CN100495279C - 用于温度控制的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于温度控制的装置和方法。一种温度控制装置(100-400)适用于具有不同热特性的设备如消费电子设备。根据本发明一个实施例，所述温度控制装置(100-400)包括具备励磁绕组(F3)的风扇(10)，以及向所述励磁绕组(F3)提供速度控制信号的速度控制器(12)，所述速度控制器(12)响应于第一控制信号对所述风扇(10)旋转速度进行控制。所述风扇(10)的第一及第二端子(1，2)向所述励磁绕组(F3)和所述速度控制器(12)供电。所述第一及第二端子(1，2)中的至少一个与第一电压源相连。所述风扇(10)的第三端子(3)向所述速度控制器(12)提供所述第一控制信号，并且可操作地连接至第二电压源。所述温度控制装置(100-400)进一步包括温度测量电路(30)，用于测量温度并且提供指示所述被测量温度的温度指示信号，处理器(40)，响应于所述温度指示信号以提供第二控制信号，控制电路(60)，响应于所述第二控制信号向所述风扇(10)的所述第三端子(3)提供所述第一控制信号。

Description

用于温度控制的装置和方法

相关申请交叉引用

本申请主张于2003年12月30日提交到美国专利商标局的申请号为60/533,140的美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及温度控制，更具体的涉及节约成本的温度控制装置，该装置包括变速扇，该变速扇适合用于具有不同的热特性的的设备如消费电子设备之中，本发明还涉及采用该设备进行温度控制的方法。

背景技术

为了防止过热引起的损害，消费电子的设备通常需要温度控制机制，例如风扇。目前，这些设备采用了多种不同类型的风扇用于温度控制。其中一种风扇可以通过电热调节器进行控制。在某些应用中，采用由电热调节器控制的风扇进行温度控制是一种节约成本的选择，但是这样做的缺点在于风扇速度与温度的关系被所述电热调节器所固定。因此，对于某些应用来说，采用由电热调节器控制的风扇可能并不合适。例如，对于在最终设备中所述风扇的朝向可能变化(例如依型号不同情况不同)，并因此需要对风扇速度和温度之间的关系进行调节从而满足不同的热特性的应用来说，采用由电热调节器控制的风扇可能就不合适，

另一种风扇能够通过脉冲宽度调制(PWM)进行控制。简言之，由PWM控制的风扇利用一系列开关脉冲的相对脉冲宽度来控制加载到所述风扇发动机上的功率，从而控制其旋转的速度。目前可以利用的由PWM控制的风扇相对比较昂贵，这是因为这些风扇会采用由该风扇工作功率驱动的昂贵的大电流晶体管以接收控制所述风扇旋转速度的脉冲。因此，目前可以利用的由PWM控制的风扇对于某些应用来说可能太过昂贵，特别是对于那些将成本作为重要考虑因素的应用。

因此，需要一种节约成本的温度控制装置，该装置包括能够避免前述缺陷的变速扇并且适用于具有不同热特性的设备如消费电子设备。本发明对上述和/或其他问题进行了阐述。

发明内容

根据本发明的一个方面公开了一种温度控制装置。根据本发明一个实施例，所述温度控制装置包括具备励磁绕组的风扇，以及速度控制器，响应于第一控制信号以向所述励磁绕组提供速度控制信号，从而对所述风扇的旋转速度进行控制。所述风扇的第一和第二端子用于向所述励磁绕组以及所述速度控制器供电。所述第一和第二端子中的至少一个可操作的连接至第一电压源。第三端子，用于向所述速度控制器提供所述第一控制信号。所述第三端子可操作的连接至第二电压源。所述温度控制装置进一步包括温度测量部件，用于测量温度并且提供指示所述被测量温度的温度指示信号，处理部件，响应于所述温度指示信号以提供第二控制信号，以及控制部件，响应于所述第二控制信号以向所述风扇的所述第三端子提供所述第一控制信号，所述控制部件包括脉冲发生器响应于所述第二控制信号以产生脉冲，其特征在于所述控制部件进一步包括第一开关部件响应于所述脉冲开启或者关闭，所述控制部件从所述第二电压源引出电流以提供所述第一控制信号，当所述第一开关部件关闭时，从所述第二电压源引出预设电流以控制所述旋转速度达到相应于最小速度的预设速度，当所述第一开关部件开启时，从所述第二电压源引出与所述预设电流不同的电流以控制所述旋转速度达到比所述最小速度高的速度。

