芯海4款信号链MCU助力电子烟行业发展技术创新

1月8日，由艾邦智库主办的第六届电子烟暨低温本草产业高峰论坛在深圳沙井维纳斯皇家酒店举行，业界专家朋友共聚一堂，共同探讨电子烟与低温本草行业未来发展之路及新材料、新技术、新工艺、安全检测、防伪、标准等热门问题。在峰会上，芯海科技资深产品经理王伟受邀出席并做题为《信号链MCU重构电子烟用户体验》的演讲，王伟对电子烟行业发展呈上升趋势保持乐观态度，分享了电子烟产品技术发展中遇到的问题及芯海的技术尝试、解决方案，并对AIoT未来会给电子烟带来的影响进行设想，他表示物联网最重要的是分布式感知能力，未来家里所有的传感器都可以为任何终端服务。

2020年对电子烟行业来说是不平常的一年，在2019年底参加研讨会、聚会时，大家普遍比较悲观，交流是的关键词是“报团取暖”。经过2020年上半年的低谷，下半年各大电子烟企业都交出了不错的答卷，公布的业绩看起来都非常漂亮，芯海科技2020的业绩数据也表现不错，电子烟市场复苏得非常快。

从电子烟十几年的发展之路来看，总体比较曲折，未来的电子烟市场是否将持续保持增长还是未知数，但从电子烟的用户数来看，无论电子烟还是IQOS用户都在保持高速增长，王伟判断电子烟已经成为刚需，并对电子烟行业发展保持非常乐观的态度。

电子烟行业是受政策影响非常明显的行业，根据FDA最新报告，2020年美国中学生电子烟使用率大幅下降，说明监管起到了一定的效果。未来国内政策是否有波动还不确定，但可以预见的是，防止青少年使用电子烟仍是监管的重中之重，用技术手段解决监管问题，也是从业者努力的目标。

电子烟近期越来越回归它的烟草本质，是烟草产品，其次，电子烟是自带消费电子属性的。用户最关注的是电子烟的口感、质量以及体验，从MCU产品角度分析，影响电子烟口感和用户体验的因素有雾化功率（如何保证雾化功率的精度和一致性 ）、雾化温度（如何精准的测量和控制雾化温度）、瞬态性能（尤其在大功率电子烟上瞬态性能将对口感产生较大影响）。AIoT在2020年趋势非常明显，芯海也在思考物联网时代将会对整个电子烟产品带来什么变化及影响。

芯海科技成立于2003年9月，创业之初最先做的产品是ADC，所以对MCU精度要求特别高，芯海做了评估的模型来测算误差，通过分析可以看到影响电子烟功率控制的关键指标是ADC的INL和内部基准精度及温漂。在看MCU指标时，会有基准的精度以及基准的温漂，精度可以通过各种方法进行补偿，温漂是比较难补偿的，现在很多厂商对精度有较高要求，功率要求在1%左右，如果MCU的基本温漂达不到，就很难达到这样的功率要求。

CSU32M10是一款目前芯海比较畅销的经典产品，这款MCU除了本身精度高以外，集成了60ppm的低温漂电压基准，实现电子烟精准的功率控制，并具有极高的性价比，已经在多家主流电子烟品牌客户大批量出货。

关于是否需测温，行业内还存在分歧，王伟认为测温对电子烟非常重要，电子烟积液里的丙三醇和丙二醇，在高温下（400℃以上），会产生裂解反应，生成8种挥发性羰基化合物，其中就包括甲醛。电子烟的出厂实验里，甲醛含量是非常关键的点，所以电子烟（特别是烟油的电子烟）需要将工作温度控制在300度以内，在单烧或者其它场景下控制甲醛产生就需要用到温度控制技术。

最常用的技术是利用雾化器的温度特性，雾化器有一个TCR 指标，通过数学模型计算，我们发现温度测量的精度主要与TCR系数和ADC精度有关。假定TCR=1000ppm，RREF = 2.2Ω，R25=1Ω，12位ADC：1LSB 对应温度误差 ΔT= 1.3℃；4LSB精度可以达到5.2℃的理论精度，不需要额外增加器件就可以满足常规电子烟的温度测量控制需求。

CSU38F20是新一代的电子烟MCU，支持1.8~5.5V宽电压并升级了资源，以实现更加复杂的控制和运算，并适应更多的电池类型。CSU38F20最核心的是采用新一代的ADC架构，除了传统的测量方式外，支持小信号的差分测量和负压测量，以实现电量计、地端电流采样等功能，已广泛应用于多种应用场景。
2021年是加热不燃烧的元年，加热不燃烧对温度要求更高，让我们一起拭目待。加热不燃烧常规的行业要求是温度测量误差正负5度，也有更高的要求是正负1度，所以大家在设计的时候会加一个运放，ADC需要12倍的精度才能控制达到1度左右的温度精度。运放成本较高，且会产生外围器件，所以我们尝试不用运放，发挥芯海ADC的特性进行改善，用14位的ADC进行采样，可以达到2.5~3度的精度控制，用更高精度的ADC就可以把运放省掉。

