CN100377491C - 直流风扇自启动电路 - Google Patents

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Abstract

一种直流风扇自启动电路，包括依次串接的分压装置、运算放大器，所述分压装置的输入端接收来自芯片的数字控制信号，并输出信号至运算放大器的一输入端，所述直流风扇自启动电路还进一步包括一自启动装置，所述自启动装置的输入端接收来自运算放大器输出端的输出控制信号，并输出控制信号控制直流风扇。本发明直流风扇自启动电路在没有脉冲信号输入时，直流风扇仍然能够保持一个最低转速转动，从根本上解决控制信号脉宽为零或较低时风扇不转的潜在隐患。

Description

直流风扇自启动电路
【技术领域】
本发明涉及一种直流风扇启动电路，特别是涉及一种使风扇启动电流小且运转稳定的直流风扇自启动电路。
【背景技术】
随着计算机技术的不断发展，特别是中央处理器(CPU，Center ProcessorUnit)频率的不断提高，相应地其工作时所产生的热量也不断增多，为了及时将热量充分散发出去，一般会在中央处理器上增加风扇散热装置。但是，如果风扇不能正常运转或停止运转，会使中央处理器产生的热量不能及时散发出去，积累到一定的程度时则会损毁中央处理器。所以风扇能否正常运转关系到计算机系统能否正常工作，而风扇驱动电路则是用于驱动风扇正常稳定运转的，所以风扇驱动电路设计的质量好坏直接影响到风扇乃至计算机系统能否正常稳定工作。
请参考图1，其为业界一般使用的风扇驱动电路。图1中，来自控制芯片的PWM信号直接驱动控制晶体管Q70、Q100，而晶体管Q70、Q100直接驱动直流风扇，在该驱动电路中还采用大容量电解电容C63对供电进行滤波。在该驱动电路启动时，启动瞬间产生很大的启动电流，这会对晶体管Q70、Q100造成很大的冲击，如流过该等晶体管的电流过大则可能会烧毁该等晶体管，使电路失效；此外，该驱动电路虽然采用大容量电解电容C63对供电进行滤波，但仍然存在客观的纹波电压，使风扇不能转动平稳，造成噪声比较大。
所以，如何设计一个在没有脉冲信号输入时，直流风扇仍然能够保持一个最低转速转动的驱动电路已经成为人们研究的课题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种使直流风扇在零输入状态下仍能运转的自启动电路。
为了解决现有技术的上述技术问题，根据本发明的一个方案，提供一种直流风扇自启动电路，包括依次串接的分压装置、运算放大器，所述分压装置的输入端接收来自芯片的数字控制信号，并输出信号至运算放大器的一输入端，所述直流风扇自启动电路还进一步包括一自启动装置，所述自启动装置的输入端接收来自运算放大器输出端的输出控制信号，并输出控制信号控制直流风扇。
本发明与现有技术相比具有以下优点：通过增加一自启动装置，即在晶体管的基极与集电极之间并联一个稳压二极管，即使PWM数字控制信号的占空比为零，也就是没有脉冲信号输入时，直流风扇仍然能够保持一个最低转速转动，从根本上解决控制信号脉宽为零或较低时风扇不转的潜在隐患，从而有效地保护CPU；且在当PWM数字控制信号占空比固定时，风扇工作电流固定，转速也固定，确保风扇工作的稳定性。
【附图说明】
图1是现有技术直流风扇启动电路的电路图。
图2是本发明直流风扇自启动电路的系统框图。
图3是本发明直流风扇自启动电路的第一实施例的电路图。
图4是本发明直流风扇自启动电路在PWM数字控制信号占空比为0.002％时通过晶体管的电流动态图。
图5是本发明直流风扇自启动电路在PWM数字控制信号占空比为0.002％时运算放大器的输出电压动态图。
图6是本发明直流风扇自启动电路的第二实施例的电路图。
【具体实施方式】
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图2，其为本发明直流风扇自启动电路的系统框图。图中，该PWM数字控制信号来源于Super I/O芯片(图未示)，其为固定频率的PWM数字控制信号，一般情况下，PWM数字控制信号的占空比会随所感应的温度变化而变化，温度越高，占空比越大，风扇速度越快。该直流风扇自启动电路100包括依次串联的用于将PWM数字控制信号转换为平滑模拟控制信号的数模转换装置10、分压装置20、防止上电瞬间输入过大电流的缓冲装置30、运算放大器40及由开关装置50与稳压装置70并联连接构成的自启动装置90。其中，该模拟控制信号经分压装置20、缓冲装置30输入至运算放大器40的一输入端，该自启动装置90中的开关装置50连接至该运算放大器40的输出端，通过运算放大器40驱动开关装置50来控制通过直流风扇的电流，其中，该直流风扇自启动电路100还包括一可自动调节通过开关装置50电流的反馈装置60，所述开关装置50的一输出信号经所述反馈装置60输入到所述运算放大器40的另一输入端。
请一并参考图3，其为本发明直流风扇自启动电路的第一实施例的电路图。在图3所示的直流风扇自启动电路100中，数模转换装置10包括一由电阻R1与电容C1串联组成的积分电路，其中，电阻R1的一输入端接收控制芯片的PWM数字控制信号，电容C1的另一端接地；分压装置20由电阻R2与电阻R3串联而成，可根据风扇80的不同规格通过调整电阻R2与电阻R3的阻值来选择合适的分压，其中，电阻R2、R3的串联节点连接至运算放大器40的同向输入端，电阻R2的另一端连接至上述积分电路的电阻R1与电容C1的串联节点，电阻R3的另一端接地。缓冲装置30包括一电容C2，其一端连接至运算放大器40的同向输入端，另一端接地。在自启动装置90中，开关装置50包括一双极型晶体管Q6，晶体管Q6的基极经一电阻R4连接至运算放大器40的输出端，集电极输出驱动直流风扇80，发射极经由一电阻R6接地；稳压装置70包括一稳压二极管D1，该稳压二极管D1与晶体管Q6并联连接，其阳极连接至晶体管Q6的基极，阴极连接至晶体管Q6的集电极。所述反馈装置60包括一反馈电阻R5，该反馈电阻R5在该直流风扇自启动电路100中构成电流并联负反馈，该晶体管Q6的发射极输出信号经该反馈电阻R5输入到运算放大器40的反向输入端。
