电子烟 雾化芯片,一种SAW电子烟雾化芯片驱动控制电路设计与实现

0 简介

近年来,在全球控烟形式以及公共卫生和舆论的双重压力下,传统卷烟的发展越来越受到制约。 电子烟作为一类具有巨大发展潜力的不可燃卷烟替代品电子烟 雾化芯片,在全球掀起了产品开发、危害研究、市场扩张和健康消费的热潮[1-2]。

目前国内外市场上主流的电子烟普遍采用电雾化。这种方法是基于热传导原理,通过气流传感器、机械按键或触摸按键激发电子烟工作,导通电路给金属发热丝或陶瓷发热片供电,加热烟油雾化产生气溶胶 [3-4]。电雾化法虽然导热速度快、雾化效率高,但普遍存在以下问题[5-9]:雾化技术核心专利由帝国烟草控制,知识产权侵权风险较大; 电子烟Continuous 在抽吸过程中,发热元件持续升温高达500-600℃,存在安全隐患。同时烟油高温热解会释放醛类等有害成分,对健康构成高风险;属于接触雾化烟油容易烧结并附着在发热元件表面,产生积碳,会导致CO等有害成分受热释放,发出焦味或引起发热元件的电阻加热元件改变;另外烟油与加热元件长期接触,重金属会渗出并转移到气溶胶中。为了改进或解决电热雾化方法的技术缺陷,人们提出了许多新的电子烟雾化方法,如超声波雾化[10]、电磁感应雾化[11]、表面声波(Surface Acoustic Wave) . 、SAW)雾化[12]、磁悬浮离心雾化[13]、光子雾化[14]等。 在上述雾化方法中,SAW雾化依靠能量定向集中、驱动功率低、激发频率高、和低发热量[15-16]电子烟视频,以便能够连续稳定地产生少量有害物质和小粒径。小而均匀分布的气溶胶提供了新的思路,其在电子烟烟油雾化领域的应用前景非常广阔。不过值得一提的是,SAW雾化芯片的激励频率高达兆赫兹以上,属于高频射频信号范畴。驱动控制电路的集成化、小型化、便携化研发是一个很大的挑战。此外,鉴于驱动功率对烟雾量和激发频率对气溶胶粒径的直接影响,所开发的驱动控制电路还应具有功率和频率调节功能。

本文基于SAW技术实现电子烟烟油tomification的应用,有效集成了AT89S52单片机、AD9851高频信号发生电路、七阶椭圆低通滤波器电路、两级级联电压信号放大电路。设计并实现了一种输出频率和功率范围为0~65 MHz、0~4.5 W连续可调、信号输出稳定可靠、结构紧凑、体积小的驱动控制电路。该电路的研制成功,为推进SAW雾化技术的应用,引领电子烟的创新发展提供了重要的技术支持。

1 电路设计

1.1 需求分析

SAW雾化型电子烟的基本结构如图1所示,主要包括驱动控制电路和雾化芯片两部分。驱动控制电路主要用于向雾化芯片施加高频交流电信号。雾化芯片的作用是将烟油雾化成气雾剂。该芯片由压电基板和叉指换能器组成。 烟油一侧分散在压电基板表面,另一侧涂有吸声胶,以消除反射波的影响。 电子烟的工作过程描述如下:启动驱动控制电路,雾化芯片通过信号接口加载高频交流电信号并传输到叉指换能器,换能器利用逆压电效应压电基板本身,将电信号转换为声信号,形成沿压电基板表面传播的SAW。当SAW与放置在压电基板上的烟油接触时,SAW携带的能量会以特定角度以表面声波的形式衍射到烟油,对自由表面造成强烈干扰。当烟油自身的表面张力不足以维持其几何形状的稳定性时,就会产生气溶胶。显然,驱动控制电路是保证雾化芯片正常工作以连续稳定产生气溶胶的前提。另外,考虑到电子烟是手持设备,驱动功率和激发频率分别与烟雾量和气溶胶颗粒大小密切相关,满足驱动功率要求,功率和频率可调的紧凑型尺寸已经被开发出来。高频驱动控制电路是SAW技术在电子烟atomization领域成功应用的关键。

