到输出功率。输出功率为Kp1·Po,其中Kp1为衰减系数，Po为输出到负载发热丝上的平均功率。衰减系数Kp1的计算公式为：
Kp1＝m·Ki·Kv·Rpo/Rv2i
上式中，m为乘法系数，Ki为电流采样衰减系数，Kv为电压采样衰减系数，Rpo为接地电阻RP0的电阻值，Rv2i为接地电阻Rv2i的电阻值。
S3、将输出功率作为反馈信号反馈至PWM生成器，并通过PWM生成器输出开关管的控制信号。
S4、通过开关管的控制信号对开关管进行控制，达到负载发热丝输出恒定功率的目的。负载发热丝的平均输出功率的计算公式为：
上式中，Pavg为负载发热丝的输出平均功率，Duty为开关管Psw被打开的占空比，Vref为基准电压。
所述开关管Psw被打开的占空比Duty的计算公式为：
上式中，Vo为输出到负载发热丝上的平均电压，Io为输出到负载发热丝上的平均电流。
