CN118058536B - 一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，属于集成电路技术领域，包括：用于提供参考电压及输入电压的分压的两路分压电阻串；用于提供占空比信号的比较器；用于驱动功率管的驱动电路模块；振荡器；用于控制所述比较器输入及输出切换的逻辑电路模块；该集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，在恒定平均电压输出的基础上，通过时分复用，实现恒定均方根电压输出，无需增加额外的数字电路及乘法器，简化电路设计，提高电路集成度。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路。
背景技术
电子烟诞生的初衷是采用一种安全的产品代替传统纸质香烟，通过电池对电热丝供电，将尼古丁雾化，让用户仅吸入尼古丁，去除焦油、苯等有害物质。21世纪初至今，电子烟已发展了近20年，电子烟消费者对产品的需求也在进一步拓展，为了满足电子烟用户对于味觉及口感的要求，对电热丝的控制方案提出了要求，现有方案包括恒定平均值电压控制、恒定均方根电压控制、恒功率控制及恒温控制等。高集成度可以降低成本；高精度输出电压能够带给用户良好的吸烟体验；可选择的工作方式能够满足不同用户对口感的要求。
目前电子烟芯片大多采用恒定平均电压控制，恒定平均电压能够用简单的模拟电路实现，但由于输出电压与输入电压为线性关系，输出功率变为输出电压的非线性函数，导致在不同输入电压下，发热丝热量不同，影响口感；而均方根电压控制能够为发热丝提供恒定的功率，但需要实现输入电压的平方与输出电压的平方之间的线性关系，需要使用高精度乘法器，模拟电路难以实现，通常采用数字乘法器实现，提高了电路复杂度；恒功率控制、恒温控制进一步考虑电热丝阻抗变化，需要高精度ADC模数转换器（Analog-to-DigitalConverter）实时采样量化输入电压、输出电压及电热丝阻抗，并需要庞大的数字电路运算，通常需要MCU微控制器（Microcontroller Unit）配合，在提高性能的同时进一步增加了电路复杂度，并且由于MCU的存在，提高了设计和生产成本；
常见的电子烟芯片通常采用恒定平均值输出，恒定平均值输出方式电路实现简单，能够有效控制成本，但由于输出功率与输出电压的非线性关系，导致发热丝热量不可控，影响口感；而采用恒定均方根电压输出的方式能解决上述问题，但需要成倍增加模拟电路和数字电路面积，提高了电路复杂度并增加成本，因此，需要研发一种新的集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路来解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，以解决恒定平均电压输出的基础上，无法实现恒定均方根电压输出问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，包括：用于提供参考电压Vref及输入电压Vin的分压的两路分压电阻串；
用于提供占空比信号的比较器Comp；
用于驱动功率管Powermos的驱动电路模块DRV；
振荡器OSC；
用于控制所述比较器Comp输入及输出切换的逻辑电路模块LOGIC。
优选的，所述比较器Comp连接有开关S1、开关S2,所述比较器Comp分别通过开关S3、开关S1与驱动电路模块DRV和逻辑电路模块LOGIC相连接；
优选的，所述驱动电路模块DRV与功率管Powermos相连接。
优选的，所述比较器Comp与振荡器OSC的一端相连接，所述振荡器OSC的另一端与逻辑电路模块LOGIC相连接。
优选的，所述控制电路实现恒定平均的电压输出的步骤包括：
通过 PWM信号进行电压输出，具体关系为：式(1)
其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，D为输出VoutPWM信号占空比，Ton为PWM高电平时间，Ts为PWM恒定周期，为保持输出电压Vout恒定，需确保输入电压Vin与Ton乘积为定值即可。
优选的，所述Ton的获取方法包括：对于恒定平均值电压输出，开关S1与开关S3闭合，将比较器Comp的负端接Vref，比较器Comp的正端接bi，bi受振荡器OSC及逻辑电路模块LOGIC控制，bi初始状态为b1，每个时钟clk触发时，计数器i加1，当i=n时，bi复位初始状态；当bi<Vref时，COMP输出为高，将功率管Powermos开启，开启时间即为Ton，此时Vout电压等于Vin；当bi>Vref时，COMP输出为低，将功率管Powermos关闭，关闭时间即为Toff，Ton加Toff即为Ts，此时Vout电压等于0；当bi= Vref时，有: 式(2)