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1.2 电路方案

从以上分析可以看出,拟开发的配套驱动控制电路的SAW雾化芯片,不仅可以连续稳定输出高频正弦波交流信号,还可以满足小尺寸和可调功率的需求和频率。图2是驱动控制电路的结构框图。该电路主要由单片机控制模块、信号发生模块、信号处理模块、人机交互模块和电源模块组成。其中,单片机控制模块作为整个系统的控制单元,完成模块间的数据管理和信号传输;信号产生模块用于产生目标高频正弦交流电信号;信号处理模块的作用是实现信号滤波和信号放大;人机交互模块用于设置功率和频率,根据用户实际抽吸需求显示信息;电源模块为各个模块电路提供电源支持。

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2 电路实现

2.1 硬件部分

2.1.1 MCU控制及人机交互电路

单片机是整个驱动控制电路的核心。一方面需要实时监控键盘输入,接收和读取外部信号,实现信号传输,控制AD9851完成相应的功能设置。另一方面,它需要读取整个电路的数据并与之通信。 LCD 通信向用户提供信息。选用TPFQ型AT89S52单片机,端口连接图如图3所示。P0为8位开漏双向I/O口,每个可驱动8个TTL逻辑电平,P1、P2、 P3为8位双向I/O口,内部有上拉电阻,输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑电平[17]。串口输入RXD和串口输出TXD外接CH340T,用于下载程序。 P3.2~P3.6 分别连接一个独立的按钮,供用户调节和设置目标励磁频率。 XTAL1和XTAL2用于产生内部时钟,RST接按钮实现芯片手动复位,P2.3~P2.7接Nokia 5110 LCD传输系统数据和显示,P0和P1为接口MCU与AD9851之间的数据传输和通信接口,具体连接方法见AD9851高频信号产生电路部分。

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2.1.2 AD9851高频信号产生电路

AD9851由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、直接数字频率合成DDS芯片和内部高速比较器组成。其中,DDS芯片集成了32位相位累加器、正弦函数查表、10位D/A转换器、6频参考时钟倍频器等。DDS芯片采用数字方式累加相位,然后以相位之和为地址查询正弦函数表,得到正弦波幅度的离散数字序列,最后经过数模转换后输出模拟正弦波交流信号。高速DDS芯片时钟频率可达180MHz,输出频率可达70MHz,分辨率为0.04Hz[18]。 AD9851有两种通信方式:串行和并行。为了充分发挥芯片的高速性能,特意选择了并行模式。对应的端口连接图如图4所示。连接AD9851的D0~D7和单片机的P1.0~P。 1.7直连实现数据传输,FQ_UD和W_CLK端分别接单片机的P2.1和P2.2实现控制信号传输,RESET端接[email protected]单片机的@0实现芯片复位功能,REFCLOCK端接30MHz有源晶振获得参考时钟输入信号,IOUT端输出待处理的正弦波交流信号。

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2.1.3 低通滤波电路

AD9851信号发生电路输出的正弦波交流信号非常不稳定,有噪声,有阶梯锯齿[19],不是标准的正弦波信号,需要加低通滤波电路在后期。用于去除基频以外的杂波成分,有效抑制谐波和杂散,获得稳定的目标正弦波交流信号,噪声尽可能小。图 5 所示为七阶椭圆低通滤波器电路。该电路的截止频率可达70 MHz。采用反归一化的方法,可以根据用户要求计算出相应的电气参数,选择相应的电子元件。频率校准系数为FSF=f0/f1,其中f0为正弦波频率,f1为滤波电路的-3 dB截止频率。