根据本发明另一方面公开了一种温度控制方法。根据本发明一个实施例，所述方法包括以下步骤：提供具备励磁绕组的风扇，速度控制器，响应于第一控制信号以向所述励磁绕组提供速度控制信号从而控制所述风扇旋转速度，第一和第二端子，向所述励磁绕组以及所述速度控制器供电，以及第三端子，向所述速度控制器提供所述第一控制信号。所述第一和第二端子中的至少一个可操作的连接至第一电压源，并且所述第三端子可操作的连接至第二电压源。所述方法进一步包括下述步骤：测量温度并且提供指示所述被测量温度的温度指示信号，响应于所述温度指示信号以提供第二控制信号，响应于所述第二控制信号以产生脉冲，以及响应于所述第二控制信号以向所述第三端子提供所述第一控制信号，响应于所述脉冲以开启或者关闭开关部件；当所述开关部件关闭时，从所述第二电压流引出预设电流以提供所述第一控制信号控制所述旋转速度达到相应于最小速度的预设速度；以及当所述开关部件开启时，从所述第二电压源引出与所述预设电流不同的电流，以提供所述第一控制信号控制所述旋转速度达到比所述最小速度高的速度。

附图说明

参考以下对本发明实施例的描述及附图，可以更好的理解本发明的技术方案，相应的优势也会更加清晰，其中：

图1所示为根据本发明一个实施例的温度控制装置图；

图2所示为根据本发明另一实施例的温度控制装置图；

图3所示为根据本发明又一实施例的温度控制装置图；

图4所示为根据本发明再一实施例的温度控制装置图；以及

图5所示为根据本发明一个实施例的温度控制步骤流程图。

在这些附图中，相同的附图说明代表相同或者类似的组件。在此所示的范例对本发明的优选实施例进行了阐释，并且这些范例对本发明的保护范围没有任何限制作用。

具体实施方式

图1所示为根据本发明一个实施例的温度控制装置100。如图1所示，温度控制装置100包括风扇10，散热卡(POD)20，温度测量部件例如温度测量电路30，处理部件例如处理器40，存储部件例如电擦除可编程只读存储器(EEPROM)50，以及控制部件例如控制电路60。温度控制装置100的一些如前所述的组件可以采用集成电路(IC)来实现，且一些组件可以包含在例如一个或多个IC内。为清楚起见，某些与温度控制装置100相关的传统组件，例如某些控制信号，电源信号和/或其他组件，在图1中没有示出。根据本发明的一个实施例，温度控制装置100可以包含在执行温度控制功能的设备如消费电子设备中。

风扇10用于实现前述的温度控制功能。根据本发明的一个实施例，风扇10包括转子R，励磁绕组F1到F4，电压-电流转换器12，电阻Rf，以及三个输入端子1到3。转子R的转动响应于与转子R中的固磁铁方向相反的由励磁绕组F1到F4所施加的电场。电压-电流转换器12基于从风扇10的端子3接收到的第一控制信号对风扇10的旋转速度进行控制。如图1所示，电压-电流转换器12响应于通过端子3接收到的所述第一控制信号以向励磁绕组F3提供速度控制信号，从而对风扇10的旋转速度进行控制。电阻Rf可操作地连接在风扇10的端子3和6V的电压源之间。尽管还可以采用其他取值，根据本发明的一个实施例，电阻Rf的值为5KΩ。

端子1和2向风扇10的组件供电，包括励磁绕组F1到F4以及电压-电流转换器12。如图1所示，端子1和2通过12V的电压源向所述风扇10提供工作功率，这是风扇10的主要电源供给。根据本发明一个实施例，风扇10的端子1和2中至少一个可操作的连接至所述12V电压源。如前所述，风扇10的端子3向电压-电流转换器12提供所述第一控制信号，从而对所述风扇10的旋转速度进行控制，并且该端子可操作的连接到前述的6V电压源。根据本发明一个实施例，风扇10可以采用Delta公司的型号为AFB0812L-SX00的风扇或者其他类似的产品。