其中，为电阻串对应的节点分压值，i为控制电阻串切换的计数器，初始时刻为1，/>代表振荡器的时间周期，/>代表为常数；对比式(1)及式(2)得，当Vref等于Vout时，式(2)与式(1)完全一致，此时Ton等于i*Tclk，Ts等于n*Tclk，将Vref设置为目标的Vout，通过式(2)得到占空比，满足恒定平均值输出条件。
优选的，所述控制电路实现恒定均方根的电压输出的步骤包括：
通过PWM信号进行电压输出，具体关系为：式(3)
将式(3)稍作变形：式(4)
令:式(5)
得:式(6)
式(6)及式(1)得出，若得到Vout’，需要得到Ton。
优选的，所述Ton 具体获取方法包括，将Ts分为0到T1，T1到Ts两部分，0到T1时，开关S1与开关S4闭合，此时系统等效为一个 bits ADC，通过Vin分压电阻串、比较器Comp及逻辑模块对Vref量化编码，经过/>个CLK后可以得到编码输出i，此时有：式(7)
式(8)
其中，ai代表Vref的分压值；
将式(7)带入式(8)得：式(9)
观察式(8)与式(5)能够发现，当Vref等于Vout时，ai等于Vout’；
T1到Ts时，将ai接入开关S2并将开关S2、开关S3闭合，开关S1、开关S4断开，此时恒定平均值输出一致，得到：
式(10)
与恒定平均值类似，只需要将Vref设置为目标的Vout，通过式(8)得到占空比，满足恒定均方根输出条件。
本发明的技术效果和优点：该集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，在恒定平均电压输出的基础上，通过时分复用，实现恒定均方根电压输出，无需增加额外的数字电路及乘法器，简化电路设计，提高电路集成度,并且无需增加额外的数字电路及乘法器，简化电路设计，提高电路集成度，降低成本；同时内部集成两种输出方式，用户可自行选择恒定平均值电压或恒定均方根电压输出，提升用户体验。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明恒定平均值输出时序示意图；
图3为本发明恒定均方根输出时序示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1中所示的一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路；
恒定平均值输出时序如图2所示，对于PWM电压输出有：式(1)
Vout为输出电压，Vin为输入电压，D为输出Vout PWM信号占空比，Ton为PWM高电平时间，Ts为PWM恒定周期，要使Vout保持恒定，则只需满足Vin与Ton乘积为定值即可。
为实现上述功能，现提出如图1所示的具体方案，图中包含两路分压电阻串，分别提供参考电压Vref及输入电压Vin的分压，一个比较器Comp提供占空比信号，一个驱动电路模块DRV为功率管Powermos提供驱动，一个振荡器OSC及一个逻辑电路模块LOGIC用来控制比较器Comp的输入及输出切换。
对于恒定平均值电压输出，开关S1与开关S3闭合，将比较器Comp的负端接Vref，比较器Comp的正端接bi，bi受振荡器OSC及逻辑电路模块LOGIC控制，bi初始状态为b1，每个时钟clk触发时，计数器i加1，当i=n时，bi复位初始状态。当bi<Vref时，COMP输出为高，将功率管Powermos开启，开启时间即为Ton，此时Vout电压等于Vin；当bi>Vref时，COMP输出为低，将功率管Powermos关闭，关闭时间即为Toff，Ton加Toff即为Ts，此时Vout电压等于0；当bi= Vref时，有: 式(2)
其中，为电阻串对应的节点分压值，i为控制电阻串切换的计数器，初始时刻为1，/>代表振荡器的时间周期，/>代表为常数；
对比式(1)及式(2)能够发现，当Vref等于Vout时，式(2)与式(1)完全一致，此时Ton等于i*Tclk，Ts等于n*Tclk，因此只需要将Vref设置为目标的Vout，系统通过式(2)能够自行得到合适的占空比，满足恒定平均值输出条件。
恒定均方根输出时序如图3所示，对于PWM电压输出有：式(3)
将式(3)稍作变形：式(4)
令:式(5)
得:式(6)
观察式(6)及式(1)能够发现，若能够得到Vout’，就能通过上述恒定平均值输出方案得到需要的Ton，下文主要对式(5)即Vout’做说明。
如图1、图3所示，对于均方根电压输出，将Ts分为0到T1，T1到Ts两部分，0到T1时，开关S1与开关S4闭合，此时系统等效为一个简单的 bits ADC，通过Vin分压电阻串、比较器Comp及逻辑模块对Vref量化编码，经过/>个CLK后可以得到编码输出i，此时有：式(7)
式(8)
其中，ai代表Vref的分压值；
