原标题：电子烟的工作原理及通用电子烟硬件电路设计方案分析

　　电子烟介绍

　　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，沒有气流流过体内部時控制芯片进入到待机状态。

　　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

　　图：市面常见的唛头开关式电子烟

　　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。

　　相关元件供应

　　型号：EFM8SB10F8G-A-QFN20R         品牌：SILICON LABS

　　型号：EFM8SB10F8G-A-QFN24R        品牌：SILICON LABS

　　型号：EFM8SB10F8G-A-CSP16R          品牌：SILICON LABS

　　型号：EFM8SB10F8G-A-QFN24           品牌：SILICON LABS

　　型号：EFM8SB10F8G-A-QFN20           品牌：SILICON LABS

　　型号：EFM8SB10F8G-A-QSOP24         品牌：SILICON LABS

【EFM8SB1】

EFM8 Sleepy Bee Family EFM8SB1 Data Sheet

The EFM8SB1, part of the Sleepy Bee family of MCUs, is the world’s most energy friendly 8-bit microcontrollers with a comprehensive feature set in small packages.

These devices offer lowest power consumption by combining innovative low energy techniques and short wakeup times from energy saving modes into small packages, making them well-suited for any battery operated applications. With an efficient 8051 core, 14 high-quality capacitive sense channels, and precision analog, the EFM8SB1 family is also optimal for embedded applications.

EFM8SB1 applications include the following:

• Touch pads / key pads

• Wearables

• Instrumentation panels

• Battery-operated consumer electronics

ENERGY FRIENDLY FEATURES

• Lowest MCU sleep current with supplybrownout (50 nA)

• Lowest MCU active current (150 μA / MHzat 24.5 MHz)

• Lowest MCU wake on touch averagecurrent (< 1 μA)

• Lowest sleep current using internal RTCand supply brownout (< 300 nA)

• Ultra-fast wake up for digital and analogperipherals (< 2 μs)

• Integrated LDO to maintain ultra-lowactive current at all voltages

Feature List

The EFM8SB1 highlighted features are listed below.

• Core:

• Pipelined CIP-51 Core

• Fully compatible with standard 8051 instruction set

• 70% of instructions execute in 1-2 clock cycles

• 25 MHz maximum operating frequency

• Memory:

• Up to 8 kB flash memory, in-system re-programmable from firmware.

• Up to 512 bytes RAM (including 256 bytes standard 8051 RAM and 256 bytes on-chip XRAM)

• Power:

• Internal LDO regulator for CPU core voltage

• Power-on reset circuit and brownout detectors

• I/O: Up to 17 total multifunction I/O pins:

• Flexible peripheral crossbar for peripheral routing

• 5 mA source, 12.5 mA sink allows direct drive of LEDs

• Clock Sources:

• Internal 20 MHz low power oscillator with ±10% accuracy

• Internal 24.5 MHz precision oscillator with ±2% accuracy

• Internal 16.4 kHz low-frequency oscillator or RTC 32 kHz crystal (RTC crystal not available on CSP16 packages)

• External crystal, RC, C, and CMOS clock options

• Timers/Counters and PWM:

• 32-bit Real Time Clock (RTC)

• 3-channel Programmable Counter Array (PCA) supporting PWM, capture/compare, and frequency output modes with watchdog timer function

• 4 x 16-bit general-purpose timers

• Communications and Digital Peripherals:

• UART

• SPI™ Master / Slave

• SMBus™ / I2C™ Master / Slave

• 16-bit CRC unit, supporting automatic CRC of flash at 256-byte boundaries

• Analog:

• Capacitive Sense (CS0)

• Programmable current reference (IREF0)

• 12-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC0)

