电子烟及其控制装置的制作方法

1.本发明涉及一种电子烟，尤其涉及一种电子烟的控制装置。


背景技术：

2.电子烟是一种被配置为便于用户模拟吸烟的电子装置。典型的电子烟包括：主壳体，其具有将空气入口和空气出口互连的空气通道；香味源，其与空气通道流体连通；烟嘴，其被提供以便于人与装置交互并且其与空气出口流体连通；以及电子电路系统的集合，其用于在检测到激活信号时激活香味源，使得将有香味的流体输送到空气通道中。为了促进自动致动以产生有香味的流体，电子烟可以包括抽吸传感器(puff sensor)和抽吸感测电路系统，以检测与致动抽吸相对应的抽吸是否已经出现在烟嘴处。有香味的流体通常为气溶胶的形式，但在不丧失一般性的情况下也可以是其它流体形式。
3.电子烟可以是笔的形状，并且可以具有与笔相当的尺寸，但是可以是其它形式(例如，以吸烟管的形式)或其它尺寸。电子烟通常包括加热元件，该加热元件在操作期间加热通常被称为电子烟源的香味源，以生成气溶胶流，这样的操作在本文中被称为抽吸操作。在抽吸操作过程中生成的气溶胶是烟雾的形式，通常但不精确地被称为雾汽。加热元件通常被称为雾化器，因为在抽吸操作期间气溶胶的生成似乎涉及雾化过程。
4.电子烟源通常包括有香味的液体，有香味的液体在抽吸操作期间被转换成有香味的且通常可见的烟雾。示例电子烟源通常包括加热元件、和将电子烟液体吸到加热元件以促进烟雾生成的芯子。用于抽吸操作的有香味的液体是电子烟液体，电子烟液体通常被称为电子烟油(e-liquid)、烟油(e-juice)等，并且通常包括基础液体加上调味料、尼古丁和/或其它添加剂。基础液体可以含有高达95％的乙二醇和/或甘油。电子烟液体具有特征沸点，并且希望加热器元件在不高于或显著高于沸点的最大温度下操作。
5.电子烟源是消耗品，并且需要不时地补充，因为其含量在每次抽吸操作之后减少。为了便于方便和迅速的替换，电子烟源可以以封装形式提供，例如，以盒或胶囊的形式。封装电子烟源通常被称为雾化烟弹(cartomizer)，其代表盒形式的雾化器。
6.希望具有设计成减轻电子烟源的过热操作的雾化器和/或控制电路系统。由于封装电子烟源被设计成一次性使用，因此非常希望在封装电子烟源中仅包括最少量的电子器件以使浪费最小化。
7.然而，目前没有关于电子烟源的可接受的工业标准，更不用说关于电子烟源的加热元件的标准。来自不同品牌或来源的替代电子烟源具有加热元件，所述加热元件由不同材料制成并且具有不同的电特性，诸如不同的电阻和不同的电阻温度系数。
8.设计温度监测方案是一个技术挑战，该方案满足以下要求：封装电子烟源应当具有最少的封装上电子器件，以及电阻和电阻的温度系数是可变的。


技术实现要素：

9.公开了一种电子烟的控制装置和控制电子烟的操作的方法。
10.电子烟包括具有内置加热元件的封装香味源，加热元件包括加热电阻器(r2)。控制装置包括电子电路系统，所述电子电路系统被配置为控制所述电阻加热元件的操作。
11.所述电子电路系统被配置为，并且所述方法包括所述电子电路系统操作以：
12.从第一电源电路经由第一路径(131)和第一端子(141)向所述加热元件供应致动功率；
13.当所述第一路径与所述第一电源电路电隔离时，将具有参考电压(v
ref
)的参考信号经由所述第一端子(141)和第二路径(133)传输到所述加热元件，并在所述第一端子(141)处接收具有响应电压(v
out1
)的响应信号，其中，所述响应电压是一分数，所述分数等于所述响应电压(v
out1
)与所述参考电压(v
ref
)的比率(r
ratio
)；以及
14.参考所述比率来确定所述电阻加热元件是否处于阈值操作温度。
15.公开了一种用于控制电子烟设备的操作的控制装置、包括控制装置的电子烟设备、和被配置为与控制装置协作的电子烟源。电子烟源可被配置为与控制装置可拆卸地连接。
