如何选用低成本MOS管搭建开关电路

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在上一章中,我们介绍了基于RJGT101D6的两触点加密烟弹方案的基本原理,本章将详细介绍具体实施方案。包括如何选用低成本的MOS管搭建开关电路,烟杆主控MCU是如何与烟弹加密芯片RJGT101D6进行双向数据交互的。

我们知道二极管、晶体管和MOS管都是电子电路中的基本开关器件,但它们在应用中有一些区别。首先二极管和三极管是电流控制元件,而MOS管是电压控制元件,同样条件下MOS管的功耗更低。其次,MOS管导通时导通压降小接近于0V,三级管和二极管的最低导通压降要大于0.3V。由此可见选用MOS管做电子烟的开关电路更加合适。

从电路原型中可以看出,烟杆供电方向的切换电路实际上是一个整流全桥电路。我们用MOS管搭建了一个整流全桥电路,为了减少MCU控制端口的数量,我们用P-MOS管做上桥臂,用N-MOS管做下桥臂,这也有利于简化驱动电路,可以分别用RJM8L003的P03和P04端口直接驱动这2个桥臂。如图1所示。

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图1 MOS管搭建的两线加密烟弹电路

因为RJGT101D6的RSD脚既是电源输入脚又是数据通信脚,当它作为数据通信脚时需要外部上拉电阻才能输出高电平,所以我们在2个上桥臂上增加1个公用的2.2KΩ上拉电阻后到电源VCC。发热丝工作时需要1A以上的电流,不能用有上拉电阻的H桥来驱动,因为上拉电阻会限制输出电流,需要另外设计2个上桥臂,也就是图中的MOS5和MOS6。当发热丝需要工作当时,MOS5或者MOS6导通,电池电流直接驱动发热丝,最后通过下桥臂MOS2或者MOS4流入到GND。

上一章中提到,我们将烟弹内部的发热丝和加密芯片RJGT101D6采用串联连接。因为只有RJGT101D6是由极性的,我们考虑设计一个单向旁路电路与RJGT101D6并联,实现RJGT101D6正向工作反向旁路的效果。经过验证我们选用了P-MOS管设计单向旁路电路,当然也可以用N-MOS管。但不能用二极管,因为二极管的正向导通压降大于0.3V,相当于给RJGT101D6提供了负0.3V的工作电压,这会导致其损坏。事实上很多逻辑芯片的工作电压都不能小于负0.3V。发热丝和RJGT101D6不能并联也是出于过高的负电压会损坏RJGT101D6考虑的,因为发热丝的瞬时压降会到达3V以上。

开关电路搭建好了,下一步是考虑如何设计驱动电路。电子烟内部通常采用3.6V的单节锂电池供电,MCU的GPIO输出电压最大3.6V,能否用3.6V直接驱动开关取决于我们选用的MOS管开关参数,只要VGS(th)阈值电压低于3V的都可以。还要关注MOS管的导通内阻RDS(ON),因为RDS(ON)越低其导通压降也越低,但成本也越高。作为发热丝工作通路的MOS管要选用RDS(ON)低于100mΩ的,而作为RJGT101D6工作通路的MOS管就可以适当放宽一点。试验中我们选用的N-MOS为Si2302,P-MOS为CJ3401A,其性能指标如表1所示,并且这2个通用型号有很多品牌厂家在生产,价格低廉容易采购。

表1 MOS管选型表

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MOS管开关电路搭建好了之后,主控MCU是如何向烟弹的RJGT101D6发送高低电平信号的,我们还是从烟弹正插时的情况分析,如图2所示。P00始终保持为输入端口,P01、P02、P04设置为输出高电平1,此时MOS3断开MOS4闭合,MOS5和MOS6都断开,MCU通过P03向RJGT101D6发送数据,当P03输出低电平0,MOS1闭合MOS2断开,即可向RJGT101D6发送1个高电平位。当P03输出高电平1,MOS1断开MOS2闭合,即可向RJGT101D6发送1个低电平位。烟弹反插时,MCU是通过P04向RJGT101D6发送数据,具体分析就不再赘述。

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图2 主控MCU发送数据的原理

主控MCU是通过P00端口读取RJGT101D6的返回数据,如图3所示。烟弹正插时,P00设置为输入端口,P01、P02、P04设置为输出高电平1,P03设置为输出低电平0,此时MOS3断开MOS4闭合,MOS5和MOS6都断开,MOS1闭合MOS2断开。此时RSD引脚输出的高低电平可通过MOS1输入到P00脚的。而烟弹反插时,RSD引脚输出的高低电平是通过MOS3输入到P00脚的。

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图3 主控MCU读取数据的原理

这就是基于瑞纳捷半导体的RJGT101D6加密芯片设计的两线加密烟弹方案,方案在不改变传统烟弹外观的情况下,做到了简单、低成本、易于实施的设计目标,可适用于传统电子烟的改造升级,也可用于医疗耗材、办公耗材的加密防伪。

  审核编辑:彭菁
 

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