一种恒功率输出控制方法、控制芯片及装置

摘要

本发明提供一种恒功率输出控制方法、控制芯片及装置，所述控制方法包括步骤1：分别采样供电电压以及负载电流；步骤2：对采样的供电电压以及负载电流分别进行运算处理，将运算处理后的供电电压以及负载电流作为控制信号控制PWM方波信号输出，步骤2中将采样的供电电压以及负载电流作为控制RC电路充电时间的条件，进而控制PWM的输出周期以及ON时间，调节PWM的占空比，实现恒功率输出。本发明无需通过控制器类元件实现恒功率输出，其通过巧妙的电路设计，利用极低的成本即可实现恒功率输出，通过设置不同的常数参数选择相应规格的元件即可实现预期功率的恒功率输出，功率输出过程中的功率输出值与负载大小、温度、供电电压等参数均无关。

权利要求

1.一种恒功率输出控制方法，包括：

步骤1：分别采样供电电压以及负载电流；

步骤2：对采样的供电电压以及负载电流分别进行运算处理，将运算处理后的供电电压以及负载电流作为控制信号控制PWM方波信号输出，其特征在于：步骤2中将采样的供电电压以及负载电流作为控制RC电路充电时间的条件，进而控制PWM的输出周期以及ON时间，调节PWM的占空比，实现恒功率输出，其中采样的供电电压经运算处理后控制PWM的输出周期，采样的负载电流经运算处理后控制PWM的ON时间；

步骤2中对采样的供电电压进行运算处理包括将采样的供电电压按照比例系数K2进行放大，对采样的负载电流进行运算处理包括将采样的负载电流按照比例系数K1进行放大；

步骤2中具体包括：放大后的采样的负载电流对第一电容器进行充电，采用设置好的参考电流Iref对第二电容器进行充电；以第一电容器的电压作为第一放大器的反向输入，以设置好的参考电压Vref作为第一放大器的正向输入；放大后的采样的供电电压作为第二放大器的正向输入，以第二电容器的电压作为第二放大器的反向输入；以第一放大器和第二放大器的输出分别作为锁存器的直接置位端输入和直接复位端输入，以锁存器的输出端为PWM输出端。

2.如权利要求1所述的恒功率输出控制方法，其特征在于：步骤1中，对负载电流进行采样通过运算放大器配合电流镜实现；对供电电压进行采样通过电阻分压的方式实现。

3.如权利要求1所述的恒功率输出控制方法，其特征在于：根据预期输出的功率值Po设置第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref的值、参考电压Vref的值、比例系数K1、K2的值；预期输出的功率值Po与第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref的值、参考电压Vref的值、比例系数K1、K2的值之间满足关系式：。

4.一种恒功率输出控制芯片，包括采样电路、运算电路以及PWM输出电路，其特征在于：

其采用如权利要求1‑3任一项所述的恒功率输出控制方法实现恒功率输出。

5.如权利要求4所述的恒功率输出控制芯片，其特征在于：所述运算电路包括供电电压运算电路以及负载电流运算电路，所述供电电压运算电路对采样的供电电压按照比例系数K2进行放大，所述负载电流运算电路对采样的负载电流按照比例系数K1进行放大。

6.如权利要求5所述的恒功率输出控制芯片，其特征在于：所述供电电压运算电路还包括第二电容器以及第二放大器，所述第二电容器通过设置好的参考电流Iref进行充电，放大后的采样的供电电压作为第二放大器的正向输入，以第二电容器的电压作为第二放大器的反向输入，实现对PWM的输出周期的控制。

7.如权利要求6所述的恒功率输出控制芯片，其特征在于：所述负载电流运算电路还包括第一电容器以及第一放大器，所述第一电容器通过放大后的采样的负载电流进行充电，以第一电容器的电压作为第一放大器的反向输入，以设置好的参考电压Vref作为第一放大器的正向输入，实现对PWM的ON时间的控制。

8.一种恒功率输出装置，其特征在于：其采用如权利要求1‑3任一项所述的恒功率输出控制方法以实现恒功率输出。

说明书

一种恒功率输出控制方法、控制芯片及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种恒功率输出控制方法、控制芯片及装置。

背景技术

[0002] 对于采用电池供电的线性放电闭环控制装置，如电子烟、点烟器、电风扇、电动牙刷、电动剃须刀等，常见的控制输出方式有恒压输出控制、恒有效电压输出控制以及恒功率输出控制，其中恒压输出控制和恒有效电压输出控制方式，输出功率会随着负载大小、温度、电池供电电压等外部参数的变化而变化，因此会导致用户的使用体验不一致的情况，恒功率输出控制方式多采用控制类元件如MCU、微处理器等实现，导致控制电路部分成本高昂、电路复杂。