POD卡20用于产生并分散热量。根据本发明一个实施例，POD卡是“智能卡”或者类似的组件。温度测量电路30用于测量POD卡20周围的环境温度。在后面将会介绍，指示由温度测量电路30所测得温度的温度指示信号被周期性的读入处理器40。根据本发明一个实施例，温度测量电路30可以是National Semiconductor公司的型号为LM77的IC或者类似的组件。

处理器40用于执行各种处理功能。根据本发明一个实施例，处理器40用于周期性读取指示由温度测量电路30所测得温度的温度指示信号，例如每分钟读取一次或者每隔预定的时间段读取一次。根据本发明另一实施例，如本领域中已知的，处理器40通过内部集成电路(IIC)总线可操作的连接到温度测量电路30。

处理器40对所述温度指示信号所指示的温度与预先设定的阈值温度进行比较。如果所述被测量温度高于所述预先设定的阈值温度，处理器40利用储存在EEPROM 50中的数字化数据(例如温度-电压表)向控制电路60提供第二控制信号。根据本发明一个实施例，所述第二信号指示了一个地址，该地址对应于在风扇10的端子3提供的所述第一控制信号的特定PWM占空因数。在后面将要记载的本发明其他实施例中，处理器40还可以提供用于开关风扇10的第三控制信号。

EEPROM 50用于储存数字化数据，该数字化数据包括由处理器40取回并且用于实现本发明所述温度控制的功能。根据本发明一个实施例，EEPROM 50通过IIC总线可操作的连接到处理器40。

控制电路60响应于所述第二控制信号从而向风扇10的端子3可操作地提供所述第一控制信号。如图1所示，控制电路60包括现场可编程门阵列(FPGA)62，二极管D1，以及电阻R1。FPGA 62包括一个5比特的PWM单元64，5比特寄存器66，以及晶体管Q1。

根据本发明一个实施例，由所述处理器40提供的所述第二控制信号指示了5比特寄存器66的一个地址，在该地址储存的数据指示了向风扇10的端子3提供的所述第一控制信号的特定PWM占空因数。响应于所述第二控制信号，5比特寄存器66向5比特PWM单元64提供指示了所述第一控制信号特定PWM占空因数的数据，该5比特PWM单元64继而根据所述特定PWM占空因数输出脉冲。根据本发明一个实施例，从5比特PWM单元64输出的脉冲范围从0到3.3V，并且对晶体管Q1导通的占空因数进行控制。晶体管Q1可以是漏极开路的N沟道金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，或者其他类型的开关部件。当晶体管Q1导通的时候，漏源电流流经晶体管Q1并且电阻R1被接地。尽管也可以采用其他取值，根据本发明一个实施例，电阻R1的值为10KΩ。

通过对电阻R1接地时间的控制，风扇10的端子3上的所述第一控制信号的平均电流可能产生变化。为了对风扇10的旋转速度进行控制，在晶体管Q1栅极，5比特PWM单元64的占空因数可以从31比32级(即5比特)的最大占空因数调整到大约16比32级(即50％的占空因数)。由于最大占空因数导致晶体管Q1在接近100％的时间里处于导通状态，电阻R1在该状态下几乎持续的被接地。在这种情况下，将5比特PWM单元64的占空因数从50％变化到100％将会使风扇10的旋转速度从最小变化为最大。采用5比特数据来控制占空因数仅仅是一个示例，也可以采用其他的比特数来进行控制。

根据本发明一个实施例，需要对所述最小PWM值进行控制从而防止在FPGA62上的晶体管Q1的漏极出现超过3.9V额定的峰值电压。在开路的时候风扇10的端子3的电压会达到6V。为了防止出现过电压问题，在晶体管Q1的漏极与FPGA 62的3.3V的电压供给之间连接肖特基二极管D1。在这种情况下，二极管D1将晶体管Q1漏极的峰值电压限制在FPGA 62的电压供给3.3V以上0.4V的范围内。