将式(7)带入式(8)得：式(9)
观察式(8)与式(5)能够发现，当Vref等于Vout时，ai等于Vout’。
T1到Ts时，将ai接入开关S2并将开关S2、开关S3闭合，开关S1、开关S4断开，此时系统与上文中介绍的恒定平均值输出一致，最终能够得到：式(10)
与恒定平均值类似，只需要将Vref设置为目标的Vout，系统通过式(8)能够自行得到合适的占空比，满足恒定均方根输出条件。
对于恒定均方根电压输出，由于在0到T1时需要先确定Vout’，因此无法实现占空比等于0，但在实际应用中，输入电压及输出电压均不可能为0，且0到T1时刻仅需要个CLK，远小于Ts，因此几乎对实际应用没有影响。
本专利采用低压BCD工艺并通过candence仿真验证，能够实现2.2V~4.5V输入输出范围内的恒定平均值电压输出及恒定均方根电压输出，输出电压精度优于±30mV，设置目标输出电压3.72V，输入电压大于3.72V时，输出电压能够稳定输出3.72V，输入电压小于3.72V时，占空比变为100%，输出电压等于输入电压。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，其特征在于,包括：
用于提供参考电压及输入电压的分压的两路分压电阻串；
用于提供占空比信号的比较器；
用于驱动功率管的驱动电路模块；
振荡器；
用于控制所述比较器输入及输出切换的逻辑电路模块；
所述比较器连接有开关S1、开关S2,且所述比较器分别通过开关S3、开关S4与驱动电路模块和逻辑电路模块相连接；所述控制电路实现恒定平均的电压输出的步骤包括：通过PWM信号进行电压输出，具体关系为：式(1)
其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，D为输出Vout PWM信号占空比，Ton为PWM高电平时间，Ts为PWM恒定周期，为保持输出电压Vout恒定， 需确保输入电压Vin与Ton乘积为定值；
所述控制电路实现恒定均方根的电压输出的步骤包括： 通过PWM信号进行电压输出，具体关系为：式(3)
将式(3)稍作变形：式(4)
令:式(5)
得:式(6)
式(6)及式(1)得出，若得到Vout’，需要得到Ton。
2.根据权利要求1所述的一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，其特征在于：所述驱动电路模块与功率管相连接。
3.根据权利要求1所述的一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，其特征在于：所述比较器与振荡器的一端相连接，所述振荡器的另一端与逻辑电路模块相连接。
4.根据权利要求1所述的一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，其特征在于：所述Ton 的获取方法包括：开关S1与开关S3闭合，将比较器的负端接Vref，比较器的正端接bi，bi受振荡器及逻辑电路模块控制，bi初始状态为b1，每个时钟clk触发时，计数器i加1，当i=n时，bi复位初始状态；当bi < Vref时，比较器输出为高，将功率管开启，开启时间为Ton，此时Vout电压等于Vin；当bi >Vref时，比较器输出为低，降功率管关闭，关闭时间为Toff，Ton+Toff为Ts，此时Vout电压等于0；当bi = Vref时，有:(i=1,2...n) 式(2)
其中，为电阻串对应的节点分压值，i为控制电阻串切换的计数器，初始时刻为1，代表振荡器的时间周期，/>代表为常数；
对比式(1)及式(2)得，当Vref等于Vout时，式(2)与式(1)完全一致，此时Ton等于i*Tclk，Ts等于n*Tclk，将Vref设置为目标的Vout，通过式(2)得到占空比，满足恒定平均值输出条件。
5.根据权利要求1所述的一种集成恒定平均和恒定均方根电压输出的控制电路，其特征在于：所述Ton 具体获取方法包括，将Ts分为0到T1，T1到Ts两部分，0到T1时，开关S1与开关S4闭合，此时系统等效为一个 bits ADC，通过Vin分压电阻串、比较器及逻辑模块对Vref量化编码，经过/>个CLK后可以得到编码输出i，此时有：
式(7)
式(8)
其中，ai 代表Vref的分压值；
将式(7)带入式(8)得：式(9)
式(8)与式(5)得出，当Vref等于Vout时，ai等于Vout’；
T1到Ts时，将ai接入开关S2并将开关S2、开关S3闭合，开关S1、开关S4断开，此时恒定平均值输出一致，得到：
式(10)
将Vref设置为目标的Vout，通过式(8)得到占空比，满足恒定均方根输出条件。
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