16.电子烟源具有优选的操作温度，其被称为目标温度。控制装置被配置为在目标温度或低于目标温度下控制电子烟源的操作，目标温度可以是保持在电子烟源内部的电子烟液体的沸点。
17.控制装置被配置为在环境温度下操作，并且包括控制电子烟源的激活的控制电路系统、获得电子烟源的温度相关参数的测量电路系统、以及用于数据存储的存储器电路系统；
18.控制装置被配置为确定环境温度，获得环境温度下的参数作为初始参数，设置和存储用于停止电子烟源的激活的目标参数，并且当已经达到目标参数时停止电子烟源的激活。
19.目标参数与初始参数和为电子烟源的操作设定的目标温度相关。
20.公开了一种控制电子烟设备的操作的方法。电子烟设备包括控制装置和电子烟源，该控制装置被配置为在环境温度下操作，电子烟源可拆卸地连接到控制装置并且被配置为在目标温度或目标温度以下操作。
21.该方法包括控制装置：
22.将初始查询信号发送到电子烟源，然后激活电子烟源，并从电子烟源接收初始响应信号；
23.基于初始信号大小、环境温度和目标温度，来设置目标参数；
24.在电子烟源已进入激活之后，将后续询问信号发送到电子烟源，并从电子烟源接收后续响应信号；
25.参考响应电信号和目标参数，来确定电子烟源是否已经达到目标温度；以及
26.如果电子烟源已达到目标温度，则不激活电子烟源。
27.控制装置被配置为在前一个激活周期结束之后发送后续询问信号，并确定在下一个激活周期开始之前是停止激活还是启动激活。
附图说明
28.参考附图描述本公开，其中，
of logic circuits)。外围电路可以包括抽吸传感器、多个模数转换器(adc)以及包括有源或无源部件的其它外围部件。控制器和外围电路可以安装在印刷电路板上以形成电子模块，但是电子电路系统的部件可以在适当的情况下安装在单独的板上。在该示例中，控制器是具有多个接触端子的集成封装器件，但是控制器可以包括多个分立部件。
41.电子模块140包括具有电路接地的主印刷电路板(pcb)、安装在pcb上的集成电路u1和多个分立部件。封装集成电路可以是包括控制器和外围电路的专用集成电路(asic)，外围电路包括例如稳压器和adc。
42.参考图2，示例集成电路u1包括连接到电源连接器的节点in、连接到电源的节点vdd、连接到电路接地的节点gnd、连接到传感器输出端子的节点cap、连接到电子模块140的第一端子141的节点out1、通过电阻器r1连接到节点out1的节点out2、连接到电子模块140的第三端子145的节点rset、以及连接到发光二极管(led)的端子的节点led。ic u1的两个节点用相同的数字out1标记，以表示两个节点并联连接以便于提供额定电流。额定电流是以安培为单位的大电流，将额定电流从电源供应到香味源以促进根据用户的需要由电子烟源生成烟雾。
43.电源连接器被配置为用于与外部电源进行可拆卸的电连接，使得电源可以被再充电。示例电源连接器是包括四个引脚的usb连接器，其中1号引脚连接到in节点，并且4号引脚连接到电路接地，即，4号引脚接地。如图2所示，用于稳定电源连接器处的输入功率的稳定电容器c1连接在in节点和电路接地之间，锂电池和稳定电容器c2连接在节点vdd和电路接地之间，电容器传感器c3连接在传感器节点cap和电路接地之间，电阻器r1将节点out1和out2互连，并且发光二极管(led)连接在节点led和电路接地之间以向用户提供可见指示。
44.电子模块140包括通过电流路径131电连接到节点out1的第一端子141、作为连接到电路接地的接地端子的第二端子143、以及作为可选端子的第三端子145。第一端子141、第二端子143和可选的第三端子145是被构造为与香味源120上的相应的界面端子建立电连接的界面端子。作为第一电路径的电流路径131具有非常低的阻抗，使得第一端子141和节点out1处于相同的电势。第一端子141和节点out2通过电阻器r1互连，这形成了第二电路径133。可选的第三端子145通过非常低阻抗的电路径连接到节点rset。
