SM电击器电路原理分析

十月 09, 2019

SM电击器电路原理分析

By hvprvbo

很长一段时间以来，某几款电击器频繁在SM小视频中出镜。对其工作原理好奇，于是开始抄板分析。大部分使用电池或USB口作为电源的电击器电路设计都面临两个问题：

1. 升压问题。普通电池和USB口的电压通常达不到能刺激人体的水平，因此需要用升压电路得到较高的电压，再用于刺激人体。

2. 极性转换问题。电击器的输出电压具有不同种类的波形。极性波（单向电压）作用于人体容易导致肌肉组织损伤，因而需要采用电荷平衡的无极性波来减少甚至避免这种损伤[1]。因此需要电路来定时地改变输出电压的方向。

这些爆款电击器是如何解决上述问题的呢？通过PCB抄板分析，发现它们几乎都采用了boost升压电路与H桥电路组合的方式，部分电路图分别如图 1，图 2和图 3所示。

图1为boost升压电路图。当IO1为高电平时，三极管Q导通，电感L被接地，电流开始通过电感，电感被充电。然后，IO1切换到低电平，三极管关断，由于电感保持电流连续，电感两端产生较高的感应电压，于是二极管D导通，电感通过二极管D给电容C充电，将之前充电过程的能量全部提供给电容。电容经过充电后，电压上升一个增量。反复重复上述充放电过程，电容就会不断被充电，电压VH逐渐升高，从而得到高电压。（某款电击器输出从最低档调到最高档，测得电容两端电压VH从45V升到150V，这个电压还是很高的）

图 1 boost升压电路图

得到高电压VH后不能直接输出刺激人体，还需要通过H桥电路实现极性转换。H桥电路原理图如图 2所示。图中VO1和VO2分别接在人体敏感部位上。VH为高压输入。当三极管Q1和Q4导通，其他两个三极管关断时，高压VH通过Q1，Q4与人体形成回路刺激人体，此时输出为VO1正，VO2负；当三极管Q2和Q3导通，其他两个三极管关断时，高压VH通过Q2，Q3与人体形成回路刺激人体，此时输出为VO1负，VO2正。通过单片机不断控制上述4个三极管的导通关断，就能实现把高压VH有正有负地输出。

图 2 简化的H桥电路图

实际上，两个PNP型三极管Q1和Q2还需要另外两个NPN型三极管驱动，完整的H桥电路图如图 3所示。当IOP为高电平，ION为低电平时，Q4和Q1D导通。Q1D导通后引发Q1导通，从而VO1输出正，VO2输出负；反之亦然。

图 3 完整的H桥电路图

为了验证上述原理正确性，使用逻辑分析仪分析了单片机的IO输出时序，结果如图 4所示。逻辑分析仪Channel0连接boost电路驱动口IO1，Channel1和Channel2分别连接H桥驱动口ION和IOP。从图 4(a)和(b)可以看到，从42ms到162ms的这段时间，Channel0一直在通方波（部分结果太长，图中省去）。此时用示波器分析IO1与电容电压VH的关系，如图 5所示。图 5中黄色的CH1与IO1相连，绿色的CH2与VH相连。从图 5(a)和(b)中可以看到每通一个周期的方波，电容C上电压增加一点。

当电容充满电后，H桥驱动口IOP和ION依次导通，输出正极性和负极性脉冲。从图 4中可以看出，在42ms到162ms的这段时间，电容充满电后，在162ms时刻ION导通，输出负极性脉冲；此时用示波器分析ION与VH的关系如图 6所示。图 6中黄色的CH1连接ION，绿色的CH2连接VH。可以看到，ION高电平后，电容放电，VH呈指数规律下降。然后在223ms到343ms这段时间，又开始电容充电过程，随后在343ms时刻IOP导通，输出正极性脉冲。依次重复上述过程，电击器就交替输出正负极性脉冲，不断刺激敏感部位。