[0003] 以电子烟为例，电子烟为一种由电池供电的线性放电闭环控制装置，其由内部检测模块检测气流的运动或压力感测器检测压阻式膜片的压力差以判断当前是否处于吸烟状态，并通过芯片控制电流输出及工作状态。目前电子烟的控制芯片采用的控制方式有恒压输出控制方式、恒有效电压输出控制方式和恒功率输出控制方式。

[0004] 恒压输出控制方式为输出过程中的平均电压保持恒定，如图1所示为3.4V恒压输出控制示意图，在电池电压高于3.4V时，控制芯片控制输出3.4V的恒定电压，当电池电压低于3.4V时，因为占空比已经达到了100%，所以输出电压随着电池电压的下降而下降。根据功率计算公式：功率=（供电电压*供电电压）/负载电阻*占空比，可以发现，在整个电池供电范围内，输出功率会随着供电电压的下降而减少，进而带给客户前后不一致的吸烟口感，影响使用感受。

[0005] 恒有效电压输出控制方式是指在输出过程中有效电压保持恒定，这种输出控制方式相对于恒压输出控制方式的优点是在负载电阻不变的情况下，输出功率会保持一致，其输出示意图如图2所示，但是一旦负载阻值发生变化，其输出功率就会随着发生变化，若要保持给用户前后一致的吸烟口感，就需要对负载材质有较高的要求。

[0006] 申请号为201910912811.1的发明专利申请公开了一种具有自动闭环控制输出电压的电子烟芯片及其工作方法，该芯片包括内置MCU模块、全桥升降压模块、输出电压反馈电路模块、内部供电模块、运放单元模块和若干信号端，VOUT信号端用于向电子烟的发热元件输出电压，输出电压反馈电路模块将VOUT信号端的输出电压反馈给内置MCU模块，运放单元模块用于检测电子烟的发热元件的阻值并传送给内置MCU模块，内置MCU模块根据外部芯片的设置信号、输出电压反馈电路模块的反馈信号进行高精度运算并自动控制全桥升降压模块以便通过VOUT信号端输出可调的精准电压。该发明可实现闭环自动控制的精准的电压输出或恒功率输出，从而实现电子烟吸烟过程中雾化量的稳定和吸烟口感的稳定。但是该发明需要借助控制类元件MCU实现功能，其成本较高且电路结构复杂。

[0007] 申请号为201920846851.6的实用新型提供了一种可实现恒功率输出的电子烟的电路及其实现方法，电流采样模块和电压采样模块的输入信号分别为从负载阻抗处采样的电流和电压，电流采样模块和电压采样模块的采样结果输出至AD转换器，AD转换器的输出与数字乘法器的两个输入端相连，功率设置电路的输出等于需求的恒定功率，PWM产生电路的输出端连接至一个PMOS开关，PMOS开关置于电池BAT到输出OUT的直流通路中。该实用新型的电路提供了一个恒定功率的输出，而恒定功率电子烟的烟雾量更加均匀，具有更佳的用户口感，同时恒定功率输出相对更加稳定节能。但是该实用新型电路的实现需要将监测到的输出功率与功率设置电路提供的恒定功率在PWM产生电路的比较器中进行比较，经过PWM产生电路后最终输出一个与二者有关的脉冲信号，脉冲信号的占空比将由实际监测功率和设置恒定功率的比值决定。其实现恒功率输出的控制过程及实现电路也比较复杂。

发明内容

[0008] 为解决以上技术问题中的至少一个，本发明提供了一种恒功率输出控制方法、控制芯片及装置，其可以无需借助于控制类元件、通过简单的电路实现恒功率输出。

[0009] 本发明的第一方面提供一种恒功率输出控制方法，包括：

[0010] 步骤1：分别采样供电电压以及负载电流；

[0011] 步骤2：对采样的供电电压以及负载电流分别进行运算处理，将运算处理后的供电电压以及负载电流作为控制信号控制PWM方波信号输出。

[0012] 优选的是，步骤2中将采样的供电电压以及负载电流作为控制RC电路充电时间的条件，进而控制PWM的输出周期以及ON时间（即高电平时间），调节PWM的占空比，实现恒功率输出。