45.电阻器r1被设计为在电子模块上的参考电阻器，并且电阻器r2是电子烟源的组成部分(integral part)。当电子烟源适当地安装在主壳体上时，电阻器r1和电阻器r2串联电连接且协作以形成电阻器桥。电阻器r1是电阻器桥的上游电阻器，上游电阻器具有连接到节点out2的上游端子和连接到第一端子141的下游端子。电阻器r2是电阻器桥的下游电阻器，下游电阻器具有连接到第一端子121的上游端子、和连接到第一端子121且经由第二端子143连接到电路接地的下游端子。
46.当电子烟源从主壳体分离时，香味源120上的界面端子121、123、125和电子模块140上的相应界面端子141、143、145不再电接触，并且电阻器r1和电阻器r2不再协作形成电阻器桥。术语“电接触”在这里是指没有接触电阻或没有明显接触电阻的接触。
47.控制器被配置为监测抽吸传感器c3的信号输出，并且确定是否已经发生有效抽吸。为了便于信号检测，抽吸传感器的输出节点例如通过adc连接到控制器的输入节点，使得抽吸传感器的模拟输出信号可以由控制器处理。在其它实施例中，抽吸传感器可以是具有数字数据输出的数字传感器，使得抽吸传感器的数据输出可以直接由控制器处理。
48.电子电路系统包括被配置为供电以操作加热器的第一电源电路和被配置为向测量电路提供测量信号的第二电源电路。
49.参考图3，第一电源电路包括第一开关q1，其将节点out1连接到第一电源。第一电源是被设置为第一电压v
dd
的电压源。第一开关q1在第一状态(接通状态)和第二状态(断开状态)之间操作。当第一开关q1在接通状态(非常低阻抗的状态)时，节点out1通过非常低阻抗的电流路径电连接到第一电源，并且处于第一电压v
dd
。
50.当第一开关q1在接通状态时，节点out1和第一端子141处于第一电压v
dd
，并且在加热电阻器r2两端出现电势差v
dd
。因此，足以致动加热元件生成电子烟烟雾的额定电流将流过加热电阻器r2。具体地，额定电流从第一电源流到加热电阻器r2，然后经由节点out1、第一端子141、第一端子121、第二端子123和第二端子143回到电子模块140的电路接地。当第一开关q1在接通状态时，节点out1是电力输出节点。当第一开关q1在其断开状态(高阻抗的状态)时，在第一电源和节点out1之间存在非常高的阻抗，因此，节点out1和第一端子141与第一电源电隔离。控制器被配置为经由控制总线g1在电源模式下的接通状态和在非电源模式下的断开状态之间操作第一开关q1。在控制器在非电源模式下时，节点out1是浮动节点。
51.第二电源电路包括第二开关q2，其将节点out2连接到第二电源。第二电源是被设置为第二电压v
ref
的电压源。第二开关q2在第一状态(接通状态)和第二状态(断开状态)之间操作。当第二开关q2在接通状态(非常低阻抗的状态)时，节点out2通过非常低阻抗的电流路径电连接到第二电源，并且处于第二电压v
ref
。
52.当第二开关q2在接通状态时，节点out2处于第二电压v
ref
，并且在包括串联连接的电阻器r1和电阻器r2的电阻器桥两端将出现电压降v
ref
。当第二开关q2在断开状态(高阻抗的状态)时，在第二电源和节点out2之间存在非常高的阻抗，因此，节点out2与第二电源电隔离。控制器被配置为经由第二控制总线g2在测量模式下的接通状态、和在非测量模式下的断开状态之间操作第二开关q2。在控制器在非测量模式下时，电阻器变为浮动电阻器，浮动电阻器的上游端子是浮动端子。
53.电阻器r1是具有已知或选择的电特性的参考电阻器，所述电特性包括在参考温度下的已知电阻值或在多个参考温度下的多个已知电阻值，以及已知的电阻温度系数。
54.控制器被配置为使得当第一开关q1处于接通状态时，第二开关q2处于断开状态。控制器还被配置为使得当第二开关q2处于接通状态时，第一开关q1处于断开状态。控制器可以被配置为使得第一开关q1和第二开关q2都处于断开状态。
