电子烟的应用
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人气：发表时间：2024-04-30 22:10
TP199A1 是一款Zero-drift的电流采样放大器，共模输入电压范围-0.3V到36V。固定增益：50V/V。
电子烟是一个大功率的手持设备,需要准确的电流反馈,控制雾化器的输出功率和检测雾化器的电阻是否匹配.确保雾化器没有短路或者断路,电子烟正常工作。
电子烟的雾化器驱动电路，TP199单芯片完成高侧电流信号的放大。可见TP199A1非常适合电子烟的应用。
TP199A1在电子烟系统中原理图介绍
由于电子烟的雾化器属于纯电阻负载，所以Rsense上流过的电流是单向的。所以我们把TP199A1配置成单向模式把REF引脚接地。
TP199A1单向配置的输出响应如图3所示，REF引脚接地，输出电压被偏置到0V。输出电压只能响应正向的差分输入电压。工作原理（被测雾化器电阻3Ohm）
1、MCU控制Buck-boost_Vout=6V电压。
2、流过雾化器上的电流I=6/3.002 =1.998A
3、采样电路上获得的分压为Vrsense=1.998*0.002=0.003997V
4、通过TP199放大50倍以后，TP199_Vout=Vrsense*50=0.1999V
5、MCU处理雾化器通过的电流 I=TP199_Vout/50/0.002
6、MCU 处理雾化器的电阻为:
R=(Buck-boost_Vout-Vrsense)/I=(6-0.003997)/1.998=3Ohm
到了这里，电子烟识别雾化器参数已经完成。
系统噪声指标
雾化器参数识别的范围需要0.2~3Ohm,分辨率需要0.01Ohm，输出跳动正负0.01Ohm。
那么问题来了。系统的噪声性能能不能满足应用需求呢?
首先，噪声要达到什么指标才能满足系统的需要：
当被测雾化器电阻为3Ohm时，负载变化0.01Ohm，TP199A1输出电压变化：
Rload1=3Ohm，
TP199_Vout1=6/3.002*0.002*50= 0.199866755V
Rload2=3.01Ohm,TP199_Vout2=6/3.012*0.002*50= 0.199203187V
雾化器电阻变化0.01Ohm,TP199A1输出仅仅变化：dVout=0.66mV
所以输出跳动需要小于正负0.01Ohm，系统噪声峰峰值小于<1.32mV !!!
测试STM32 ADC量化噪声
STM32F031内置12位ADC，参考电压3.3V。评估方法如下。
1、校准ADC Offset：DC source输出100mV DC
2、STM32 运行Test程序，把ADC转换结果输出到Host PC。
ADC Output Noise：
ADC转换1000次,测试结果如下：
STM32ADC量化噪声峰峰值Vpp_Noise=11.219mV.
TP199A1 CMRR@200Khz
接下来评估TP199A1的输出噪声,由于TP199A1自身的噪声远小于1mV,我们需要评估TP199A1对Buckboost输出噪声的抑制。
Buck-boost输出噪声200mVpk-pk@200Khz
TP199A1的CMRR@200Khz,RTI =57dB,RTO=23dB，VCM/VOUT= 14.125
在Buck-boost输出噪声的作用下，TP199A1输出200mV/14.125 =14.16mVpk-pk@200Khz
TP199A1输出滤波RC
为了降低Buck-boost输出噪声对系统的影响，可以考虑在TP199A1的输出增加一个RC电路。
建议值可以是R=2kOhm，C=1nF。Xc@200khz=0.796Ohm。VIN/VOUT@200Khz=3.86。输入ADC的噪声14.16/2.74=3.67mVpp @200khz.
总噪声峰峰值
总噪声峰峰值=ADC_量化噪声峰峰值 ADC_输入纹波峰峰值
=11.219mV 3.67mV=14.889mV
数字滤波器（Average）
n为需要的平均次数
取100次平均以后:
平均以后的总噪声峰峰值=14.889/sqrt(100)= 1.4889mV
结果显示
电阻的跳动=平均以后的总噪声峰峰值/最小分辨率ADC输出变化*最小分辨率=1.4889/0.66*0.01=0.0226
雾化器电阻显示结果最大值=3.0113进行四舍五入显示3.01Ohm
雾化器电阻显示结果最小值=2.9887进行四舍五入显示2.99Ohm
总结
系统的总噪声来自于ADC_量化噪声和ADC_输入纹波，需要外部电路加强对Buck-boost纹波的抑制。并且需要数字滤波对系统总噪声的抑制。
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