• 1 x Low-current analog comparator

• On-Chip, Non-Intrusive Debugging

• Full memory and register inspection

• Four hardware breakpoints, single-stepping

• Pre-loaded UART bootloader

• Temperature range -40 to 85 ºC

• Single power supply 1.8 to 3.6 V

• QSOP24, QFN24, QFN20, and CSP16 packages

       With on-chip power-on reset, voltage supply monitor, watchdog timer, and clock oscillator, the EFM8SB1 devices are truly standalone system-on-a-chip solutions. The flash memory is reprogrammable in-circuit, providing non-volatile data storage and allowing field upgrades of the firmware. The on-chip debugging interface (C2) allows non-intrusive (uses no on-chip resources), full speed, in-circuit debugging using the production MCU installed in the final application. This debug logic supports inspection and modification of memory and registers, setting breakpoints, single stepping, and run and halt commands. All analog and digital peripherals are fully functional while debugging. Each device is specified for 1.8 to 3.6 V operation. Devices are AEC-Q100 qualified (Grade 3) and are available in 16- pin CSP, 20-pin QFN, 24-pin QFN, or 24-pin QSOP packages. All package options are lead-free and RoHS compliant. Note: CSP devices can be handled and soldered using industry standard surface mount assembly techniques. However, because CSP devices are essentially a piece of silicon and are not encapsulated in plastic, they are susceptible to mechanical damage and may be sensitive to light. When CSP packages must be used in an environment exposed to light, it may be necessary to cover the top and sides with an opaque material.

     【微控制单元】

　　微控制单元(Microcontroller Unit;MCU) ，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

　　按用途分类：

　　通用型：将可开发的资源(ROM、RAM、I/O、 EPROM)等全部提供给用户。

　　专用型：其硬件及指令是按照某种特定用途而设计，例如录音机机芯控制器、打印机控制器、电机控制器等。

　　按其基本操作处理的数据位数分类：

　　根据总线或数据暂存器的宽度，单片机又分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。4位MCU大部份应用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;8位MCU大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(CallerID)、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等;8位、16位单片机主要用于一般的控制领域，一般不使用操作系统， 16位MCU大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;32位MCU大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机; 32位用于网络操作、多媒体处理等复杂处理的场合，一般要使用嵌入式操作系统。64位MCU大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高级终端机等。

　　8位MCU工作频率在16~50MHz之间，强调简单效能、低成本应用，在目前MCU市场总值仍有一定地位，而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计，以因应绿色时代的产品开发需求。

　　16位MCU，则以16位运算、16/24位寻址能力及频率在24~100MHz为主流规格，部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下，夹在中间的16bit MCU市场不断被挤压，成为出货比例中最低的产品。

　　32位MCU可说是MCU市场主流，单颗报价在1.5~4美元之间，工作频率大多在100~350MHz之间，执行效能更佳，应用类型也相当多元。但32位MCU会因为操作数与内存长度的增加，相同功能的程序代码长度较8/16bit MCU增加30~40%，这导致内嵌OTP/FlashROM内存容量不能太小，而芯片对外脚位数量暴增，进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

　　内嵌程序存储器类型

　　下面以51单片机为例(MCS-51系列MCU是我国使用最多的单片机)，根据其内部存储器的类型不同可以分为以下几个基本型：

　　1.无ROM型 ：8031

　　2.ROM型：8051

　　3.EPROM型：8751

　　4.EEPROM 型：8951

　　5.增强型：8032/8052/8752/8952/C8051F

　　MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用(典型芯片为8031)。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型(典型芯片为87C51)、MASK片内掩模ROM型(典型芯片为8051)、片内FLASH型(典型芯片为89C51)等类型，一些公司还推出带有片内一次性可编程ROM(One Time Programming, OTP)的芯片(典型芯片为97C51)。MASKROM的MCU价格便宜，但程序在出厂时已经固化，适合程序固定不变的应用场合;FLASH ROM的MCU程序可以反复擦写，灵活性很强，但价格较高，适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途;OTPROM的MCU价格介于前两者之间，同时又拥有一次性可编程能力，适合既要求一定灵活性，又要求低成本的应用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。

　　由于MCU强调是最大密集度与最小芯片面积，以有限的程序代码达成控制功能，因此当今MCU多半使用内建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash内存来储存韧体码，MCU内建Flash内存容量从低阶4~64KB到最高阶512KB~2MB不等。

　　存储器结构

　　MCU根据其存储器结构可分为哈佛(Harvard)结构和冯▪诺依曼(Von Neumann)结构。现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：一个中央处理器核心，程序存储器(只读存储器或者闪存)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口，所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

　　指令结构

　　MCU根据指令结构又可分为CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)和RISC(Reduced Instruction Set Comuter,精简指令集计算机微控制器)