55.当控制器在测量模式操作使得第二开关q2处于接通状态且第一开关q1处于断开状态时，节点out2处于参考电压v
ref
，并且节点out1处于电压v
out1
，电压v
out1
是v
ref
的分数。即，v
out1
＝r
ratio
×vref
，其中，分数r
ratio
是一比率，比率等于r2/(r1 r2)，其中，r2是电阻器r2的电阻值，r1是电阻器r1的电阻值。
56.电阻值r2与电阻值r1和比率通过以下表达式相关：r2＝(r1r
ratio
)/(1-r
ratio
)。
57.电子电路系统包括测量电路，测量电路被配置为测量v
out1
。由于参考电压v
ref
是已知的或预设的，控制器能够使用以下表达式获得比率的值：r
ratio
＝v
out1
/v
ref
。
58.示例测量电路包括adc，如图3所示。控制器被配置为当第一开关q1处于断开状态时，获取节点out1处的电压读数v
out1
。
59.在电子烟的操作期间，在检测到有效抽吸时，控制器将进入电源模式并且接通第
一开关，以将致动电流提供至香味源120。在处于电源模式时，控制器将以选定间隔接通第一开关q1，以将额定电流提供至香味源120的加热电阻器r2。在处于该电源模式时，电压大小均为v
dd
的电压脉冲串将出现在节点out1处。节点out1处的电压大小为v
dd
的电压脉冲被称为“on(接通)”脉冲，如图5a所示。
60.控制器可以被配置为通过发送pwm脉冲串来致动加热元件。pwm脉冲串具有特征pwm周期，并且包括作为v
dd
处的激活脉冲的接通脉冲、和作为非激活脉冲的断开脉冲。
61.控制器被配置为在第一开关q1处于断开状态时，即，在相邻的on脉冲之间的时间间隙时，发送测量信号并接收响应信号，以获得香味源120的加热器元件的温度信息。当第一开关q1处于断开状态时，节点out1与第一电源隔离。
62.控制器被配置为在通过接通第二开关q2而使第一开关q1处于断开状态时，将测量信号发送至加热器元件。在第二开关q2被接通并处于接通状态时，节点out2处将出现第二电压v
ref
，如图5b所示。节点out2处的第二电压v
ref
具有节点out1处的对应的测量电压v
ref
×rratio
，如图5a所示。对应的测量电压v
ref
×rratio
是测量信号v
ref
的响应信号，并且每个测量信号被配置为探测脉冲，该探测脉冲具有探测电压v
ref
和比接通脉冲的持续时间短的持续时间。
63.接通脉冲是加热器致动脉冲，被设置为第一电压v
dd
，使得香味源可以与检测合理抽吸(有效抽吸)时生成的烟雾迅速反应。通常，第一电压v
dd
下的接通脉冲的持续时间比测量脉冲的持续时间长的多。测量脉冲具有节点out2处的电压v
ref
，并且电压v
ref
的大小明显小于v
dd
的大小。
64.示例探测脉冲被设置为v
ref
＝1.8v，其探测持续时间为pwm周期持续时间的1/256。致动脉冲可以被设置为v
dd
在3.2v和4.2v之间，并且其脉冲持续时间为pwm周期持续时间的1/256和255/256之间。探测脉冲具有第一持续时间，并且致动电压具有比第一持续时间长的第二持续时间。第二持续时间可以是第一持续时间的1至255倍，并且例如，可以是100倍以上，例如，100至255倍。通常，探测脉冲的脉冲持续时间小于致动脉冲的持续时间的10％、8％、6％、4％或2％，并且探测脉冲的电压比致动电压小得多，这会促进很好的测量加热元件，而不会显著影响加热元件的温度。探测电压v
ref
可以被设置在致动电压v
dd
的10％和50％之间。致动电压可以在3v至12v的范围，并且在示例实施例中，在3v至5v之间。
65.电阻器的电阻随温度变化。更具体地，电阻器在高温t下的电阻由下式给出r
t
＝r
t_base
(1 α(t-t
base
))，其中，r
t
是在高温t下的电阻值，r
t_base
是电阻器在基础温度下的电阻，t
base
