以TPS61022的恒定且可调输出功率的电子烟解决方案

电子月

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12.5W（5V/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。

图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（一个低电平）使得TPS61022工作在轻载高效的模式下，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口于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。

图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。

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。

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（12.5W）。

图6和图7显示了不同占空比下的热成像图。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。