本发明直流风扇自启动电路100中，其自启动功能是依靠在晶体管Q6的基极和集电极之间并联一个稳压二极管D1来实现的。当来自Super I/O的PWM控制数字信号的占空比为零时，也就是没有脉冲信号输入到运算放大器40，运算放大器40的输出电压为零，此时，稳压二极管D1处于反向偏置，从而在晶体管Q6的基极和集电极产生一个电压差，使晶体管Q6的发射结正偏，集电结反偏，使晶体管Q6工作在放大区，此时，有电流通过晶体管Q6，使晶体管Q6导通从而驱动直流风扇80转动。由于PWM数字控制信号的占空比会随所感应的温度变化而变化，温度越高，占空比越大，所以，随着CPU温度的升高，PWM数字控制信号的占空比从零开始增大，运算放大器40的输出电压也变大，流过晶体管Q6的基极电流增加，因此通过集电极的电流也变大，直流风扇80的转速就会加快。通过本发明的负反馈装置60，可以将风扇电流维持在一个恒定状态。以下将会详细说明本发明由自启动状态向稳定状态的转变过程。
由于每一种直流风扇都有特定的规格，在本实施例中，采用如表1所示规格的直流风扇来说明本发明由自启动状态向稳定状态转变过程。
表1直流风扇工作电压与工作电流以及风扇转速间的对应关系表
  Voltage   Current   Frequency     Resistance     RPM
  3.193   0.014   0     228.1     0
  3.203   0.015   0     213.5     0
  3.306   0.027   0     122.4     0
  3.404   0.079   46.84     43.1     1405
  3.496   0.09   56.46     38.8     1694
  3.596   0.099   61.07     36.3     1832
  3.709   0.105   63.48     35.3     1904
  3.802   0.109   65.84     34.9     1975
  3.909   0.114   68.1     34.3     2043
  4.094   0.121   72.36     33.8     2171
  4.208   0.126   74.63     33.4     2239
  4.312   0.131   76.55     32.9     2297
  4.41   0.134   78.15     32.9     2345
  4.508   0.138   80.59     32.7     2418
  4.613   0.142   83.17     32.5     2495
  4.716   0.147   84.63     32.1     2539
  4.801   0.149   86.63     32.2     2599
  4.912   0.155   88.75     31.7     2663
  5.108   0.163   93.11     31.3     2793
  5.201   0.166   94.88     31.3     2846
  5.313   0.171   96.56     31.1     2897
  5.412   0.175   98.35     30.9     2951
  Voltage   Current   Frequency   Resistance   RPM
  5.509   0.18   100.6   30.6   3018
  5.6   0.183   102.3   30.6   3069
  5.7   0.187   103.1   30.5   3093
  5.83   0.194   105.5   30.1   3165
  5.93   0.197   107.4   30.1   3222
  6.02   0.202   108.4   29.8   3252
  6.11   O.205   109.7   29.8   3291
  6.23   0.211   112.5   29.5   3375
  6.32   0.215   113.7   29.4   3411
  6.52   0.224   117.2   29.1   3516
  6.61   0.227   118.4   29.1   3552
  6.7   0.232   119.6   28.9   3588
  6.81   0.237   121.3   28.7   3639
  6.92   0.244   123.2   28.4   3696
  7   0.246   124.8   28.5   3744
  7.12   0.253   127.3   28.1   3819
  7.22   0.257   127.7   28.1   3831
  7.31   0.261   128.5   28.0   3855