是基础温度，并且α是基础温度下的电阻温度系数。
66.电子烟源的加热元件通常是由金属制成的电阻器。通常用作电子烟源的加热元件的金属的示例温度系数在下面的表1中列出。
67.表1
[0068][0069][0070]
可以从下式中获得加热元件的电阻器r2的瞬时温度t：
[0071]r2@t
＝r
2@tbase
(1 α(t-t
base
))
[0072]r1@tambient
＝r
1@tbase1
(1 β(t
ambient-t
base1
))；以及
[0073]r2@t
＝(r
1@tambientrratio
)/(1-r
ratio
)
[0074]
其中，r
2@t
是电阻器r2在瞬时温度t下的电阻值，
[0075]r2@tbase
是电阻器r2在基础温度t
base
下的电阻值，
[0076]
α是r2在基础温度t
base
下的电阻温度系数，
[0077]
β是r1在基础温度t
base1
下的电阻温度系数，
[0078]
t
ambient
是电子模块的环境温度，
[0079]r1@tambient
是参考电阻器r1在环境温度t
ambient
下的电阻值，以及
[0080]rratio
＝r
2@t
/(r
1@tambient
r
2@
t)
[0081]
在上式中，基础温度t
base
和t
base1
可以相同或不同。上式中出现的参考电阻器r1的电阻值是在环境温度t
ambient
下的电阻值，因为参考电阻器r1通过设计与加热元件r2热隔绝，并且参考电阻器r1的温度等于电子模块的环境温度t
ambient
，t
ambient
还被用作主外壳的环境温度。环境温度可以由温度传感器测量。温度传感器可以是带隙装置，例如，包括p-n结的二极管或半导体器件，p-n结具有随温度线性增加的正向电压降。
[0082]
参考图4，硅集成电路中的p-n结的正向电压具有如图所示的正向电压(y轴)和温度特性。通过测量正向电压降，可以相当精确地确定集成电路的温度。
[0083]
由于参考电阻器r1在基础温度t
base1
下的电阻值通过设计是已知的，因此，通过控制器使用温度传感器测量环境温度t
ambient
，电阻温度系数β是已知的，参考电阻器r1在环境温度t
ambient
下的电阻值将容易被控制器(例如，通过控制器的算术单元)计算出。
[0084]
一旦r
1@tambient
是已知的，电阻器r2在瞬时温度t下的电阻值r
2@t
且因此瞬时温度t可由控制器(例如，通过控制器的算术单元)确定。
[0085]
例如，通过在确定加热元件的瞬时温度t高于预定温度(该预定温度处于或高于阈值温度)时，调节pwm脉冲宽度，控制器可以被配置为停止或临时停止将致动电流发送到加热元件或将电流供应降低到额定电流以下。
[0086]
在示例实施例中，控制器被配置为在致动或接通脉冲之前立即进行测量，并且控
制器可被配置为如果测量结果指示加热器元件过热，则不接通第一开关q1或缩短接通脉冲的持续时间。
[0087]
另一方面，控制器可以被配置为使得如果加热元件的瞬时温度t低于目标操作温度，则控制器可以增加接通脉冲的持续时间。
[0088]
电子电路系统包括硬连线电路布置，其被配置为直接测量r
ratio
的值，以简化加热元件的瞬时温度t的处理和确定，如图3所示。一旦r
ratio
的值是已知的，则可以容易确定加热元件的瞬时温度t。
[0089]
参考图3，adc具有模拟输入端ain，其被配置为通过将adc的电源节点ref连接到节点out2，使得adc可以确定的最大电压为v
ref
，来测量在0v和v
ref
之间的模拟电压。通过将模拟输入端ain连接到节点out1以及将其电源节点连接到节点out1，adc输出的数据的值将等于r
ratio
。这种布置极大的简化了处理，因为adc的单个读数将容易提供比率r
ratio
。
[0090]