[0013] 上述任一方案优选的是，步骤2中，采样的供电电压经运算处理后控制PWM的输出周期，采样的负载电流经运算处理后控制PWM的ON时间。

[0014] 上述任一方案优选的是，步骤2中对采样的供电电压进行运算处理包括将采样的供电电压按照比例系数K2进行放大。

[0015] 上述任一方案优选的是，步骤2中对采样的负载电流进行运算处理包括将采样的负载电流按照比例系数K1进行放大。

[0016] 上述任一方案优选的是，步骤2中具体包括：放大后的采样的负载电流对第一电容器进行充电，采用设置好的参考电流Iref对第二电容器进行充电；以第一电容器的电压作为第一放大器的反向输入，以设置好的参考电压Vref作为第一放大器的正向输入；放大后的采样的供电电压作为第二放大器的正向输入，以第二电容器的电压作为第二放大器的反向输入；以第一放大器和第二放大器的输出分别作为锁存器的直接置位端输入和直接复位端输入，以锁存器的输出端为PWM输出端。

[0017] 上述任一方案优选的是，所述锁存器为SR锁存器。

[0018] 上述任一方案优选的是，所述SR锁存器由与非门构成，SR锁存器的Q端为PWM的输出端。

[0019] 上述任一方案优选的是，步骤1中，对负载电流进行采样通过运算放大器配合电流镜实现。

[0020] 上述任一方案优选的是，步骤1中，对供电电压进行采样通过电阻分压的方式实现。

[0021] 上述任一方案优选的是，根据预期输出的功率值Po设置第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref的值、参考电压Vref的值、比例系数K1、K2的值。

[0022] 上述任一方案优选的是，预期输出的功率值Po与第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref的值、参考电压Vref的值、比例系数K1、K2的值之间满足关系式： 。

[0023] 本发明的第二方面提供一种恒功率输出控制芯片，其采用所述恒功率输出控制方法实现恒功率输出，包括采样电路、运算电路以及PWM输出电路。

[0024] 优选的是，所述采样电路包括供电电压采样电路以及负载电流采样电路。

[0025] 上述任一方案优选的是，所述运算电路包括供电电压运算电路以及负载电流运算电路。

[0026] 上述任一方案优选的是，所述供电电压运算电路对采样的供电电压按照比例系数K2进行放大。

[0027] 上述任一方案优选的是，所述负载电流运算电路对采样的负载电流按照比例系数K1进行放大。

[0028] 上述任一方案优选的是，所述供电电压运算电路还包括第二电容器以及第二放大器，所述第二电容器通过设置好的参考电流Iref进行充电，放大后的采样的供电电压作为第二放大器的正向输入，以第二电容器的电压作为第二放大器的反向输入，实现对PWM的输出周期的控制。

[0029] 上述任一方案优选的是，所述负载电流运算电路还包括第一电容器以及第一放大器，所述第一电容器通过放大后的采样的负载电流进行充电，以第一电容器的电压作为第一放大器的反向输入，以设置好的参考电压Vref作为第一放大器的正向输入，实现对PWM的ON时间的控制。

[0030] 上述任一方案优选的是，所述PWM输出电路包括锁存器，所述锁存器以第一放大器和第二放大器的输出分别作为直接置位端输入和直接复位端输入，所述锁存器的输出端为PWM输出电路的输出端。

[0031] 上述任一方案优选的是，所述锁存器为SR锁存器。

[0032] 上述任一方案优选的是，所述SR锁存器由与非门构成，SR锁存器的Q端为PWM输出电路的输出端。

[0033] 上述任一方案优选的是，供电电压采样电路包括电阻分压。

[0034] 上述任一方案优选的是，负载电流采样电路包括运算放大器和电流镜。

[0035] 本发明的第三方面提供一种恒功率输出装置，其采用所述恒功率输出控制方法或者包括所述恒功率输出控制芯片以实现恒功率输出。

[0036] 优选的是，所述恒功率输出装置为线性放电的闭环控制装置。

[0037] 上述任一方案优选的是，所述恒功率输出装置包括电子烟、点烟器、电风扇、电动牙刷、电动剃须刀中的至少一种。

[0038] 本发明的恒功率输出控制方法、控制芯片及装置可以无需通过控制器类元件实现恒功率输出，其通过巧妙的电路设计，利用极低的成本即可实现恒功率输出，通过设置不同的常数参数选择相应规格的元件即可实现预期功率的恒功率输出，功率输出过程中的功率输出值与负载大小、温度、供电电压等参数均无关。