CS32F036是一颗高可靠信号链MCU，已经在电子烟、车机上批量使用，它的主要特色是ADC精度高并集成低温漂基准，有效精度超过11bit，符合加热不燃烧1℃的温度控制要求。另外一个特点就是高可靠性，举一个例子，有车机客户反馈按喇叭时会对ADC造成强烈冲击，产生负压，导致MCU的整个ADC模块失效，但芯海的产品经受住了考验，完全不受影响，非常适合加热不燃烧这样对测量精度和可靠性要求都比较高的产品。

目前电子烟（特别是40W左右的大烟）的加热的方式主要有两种，一种是升降压，通过dcdc输出恒定电压，效果比较好，但成本高；另一种方式是PWM斩波 ，最明显的优势是外围简单，最大的问题是炸油，如何解决炸油问题呢？电子烟斩波的频率是几十赫兹，在功率小的时候影响不明显，但随着功率加大，在加热后期温升快，从而产生炸油现象。业内也做了一些尝试和实验，把斩波的频率提升，提高到几k甚至几十k赫兹的频率，让整个加热功率的稳定性和一致性提升。但带来一个问题，电子烟雾化器是带感性的负载，实际波型会产生畸变，无法用传统的方案测量，譬如用199来测的话，采样带宽大概在300K，无法满足要求。

利用ΣΔADC 的积分特特性，可以解决电子烟平均功率测量的问题。CSE7561是芯海科技的一颗同步采样ΣΔADC，内部有3个ADC模块，采样率可达800K，可以同步测量电流、电压、温度等指标，并覆盖更高的带宽范围，实现精准的控制，实现更好的口感效果；同时CSE7561内部还集成了算法逻辑，实现了功率计算、过载保护等功能，降低MCU的负担。

王伟表示自己之前对物联网会给消费电子带来什么影响没有很明确的概念，直到2020年华为鸿蒙发布后，感觉眼前一亮，脑海开始浮现物联网落地的场景，最重要的是分布式的能力，体现在分布式的人机交互、算力、安全处理、感知能力。

现在电子烟的大烟上有一个小屏，因为屏太小，不管加不加触摸都很难用，通过鸿蒙的应用场景进行设想，手机跟电子烟一接触，可以即刻通过手机对电子烟进行交互控制，再进一步设想家里的电视、平板电脑、任何屏幕、任何输入终端都可以对电子烟进行交互控制，将整个设备的控制和交互完全分离。

手机的算力、智能处理能力越来越强，现在的电子烟也已经不满足于简单的8位MCU，很多用M0M4，对算法的处理越来越多，可以预见到，未来电子烟会根据用户的习惯进行不同的算法处理，如果完全依靠电子烟本身的算力，将产生较高成本，如果能利用家里电视、手机等分布式的算力，将取得很好的效果。

为了防止青少年吸烟，在电子烟的监管里，有一种方式是电子烟要通过蓝牙连接到手机，通过安全控制才能使用，未来我们能否将安全控制做成分布式的，通过手机、手表、手环或任何设备的算力都可以进行安全控制，去实现系统的安全监管。

目前电子烟的所有测量都是根据电子烟设备内部温度、压力进行，未来是否可以根据环境的某些特性，比如空气温度、湿度等对电子烟进行调整，王伟表示这是在物联网最重要的分布式感知能力，家里所有的传感器都可以为任何终端服务。

2019年芯海跟传感器伙伴合作在加热不燃烧产品上实现了压力按键。2020年芯海推出了全新的信号链MCU系列——CSA32F7X，这个系列最大的特点是集成14~16位的ADC和高性能模拟前端，无需复杂的外围器件，即可支持高精度功率控制、温度控制、触控按键、气压检测、电容检测等多种功能。

技术创新是电子烟行业发展的重要驱动力，芯海科技作为全信号链IC领军企业，提供高集成度的芯片用于解决电子烟产品对高密度集成、功率电路应用、安全性、可靠性等需求，为设计者提供不同功能、不同成本的解决方案，和悦刻、麦克韦尔、柚子、唯它、合元、吉瑞、思拓微等品牌客户建立了深度合作并得到认可。未来，芯海将结合在信号链领域的积累，发挥测量、控制、功耗上的优势，在细分市场整合推出更有竞争力的产品！