在示例实施例中，对将从adc的输出端q《11:0》输出的输入电压的数字值相对于参考电压而进行数字编码。例如，输出数据可以被线性编码，使得输出数据具有的值表示输入端ain处的输入电压与参考电压v
ref
的比。例如，在adc具有1024个数字输出水平时，256、512和768的输出值分别表示输入电压处于参考电压值的25％、50％和75％，并且比率r
ratio
的值分别为25％、50％和75％。替代地，adc可以被非线性的编码，并且可以参考解码表(如，解码数据库)来确定该比率。
[0091]
例如，由ss316l制成的示例加热元件的温度系数为933ppm/℃，且示例加热元件确定的电阻为1欧姆20摄氏度。当环境温度已知时，例如，通过测量p-n结正向电压降，可以通过控制模块容易地计算出在目标温度下，加热元件的电阻，以及v
fb
(即，v
out1
)和/或r
ratio
。例如，如果选择1欧姆的控制电阻器，则当加热元件达到200摄氏度的示例目标温度时，加热元件的电阻将为1.168欧姆且r
ratio
为的r
ratio
可以被设置为阈值，以不将加热元件接通到激活模式，直到加热元件的温度降到目标温度以下。
[0092]
在示例实施例中，在环境温度下已经执行了校准之后，可以设置多个温度下的加热元件的电阻值和/或r
artio
。
[0093]
例如，在30摄氏度的示例环境温度下测量的0.5的示例r
ratio
可以用来列出在不同温度下的加热元件的电阻值和r
ratio
，如下表2所示。
[0094]
表2
[0095]
控制电阻(ω)1.00030℃时的加热器电阻(ω)1.00020℃时的加热器电阻(ω)0.991200℃时的加热器电阻(ω)1.157200℃时的阶梯比率(r
ratio
)(ω/ω)0.536
[0096]
在环境温度下的校准已经完成之后，控制模块将在激活模式操作期间测量加热器元件的温度信息。如果确定温度处于或接近目标温度，则控制模块可以被配置为通过减少激活脉冲的接通持续时间来作出反应，以将加热元件维持在可接受的操作温度范围。
[0097]
在安装了新的电子烟源的情况下，环境温度校准过程将促进决策参数的自动复位和更新。例如，在已经安装了新的电子烟源并且电子烟设备开始在35摄氏度的环境温度下
的操作之后，测量到0.667的r
ratio
。比率r
ratio
可以用来计算或设置决策参数，如下表3所示。
[0098]
表3
[0099][0100][0101]
电子烟源可以具有优选的工作温度，工作温度可以被设定为目标温度。例如，取决于电子烟液体的成分，电子烟源可以具有优选的目标温度。
[0102]
如下表4所示，示例电子烟液体具有不同的沸点，并且将加热元件保持在对应于沸点温度的目标温度下操作将是有利的。
[0103]
表4
[0104]
电子烟油的香味蒸发温度橙子200℃苹果200℃薄荷160℃原始220℃
[0105]
为了提供具有识别的电子烟源，电子烟源可以包括识别装置。示例识别装置可以是电阻器，例如预设电阻器r3。预设电阻器可以具有不同的电阻值以便于识别。例如，1kω的电阻值可以表示160℃的沸点，2kω的电阻值可以表示180℃的沸点，3kω的电阻值可以表示200℃的沸点，并且4kω的电阻值可以表示240℃的沸点。当然，在不失一般性的情况下，可以选择预设电阻器的电阻值和沸点具有其它对应关系。
[0106]
为了促进对安装在电子烟设备上的电子烟源的标识的确定，控制模块被配置为识别识别装置并且设置和存储目标温度。
[0107]
在示例实施例中，识别装置可以被配置为提供关于目标温度、材料和/或材料的电阻率温度系数的编码信息，以供控制模块使用。
[0108]
在示例实施例中，识别装置可以由机械装置配置。例如，盒式容器和盒可具有匹配的机械装置，以向控制器提供与香味源的电特性相关的信息。
[0109]
尽管已经参考本文所述的实施例和示例做出了本公开，但是应当理解，实施例和示例是非限制性的，并且不应当被解释为限制本公开的范围。