电子烟的工作原理及通用电子烟硬件电路设计方案分析

电子烟的发展大致上可以分为两代，第一代电子烟的设计从外型上完全是模仿普通真烟的形状，烟弹是黄色，烟体是白色。包括电池杆，雾化器和烟弹。其缺点是雾化器很容易烧断，另外在更换烟弹的时候，容易伤害到雾化器的尖头部位。日积月累就会完全磨坏，最后导致雾化器不出烟。

第二代电子烟一开始为了克服第一代缺点，采用了一体的设计，扩大了雾化面积，避免了长时间使用导致雾化器不出烟的问题 。但它缺点是一次性设计，雾化器和烟弹都无法反复使用，长期使用成本较高。

后面有出现新的设计形式的电子—万次循环雾化器，采用不锈钢柱形内胆，透明强化外壳设计，雾化面积更大及其效果更均匀，可观察烟液剩余量随时添加烟油，反复使用。大大降低了消费者的长期使用成本。

电子烟工作原理

电子烟主要由气流监测器、控制电路、雾化头、LED、锂电池组成。吸烟时控制芯片可监测到气流流动，控制加热雾化头使发出模拟烟雾，没有气流流过体内部时控制芯片进入到待机状态。

图：雾化头的外观结构

外壳为不锈钢，镀铜部分为烟身的螺丝接口，中心为气孔，边沿还有气孔。气流从接口边沿进入烟体，从而使烟体内部有气流。边沿的气孔也可喷发出烟体。内部为加热丝缠绕在圆柱黑色材料上，内阻约 3 欧。 接口外面与 VSS 相连，中心控制芯片的驱动芯片好。

雾化头内部预装有不同浓度的烟碱液，其雾化方式分为：

1）较高级的雾化方法：经超微雾化泵加压进入雾化室，在高频超声波振动下雾化成 0.5-1.5um 的烟雾，在由吸入气流组成气溶胶，形成模拟烟雾的气雾。临界雾化条是用加热的方式使用液体表面张力减低至最易雾化的程度，模拟烟雾同时也模拟普通烟雾的温度（50-60 摄氏度）。

2）最简单而经济的是用发热丝缠绕在一个柱状耐热材料上，加热丝使侵润在耐热材料上的烟碱长生气体。目前，市面上大部分电子烟都是采用的此种方式，也是本文我们所要介绍的方案。

通用电子烟方案分析

通用电子烟的工作流程为，当有气流 (吸气或呼气) 气流穿过唛头，唛头即产生模拟信号。唛头的模拟信号到达一定程度引起中断，唤醒 MCU，随即驱动 PMOS，加热发热丝喷放烟雾，并且点亮 LED。当 MCU 监测到模拟信号减弱或者消失，停止驱动 PMOS 和 LED，然后监测电池电压，如无到达最低值则睡眠，到达最低值则闪烁 LED 进行低电压提醒。

因为电路和 MCU 都无 LDO 稳压，电池供电时监测电池电压则需要基准电压，所以电路中采用 tl431 电路提供基准电压。

EFM8 方案介绍

图：EFM8 硬件方框图

该框图中锂电池的电压 3.3V~4.2V，气流监测可用咪头或直接使用按键。 框图中 OLED 是用来显示电池电压以及功率状态。另外，按键除了有上述气流监测功能外，还可用来唤醒出烟和调整出烟量 (发热丝功率)。作为主控单元 MCU，EFM8 对锂电池过放和欠压保护，充电过程监测和显示，及其过充保护，短路监测等。以下是基于 EFM8 的电子烟电路原理图。

1）也是通过唛头或者按键唤醒 EFM8。

2）唤醒后，首先进行电池电压监测，如电池电压正常，则根据设置值或者默认值，把 PWM 输出到功率电路，进行选定功率输出，并通过反馈来校准输出功率。如电池电压低于最低电压值，则通过 OLED 显示提醒。

3）可以通过按键调整输出功率值。

4）USB 端口插入后进行判断端口插入后进行判断，决定是否对电池进行充电。

5）独立充电 IC 进行过冲保护。

6）LED 可显示电池电量，当前功率值。

7）在无编程功率输出方案中，发热丝的直接到电池，没有线性功率输出，满电和低电时功率相差甚远，导致出烟量变化太大，严重影响使用者口感. EFM8 方案从满电到低电输出功率基本一致。

8）使用者对烟雾量的敏感度不同，固定的输出功率并不合适每一个人， EFM8 方案可让使用者可自行设置喷发烟雾量范围。

9）EFM8 方案无需专用充电器，手机充电器或电脑 USB 都可以对电池进行充电。

就芯片本身而言，以 EFM8SB10F8 为样本分析：

1）ADC 精度：EFM8SB10F8 内嵌 10 bit ADC，相比其他电子烟方案中使用 8 bit ADC，在监测唛头气流变化和电压判断上更准确。

2）电压监测：EFM8SB10F8 有内置 LDO，无需外部提供基准电压。

3）MCU 功耗： 使用芯片内部 RTC 时候，睡眠平均电流 《300nA。

4）MCU 封装： QFN 封装。