  7.4   0.264   130.3   28.0   3909
  7.51   0.271   131.4   27.7   3942
  7.59   0.275   132.8   27.6   3984
  7.72   0.279   135.1   27.7   4053
  7.79   0.282   135.3   27.6   4059
  7.91   0.288   137.5   27.5   4125
  8.07   0.296   139.5   27.3   4185
  8.12   0.297   140   27.3   4200
  8.24   0.303   142.4   27.2   4272
  8.3   0.307   142.7   27.0   4281
  8.4   0.309   144.8   27.2   4344
  8.52   0.316   145.1   27.0   4353
  8.61   0.319   147.1   27.0   4413
  8.72   0.324   149.7   26.9   4491
  8.84   0.33   150.2   26.8   4506
  8.94   0.332   151.5   26.9   4545
  9.06   0.341   152.5   26.6   4575
  Voltage   Current   Frequency   Resistance   RPM
  9.13   0.339   153.5   26.9   4605
  9.23   0.344   156.2   26.8   4686
  9.29   0.346   157.3   26.8   4719
  9.41   0.35   157.4   26.9   4722
  9.5   0.353   159.5   26.9   4785
  9.63   0.362   160.4   26.6   4812
  9.71   0.364   161.8   26.7   4854
  9.81   0.366   162.1   26.8   4863
  9.9   0.37   164.1   26.8   4923
  10.1   0.376   166.3   26.9   4989
  10.21   0.381   168.1   26.8   5043
  10.3   0.387   168.4   26.6   5052
  10.39   0.389   170.3   26.7   5109
  10.49   0.392   170.9   26.8   5127
  10.59   0.396   172.1   26.7   5163
  10.72   0.404   172.4   26.5   5172
  10.82   0.409   173.8   26.5   5214
  10.9   0.409   174.8   26.7   5244
  10.99   0.413   177.1   26.6   5313
  11.12   0.419   177.3   26.5   5319
  11.18   0.424   178.4   26.4   5352
  11.3   0.425   179.1   26.6   5373
  11.4   0.428   179.7   26.6   5391
  11.49   0.432   181.2   26.6   5436
  11.62   0.435   181.7   26.7   5451
  1.72   0.44   182.1   3.9   5463
  11.83   0.44   184.8   26.9   5544
  12.01   0.451   187.1   26.6   5613
  12.12   0.457   188.5   26.5   5655
  12.19   0.458   186.3   26.6   5589
  12.32   0.459   189.2   26.8   5676
  12.42   0.467   189.1   26.6   5673
  12.47   0.469   189.4   26.6   5682
  12.57   0.473   190.1   26.6   5703
当来自于Super I/O的PWM数字控制信号施加于本发明直流风扇自启动电路时，根据占空比D的数值，测量相应的直流风扇80工作电流并根据表1就可以得出在该占空比下直流风扇80的相应转速关系。
请一并参考图4与图5。该等图是来自于Super I/O的周期为43μs，占空比为D为0.002％，脉冲幅度为5.25V的PWM数字控制信号施加于本发明直流风扇自启动电路时通过晶体管Q6的电流与运算放大器40的输出电压动态图。由图中可知，当占空比D为0.002％，即相当于没有输入脉冲时，运算放大器40的输出电压为0，但此时晶体管Q6的集电极有电流流过，电流为108.23mA，亦即在运算放大器40没有电压输出的情况下，通过稳压二极管D1的调节作用下，晶体管Q6导通，驱动直流风扇80转动，这时经查表1可知直流风扇80的转速为1950RPM。所以在PWM数字控制信号的占空比D很低接近为0时，直流风扇80可以实现自启动。亦即直流风扇80在PWM数字控制信号的占空比为零时也能保持一个最低转速，从根本上解决控制信号脉宽较低时风扇不转的潜在隐患，有效保护CPU。
