如何选用低成本MOS管搭建开关电路

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。

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

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。

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。

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