附图说明

[0039] 图1为现有技术中的某线性放电的闭环控制装置的恒压输出示意图。

[0040] 图2为现有技术中的另一线性放电的闭环控制装置的恒有效输出示意图。

[0041] 图3为按照本发明的恒功率输出控制方法的一优选实施例的流程示意图。

[0042] 图4为按照本发明的恒功率输出控制方法的如图3所示实施例的恒功率输出示意图。

[0043] 图5为按照本发明的恒功率输出控制芯片的一优选实施例的结构示意图。

[0044] 图6为按照本发明的恒功率输出控制芯片的如图5所示实施例的部分运算电路及PWM输出电路的结构示意简图。

[0045] 图7为按照本发明的恒功率输出控制芯片的如图5所示实施例的采样电路及部分运算电路的结构示意简图。

[0046] 图8为按照本发明的恒功率输出控制芯片的输出功率随负载变化的测试曲线图。

[0047] 图9为按照本发明的恒功率输出控制芯片的输出功率随供电电压变化的测试曲线图。

具体实施方式

[0048] 为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细说明。

[0049] 实施例1

[0050] 如图3所示，一种恒功率输出控制方法，包括：

[0051] 步骤1：分别采样供电电压以及负载电流；

[0052] 步骤2：对采样的供电电压以及负载电流分别进行运算处理，将运算处理后的供电电压以及负载电流作为控制信号控制PWM方波信号输出。

[0053] 在步骤2中，将采样的供电电压以及负载电流作为控制RC电路充电时间的条件，进而控制PWM的输出周期以及ON时间（即高电平时间），调节PWM的占空比，实现恒功率输出。具体地，采样的供电电压经运算处理后控制PWM的输出周期，采样的负载电流经运算处理后控制PWM的ON时间。

[0054] 步骤2中，首先将采样的供电电压按照比例系数K2进行放大，采样的负载电流按照比例系数K1进行放大；然后放大后的采样的负载电流对第一电容器进行充电，采用设置好的参考电流Iref对第二电容器进行充电；以第一电容器的电压作为第一放大器的反向输入，以设置好的参考电压Vref作为第一放大器的正向输入；放大后的采样的供电电压作为第二放大器的正向输入，以第二电容器的电压作为第二放大器的反向输入；以第一放大器和第二放大器的输出分别作为锁存器的直接置位端输入和直接复位端输入，以锁存器的输出端为PWM输出端。即以负载电流的信息控制锁存器置位，以供电电压信息控制锁存器复位。已知输出功率计算公式为：Po=D*Vbat*Vbat /Rat，其中Po表示输出功率，D表示占空比，Vbat表示供电电压，Rat表示负载阻值。若将功率计算公式中的Vbat和Rat相关的项抵消掉，使得功率计算公式中都是常数项，那么就可以完成恒功率输出控制了。

[0055] 为此将采样的供电电压以及负载电流作为控制条件，控制RC电路的充电时间，进而通过RC电路充电时间来控制PWM的周期时间以及ON时间，达到调节PWM占空比的目的。采用公式表示为：

[0056]

[0057] 其中，Ton表示PWM的ON时间，T表示PWM的周期时间，C1表示第一电容器的电容值，C2表示第二电容器的电容值，Vref表示参考电压，Iref表示参考电流，Io表示采样的负载电流，Vbat表示采样的供电电压。将占空比D的上述计算公式带入输出功率的计算公式有：

[0058]

[0059] 可见输出功率Po的计算公式中仅剩了一些电路设计中的常数项，与供电电压Vbat和负载电流Rat均无关了。

[0060] 任一具有锁存复位功能的电路均可以作为所述锁存器使用，在本实施例中优选的是，所述锁存器采用SR锁存器，由与非门构成，SR锁存器的Q端为PWM的输出端。

[0061] 步骤1中，对负载电流进行采样通过运算放大器配合电流镜的方式实现。对供电电压进行采样通过电阻分压的方式实现。

[0062] 根据输出功率Po与第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref的值、参考电压Vref的值、比例系数K1、K2的值之间满足关系式：设置合适的第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref、参考电压Vref、比例系数K1、K2，进而实现预期的输出功率的恒功率输出。所述恒功率输出控制方法的输出示意图如图4所示，当负载电阻值发生变化的时候，输出电压曲线也会随着调整，进而匹配到和之前一致的输出功率，实现恒功率输出，功率输出不随供电电压、负载等外部因素的变化而变化。