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2.1.4 功放电路

AD9851直接合成的正弦波频率信号幅度小,驱动能力弱,不足以满足后续负载的驱动需求。同时,该电路的最大输出频率高达70 MHz,一般的运放频率摆幅已不能满足要求[20],输出波形会严重失真。为此,进行了两级级联电压信号放大过程。第一级采用AG603-89通用缓冲射频放大器,高动态范围,在高频下具有高信号增益和低输出电流;第二级采用三菱场效应高频管RD06HVF,电位器R31用于设置放大电路的静态。工作点。

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2.2 软件部分

软件主要是设置单片机的端口,控制与其相连的外围电路,然后实现相应的功能。通电后,所有电路和芯片都被初始化,LCD显示“Welcome to HIT”和“000 000 000 Hz”两行字符,然后等待用户设置频率。单片机实时监控扫描键输入口,当有键动作时,表示设定频率发生了变化。一方面,单片机将按键对应的操作传送到液晶显示器,液晶显示器实时向用户显示当前操作和设定频率值;另一方面,单片机将设置相应的控制字传送给AD9851,AD9851射频电路根据输入的控制字输出相应频率的正弦波交流电信号,整个软件控制流程如图7所示。

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3 测试与结果分析

3.1 测试系统

高频SAW雾化芯片驱动控制电路产生的信号通过泰克DPO 3204B数字示波器和Diamond SX-200功率计测试。测试系统如图8所示,供电端选用额定电压为12V(实测值为11.65V)、电池容量为28000mA的充电电池。驱动控制电路正面和侧面实物图如图9所示,主要包括3层。顶层为液晶显示电路,为用户直观显示输出频率数据;中间层是主控层,集成了单片机控制电路和AD9851。高频信号产生电路和外围按键控制电路等,用于设置和产生预定频率的正弦波交流信号;最底层是信号处理层,用于滤除噪声干扰信号,放大有用信号。此外,为了防止电路在运行过程中因过热而损坏,在底部增加了散热片,以确保电路处于良好的工作状态。

电子烟陶瓷雾化芯_电子烟 雾化芯片_电子烟如何更换雾化芯

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3.2 测试结果

根据图8搭建的测试系统,测试高频SAW雾化芯片驱动控制电路在不同频率下的工作状态,主要记录预定频率、实际输出频率、峰峰值峰值输出电压和有效值。实验测试结果如表1所示,从表中数据可以看出,驱动控制电路可以有效输出0~65MHz范围内预定的大功率信号,频率误差仅为几平均百分之百,准确度比较高,但是当频率接近或大于70MHz时,信号会严重失真。另外,通过旋钮式功率控制电位器调节输出功率,测试控制电路在不同频率下的驱动能力。结果表明,在有效激励频率范围内,控制电路可以稳定工作,可以实现0~4.5 W的任意功率输出,而SAW芯片一般只需要2.5 W左右即可实现烟油雾化正弦交流电信号,控制电路完全可以满足雾化驱动的需要。

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4 结论

基于SAW电子烟雾化芯片驱动要求电子烟展会,本文开发了一种小型便携式驱动控制电路,输出频率范围0~65 MHz,输出功率范围0~4.5 W,全范围可调。 该电路主要由AT89S52单片机控制模块、AD9851高频信号发生模块、七阶椭圆低通滤波器模块、两级级联电压信号放大模块、诺基亚组成的人机交互模块组成。 5110 LCD 和按钮。该控制电路具有信号输出稳定可靠、频率调节范围宽、误差小、负载驱动能力强等优点,不仅可用于电子烟烟油雾化驱动,还可作为推动其他满足类似需求的声表面波微流控雾化源。

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作者信息:

李廷华 1、朱东来 1、韩毅 1、雷玉林 2、李寿波 1、张霞 1、龚晓伟 1、胡红 2

(1.云南中烟工业有限公司技术中心,云南昆明650231;

2.哈尔滨工业大学(深圳)机电工程及自动化学院,广东深圳518055)

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