图2所示为根据本发明另一实施例的温度控制装置200的框图。图2中的温度控制装置200与图1中的温度控制装置100基本相同，除了图2中的温度控制装置200进一步包括电阻R2而不包括二极管D1。电阻R2允许建立一个最小电流，该最小电流限制晶体管Q1漏极的最大电压。电阻R1继而仅对额外的电流进行控制，该额外的电流使风扇10的旋转速度从最小调整到最大。尽管可以采用其他取值，根据本发明一个实施例，电阻R1和R2都是5.1KΩ。采用图2所示的温度控制装置200，在风扇10的端子3的电压范围从2.9V到1.9V。风扇10的电压-电流转换器12利用该电压变化将风扇10的旋转速度从最小800RPM改变到最大2000RPM。除了消除在晶体管Q1的漏极可能发生的电压问题，图2中的温度控制装置200还可以消除对所述PWM范围加以限制的需求，这是因为整个范围都是可用的。也就是说，电阻R1和R2使风扇10的端子3内的电流被线性的控制在从0％到100％的占空因数范围内。为了使图1和图2中各自所示的温度控制装置100和200的噪音最小化，比较理想的是将所述PWM周期保持在20kHz以上。

图3所示为根据本发明又一实施例的温度控制装置300的框图。图3中的温度控制装置300基本上与图2所示的温度控制装置200相同，除了图3中所示的温度控制装置300进一步包括与电阻R2并联的电容C1。根据本发明一个实施例，与电阻R2并联的电容C1被用于对流经电阻R1的平均电流进行积分，从而消除风扇10端子3随时间变化的输入信号。增加电容C1的一个根本优势在于消除对于5比特PWM单元64的频率依赖。特别是，5比特PWM单元64可以在低至几千赫兹的频率下工作而不产生任何可听见的噪音。尽管也可以采用其他取值，根据本发明一个实施例，电容C1的值为10μF。

图4所示为根据本发明再一实施例的温度控制装置400。图4所示的温度控制装置400基本上与图3所示的温度控制装置300相同，除了图4所示的温度控制装置400进一步包括晶体管Q2，电阻Rb，以及二极管D1。根据一个实施例，晶体管Q2是NPN型晶体管，但也可以是任何形式的开关部件。在图4中加入晶体管Q2可以使风扇10响应于由处理器40发出的控制信号而被有选择的开启和停止，其中所述由处理器40发出控制信号被施加到晶体管Q2的基极。如图4所示，晶体管Q2的集电极可操作的连接到风扇10的端子2，且晶体管Q2的发射极可操作的连接到地电平。尽管也可以采用其他取值，根据本发明一个实施例，电阻Rb的值为10KΩ。

为了更好的理解本发明，在此提供一个范例。图5所示为根据本发明一个实施例的温度控制步骤流程图500。为了举例说明，对图5中步骤的描述将会结合图4中的温度控制装置400进行。图5中的步骤仅仅是示例，并且在任何方面都不是对本发明的限制。

在步骤505，风扇10停止。根据本发明一个实施例，处理器40向晶体管Q2的基极提供一个逻辑低信号，从而使风扇10在步骤505停止。在步骤510，进行温度读取。根据本发明一个实施例，处理器40通过所述IIC总线向温度测量电路30提供一控制信号从而在步骤510开始温度读取，所述IIC总线与处理器40和温度测量电路30相连。响应于所述控制信号，温度测量电路30通过所述IIC总线向处理器40提供指示POD卡20周围环境温度的温度指示信号。根据本发明一个实施例，处理器40周期性的读取来自温度测量电路30的所述温度指示信号，例如每分钟一读取次或者每隔其他预定的时间周期读取一次。

在步骤515，判断在步骤510中X次连续读入的温度是否大于预定的阈值温度。根据本发明一个实施例，处理器40被编程以在步骤515进行所述判断，并且尽管可以采用其他取值，X等于5。如果在步骤515的判断结果是否定的，那么流程返回步骤510其中处理器40按照预定的时间周期(例如一分钟一次)再次读取温度。作为选择，如果在步骤515的判断结果为肯定的，流程前进至步骤520其中风扇10被开启至其最低的旋转速度。根据本发明一个实施例，处理器40向晶体管Q2的基极提供一逻辑高信号，从而使风扇10在步骤520被开启。处理器40还向FPGA 62提供所述第二控制信号以在风扇10的端子3产生所述第一控制信号，所述第一控制信号具有对应于风扇最小速度的占空因数。