[0063] 实施例2

[0064] 一种恒功率输出控制芯片，其采用所述恒功率输出控制方法实现恒功率输出，包括采样电路、运算电路以及PWM输出电路，其结构示意图如图5所示。

[0065] 在本实施例中优选的是，所述采样电路包括供电电压采样电路以及负载电流采样电路，所述运算电路包括供电电压运算电路以及负载电流运算电路，所述供电电压运算电路对采样的供电电压按照比例系数K2进行放大，所述负载电流运算电路对采样的负载电流按照比例系数K1进行放大。

[0066] 根据实施例1中的恒功率输出控制方法的实现原理以及实现方法，输出功率对应的电路示意图如图6所示。所述供电电压运算电路还包括第二电容器（图6中采用C2表示）以及第二放大器（图6中位于下方的放大器），所述第二电容器通过设置好的参考电流Iref进行充电，放大后的采样的供电电压作为第二放大器的正向输入，以第二电容器的电压作为第二放大器的反向输入，实现对PWM的输出周期的控制。所述负载电流运算电路还包括第一电容器（图6中采用C1表示）以及第一放大器（图6中位于上方的放大器），所述第一电容器通过放大后的采样的负载电流进行充电，以第一电容器的电压作为第一放大器的反向输入，以设置好的参考电压Vref作为第一放大器的正向输入，实现对PWM的ON时间的控制。

[0067] 所述PWM输出电路包括锁存器，所述锁存器以第一放大器和第二放大器的输出分别作为直接置位端输入和直接复位端输入，所述锁存器的输出端为PWM输出电路的输出端。

[0068] 任一具有锁存复位功能的电路均可以作为所述锁存器使用，在本实施例中优选的是，所述锁存器采用SR锁存器，由与非门构成，SR锁存器的Q端为PWM输出电路的输出端。

[0069] 在本实施例中优选的是，所述采样电路采用如图7所示的结构实现，其中供电电压采样电路包括电阻分压；负载电流采样点路包括运算放大器和电流镜。

[0070] 通过设置合适的第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref、参考电压Vref、比例系数K1、K2，即可使所述恒功率输出控制芯片实现预期的输出功率的恒功率输出。

[0071] 实施例3

[0072] 为验证所述恒功率输出控制方法和所述恒功率输出控制芯片可以按照预期的输出功率实现恒功率输出，进行了测试。

[0073] 设定预期的输出功率为8W，根据预期的输出功率设置合适的第一电容器的电容值C1、第二电容器的电容值C2、参考电流Iref、参考电压Vref、比例系数K1、K2，完成控制芯片设计。

[0074] C1、C2、Iref、Vref的取值理论上是任意值，但在实际电路实现时，要结合集成电路生产工艺所能提供的一个能力范围选择合适的值。输出功率Po的取值更多的是通过调节K1和K2来实现，比如设置Po取值分别为10W和5W的时候，C1、C2、Iref、Vref的取值可能会相同，而K1和K2的取值不同，进而实现不同的功率输出。电路内部会通过trim或者预留option的方式来调整K1和K2的值。

[0075] 测试过程中，供电电压的变化范围为3.5V 4.5V，负载电阻值的变化范围为0.8Ω~ ~1.6Ω。

[0076] 如图8所示为输出功率随负载电压变化的测试曲线图，由图7可以发现，负载电阻的值从0.8Ω增加到1.6Ω的过程中，输出功率的变化范围在7.97W至8.02W之间，变化范围很小，变化幅度在‑0.03 0.02之间，基本维持在8W左右，可以认为其随着负载电阻的变化实~现了恒功率输出。

[0077] 如图9所示为输出功率随供电电压变化的测试曲线图，由图9可以发现，供电电压的值从4.5V降至3.5V的过程中，输出功率随着有轻微的下降，但是变化范围在8.03W至7.93W之间，变化范围也很小，变化幅度在‑0.07W至0.03W之间，基本维持在8W左右，可以认为其随着供电电压的变化实现了恒功率输出。

[0078] 通过图8和图9可以证明，本发明提供的所述恒功率输出控制方法和所述恒功率输出控制芯片可以实现预期输出功率的恒功率输出，功率输出与负载大小、供电电压、温度等外部参数无关。

[0079] 实施例4

[0080] 一种恒功率输出装置，其采用所述恒功率输出控制方法或者包括所述恒功率输出控制芯片以实现恒功率输出。所述恒功率输出装置为线性放电的闭环控制装置，包括电子烟、点烟器、电风扇、电动牙刷、电动剃须刀中的至少一种。

[0081] 需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应该理解：其可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。