随着CPU温度的升高，PWM数字控制信号的占空比从零开始增大，当占空比D达到4％时，运算放大器40的输出电压仍为0，晶体管Q6仍导通，其集电极电流为108.23mA，直流风扇80同样转动，此时经查表1可知此时直流风扇80的转速为1950RPM。所以，在占空比D为4％时，直流风扇80仍然处于自启动状态。
当占空比D达到7％时，运算放大器40输出为高电平，电压为1.44V，开始为晶体管Q6的基极提供驱动电流，此时稳压二极管D1截止，晶体管Q6集电极电流为126.9mA，经查表1可知此时直流风扇80的转速为2239RPM，满足最低转速2000RPM之要求。结果，在占空比D为7％时，直流风扇80失去自启动功能。电路开始由自启动状态逐步向稳态转变。
当占空比D为10％时，运算放大器40输出电压为2V，晶体管Q6基极电流持续增大，此时稳压二极管D1截止，晶体管Q6集电极电流达到180.9mA，经查表1可知此时直流风扇80的转速为3093RPM。结果，在占空比D为10％时，直流风扇80失去自启动功能。
当占空比D达到95％时，运算放大器40输出电压为10.5V，晶体管Q6基极电流增大，此时稳压二极管D1截止，晶体管Q6集电极电流达到420mA，经查表1可知此时直流风扇8O的转速为5319RPM。结果，在占空比D为95％时，直流风扇80失去自启动功能。
因此，PWM数字控制信号的占空比D由10％--100％变化时，直流风扇80的转速紧密跟随PWM数字控制信号的脉冲宽度变化而变化。并且，随着占空比D的增大，运算放大器40的输出电压逐渐增大，晶体管Q6的基极电流开始增大，相应地使运算放大器40的反向输入端的电压升高，导致使运算放大器40的同向输入端的电压降低，使运算放大器40的输出电压降低，结果通过晶体管Q6基极的电流也随之减小，晶体管Q6的集电极的电流也随之减小，亦即流经直流风扇80的电流减少。经过一段时间后，电路达到稳态，PWM数字控制信号占空比固定，即脉冲宽度固定，运算放大器40的输出电压和直流风扇的电流保持恒定，从而直流风扇80运转稳定。
请参考图6，其为本发明直流风扇自启动电路的第二实施例，其与第一实施例的不同点在于自启动装置90’中，开关装置50’包括MOS晶体管Q8，其它部分结构与第一实施例的结构相同。另外，该第二实施例直流风扇自启动电路200的工作原理与第一实施例的直流风扇自启动电路100工作原理相同，在此不再叙述。

Claims (10)

1.一种直流风扇自启动电路，包括依次串接的分压装置、运算放大器，其特征在于：所述分压装置的输入端接收来自芯片的数字控制信号，并输出信号至运算放大器的一输入端，所述直流风扇自启动电路还进一步包括一自启动装置，所述自启动装置的输入端接收来自运算放大器输出端的输出控制信号，并输出控制信号控制直流风扇。
2.如权利要求1所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述自启动装置包括一开关装置及与之并联的稳压装置。
3.如权利要求2所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述开关装置包括一晶体管，所述稳压装置包括一稳压二极管，所述稳压二极管并联在所述晶体管的基极与集电极之间，阳极连接在晶体管的基极，阴极连接在集电极，所述晶体管集电极输出控制信号至所述直流风扇后连接至直流电源，发射极接地。
4.如权利要求3所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述直流风扇自启动电路还进一步包括一可自动调节通过晶体管电流的反馈装置，所述反馈装置包括反馈电阻，所述晶体管的发射极输出信号经反馈电阻输入到运算放大器的另一输入端。
5.如权利要求1所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述直流风扇自启动电路还进一步包括一防止上电瞬间电源输入过大电流的缓冲装置，所述缓冲装置设于分压装置与运算放大器之间。
6.如权利要求5所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述缓冲装置包括一电容，其一端连接至所述运算放大器的一输入端，另一端接地。
7.如权利要求3或4所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述晶体管是双极型晶体管或MOS晶体管。
8.如权利要求1所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述分压装置由一第一电阻与一第二电阻串联而成，其串联节点连接至运算放大器的一输入端，所述第一电阻连接至一第三电阻与一电容的串联节点，所述第二电阻的另一端接地。
9.一种直流风扇自启动电路，其特征在于：包括依次电性连接的一分压装置，一运算放大器，一用于控制直流风扇启动的开关装置，及一稳压二极管，其中所述分压装置接收来自芯片的数字控制信号，并输出信号至所述运算放大器的一输入端，所述运算放大器的输出端输出一控制信号至所述开关装置的一输入端，所述开关装置的输出端经直流风扇后连接至直流电源，所述稳压二极管连接于所述开关装置的输入端和输出端之间来实现风扇的自启动。
10.如权利要求9所述的直流风扇自启动电路，其特征在于：所述开关装置包括一晶体管，所述稳压二极管连接在所述晶体管的基极与集电极之间，阳极连接在晶体管的基极，阴极连接在集电极，所述晶体管集电极输出控制信号至所述直流风扇后连接至直流电源，发射极接地。
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