在步骤525，以步骤510中所述的方式进行再一次的温度读取。在步骤530，判断Y次连续的读入的温度是否高于所述预定的阈值温度。根据本发明一个实施例，处理器40被编程以进行步骤530的判断，并且尽管也可以采用其他取值，Y等于2。如果在步骤530的判断结果是否定的，流程前进至步骤535其中判断风扇10是否以其最小的速度在工作，并且所述被读入温度比所述所述阈值温度低的温度值是否到达预定的限值。根据本发明一个实施例，处理器40被编程以在步骤535进行判断，并且在步骤535所采用的预定温度限值可以在设计中加以选择。

如果在步骤535的判断结果是肯定的，流程返回步骤505其中处理器40向晶体管Q2的基极提供一逻辑低信号使风扇10停止。作为选择，如果在步骤535的判断结果是否定的，流程前进到步骤545其中以步骤510中所述的方式再次进行温度读取。如果在步骤530的判断结果是肯定的，流程前进至步骤540其中风扇10的速度被提高一级。根据本发明一个实施例，处理器40向FPGA 62提供所述第二控制信号，继而将在风扇10的端子3的所述第一控制信号的占空因数提高一级，从而在步骤540风扇10的旋转速度被提高一级。从步骤540，流程前进至步骤545其中以步骤510中所述的方式再次进行温度读取。

在步骤550，判断在步骤545连续Z次读入的温度是否降低。根据本发明一个实施例，处理器40被编程从而在步骤550进行所述判断，且尽管可以采用其他取值，Z等于4。如果在步骤550的判断结果是否定的，流程返回到前述步骤530。作为选择，如果在步骤550的判断结果是肯定的，流程前进至步骤555其中风扇10的速度降低一级。根据本发明一个实施例，处理器40向FPGA 62提供所述第二控制信号，并随后将在风扇10的端子3的所述第一控制信号的占空因数降低一级，从而在步骤555将风扇10的速度降低一级。从步骤555，流程前进至步骤560其中以步骤510中所述的方式再次进行温度读取。从步骤560，流程返回前述的步骤530。图5中的步骤可以所述的方式重复进行。图5中的步骤可以用于将温度保持在给定的阈值以下(例如低于65℃等)。

如上所述，本发明提供了一种节约成本的温度控制装置，该装置包括变速扇，该变速扇适合用于具有不同热特性的设备例如消费电子设备，本发明还提供了一种应用该种设备的温度控制方法。本发明可以用于各种设备，可以具备或者不具备集成显示组件。因此，在此所述的“消费电子设备”可以指包括集成显示组件的系统或设备包括但不限于电视机，计算机或者显示器，还有不具备集成显示组件的系统或设备包括但不限于机顶盒，录影机(VCRs)，数字多用途光盘(DVD)播放器，视频游戏盒，个人视频录放机(PVRs)，计算机或者其他。

尽管如前所述本发明具备优选的设计方案，本发明仍可以在本技术方案的宗旨和范围内被进一步改进。因此本申请旨在涵盖采用本发明宗旨的任何变化，应用或者改良。另外，本申请还涵盖了从本发明分离出来并结合本领域中已知或习惯的做法，与本发明相关并落入本发明从属权利要求保护范围的内容。

Claims (13)

1、一种温度控制装置(100-400)，包括：

风扇(10)，包括：

励磁绕组(F3)；

速度控制器(12)，响应于第一控制信号以向所述励磁绕组(F3)提供速度控制信号，从而对所述风扇(10)的旋转速度进行控制；

第一和第二输入端(1，2)，用于向所述励磁绕组(F3)以及所述速度控制器(12)供电，所述第一和第二输入端(1，2)中的至少一个与第一电压源相连；以及

第三输入端(3)，用于向所述速度控制器(12)提供所述第一控制信号，所述第三输入端(3)可操作地连接至第二电压源；

温度测量部件(30)，用于测量温度并且提供指示所述温度的温度指示信号；

处理部件(40)，响应于所述温度指示信号以提供第二控制信号；以及

控制部件(60)，响应于所述第二控制信号以向所述风扇(10)的所述第三输入端(3)提供所述第一控制信号，所述控制部件包括脉冲发生器(64)响应于所述第二控制信号以产生脉冲，其特征在于所述控制部件(60)进一步包括第一开关部件(Q1)响应于所述脉冲开启或者关闭，所述控制部件(60)从所述第二电压源引出电流以提供所述第一控制信号，当所述第一开关部件关闭时，从所述第二电压源引出预设电流以控制所述旋转速度达到相应于最小速度的预设速度，当所述第一开关部件开启时，从所述第二电压源引出与所述预设电流不同的电流以控制所述旋转速度达到比所述最小速度高的速度。

2、如权利要求1所述的温度控制装置(100-400)，其中所述第一开关部件(Q1)的第一传导端连接至所述风扇(10)的所述第三输入端(3)，从而连接到所述第二电压源。

3、如权利要求2所述的温度控制装置(100-400)，其中所述控制部件(60)进一步包括第一电阻(R1)，所述第一电阻(R1)的第一端可操作地连接至所述第一开关部件(Q1)的所述第一传导端，且所述第一电阻(R1)的第二端可操作地连接至所述风扇(10)的所述第三输入端(3)。

4、如权利要求3所述的温度控制装置(100-400)，其中所述第一开关部件(Q1)进一步包括：

第二传导端，可操作地连接至所述脉冲发生部件(64)用于接收所述脉冲；以及

第三传导端，可操作地连接至地。

5、如权利要求3所述的温度控制装置(200-400)，其中所述控制部件(60)进一步包括第二电阻(R2)，其第一端可操作地连接至地并且其第二端可操作地连接至所述第一电阻(R1)的所述第二端。

6、如权利要求5所述的温度控制装置(300-400)，其中所述控制部件(60)进一步包括电容(C1)，其第一端可操作地连接至地并且其第二端可操作地连接至所述第二电阻(R2)的所述第二端。

7、如权利要求1所述的温度控制装置(400)，进一步包括

第二开关部件(Q2)，其第一传导端可操作地连接至所述风扇(10)的第二输入端(2)，并且所述第二开关部件的第二传导端可操作地连接至所述处理部件(40)以接收第三控制信号从而开启或停止所述风扇(10)。

8、一种温度控制方法，包括以下步骤：

提供具备励磁绕组的风扇，

速度控制器，响应于第一控制信号以向所述励磁绕组提供速度控制信号从而控制所述风扇的旋转速度，

第一和第二输入端，向所述励磁绕组以及所述速度控制器供电，

第三输入端，向所述速度控制器提供所述第一控制信号，

所述第一和第二输入端中的至少一个可操作地连接至第一电压源，以及

所述第三输入端可操作地连接至第二电压源；

测量温度并且提供指示所述温度的温度指示信号；

响应于所述温度指示信号以提供第二控制信号；

响应于所述第二控制信号以产生脉冲；以及

响应于所述脉冲以向所述风扇的所述第三输入端提供所述第一控制信号，其特征在于包括以下步骤：

响应于所述脉冲以开启或者关闭开关部件(Q1)；

当所述开关部件(Q1)关闭时，从所述第二电压源引出预设电流以提供所述第一控制信号控制所述旋转速度达到相应于最小速度的预设速度；以及

当所述开关部件(Q1)开启时，从所述第二电压源引出与所述预设电流不同的电流，以提供所述第一控制信号控制所述旋转速度达到比所述最小速度高的速度。

9、如权利要求8所述的方法，进一步包括提供第三控制信号以开启和停止所述风扇的步骤。

10、如权利要求9所述的方法，其中如果在预定次连续的读取中所述温度都高于阈值，则开启所述风扇。

11、如权利要求9所述的方法，其中如果所述风扇以最小速度旋转，并且所述温度比阈值低的温度值达到预定的限值，则停止所述风扇。

12、如权利要求8所述的方法，其中如果在预定次连续的读取中所述温度高于阈值，则加快所述风扇的旋转速度。

13、如权利要求8所述的方法，其中如果在预定次连续的读取中所述温度降低，则减慢所述风扇的旋转速度。

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