CN104832441B - 集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，包括电压调整器、霍尔传感器、斩波放大器、比较器、全桥输出级电路以及有源反接保护电路。本发明通过在电路模块的公共地端与集成电路的接地端之间加入有源反接保护电路，采用齐纳二极管、肖特二极管和NMOS管配合来实现反接保护。该NMOS管在电路正常工作时处于深度线性区，功耗低，面积小，完全可以确保芯片的可靠性和性价比。

Description

集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器

技术领域

本发明涉及一种集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器。

背景技术

直流无刷散热风扇目前大规模应用于电脑，家电，工业控制等等。直流无刷散热风扇的方案中大量采用内置霍尔的驱动芯片来感应转子的磁场变化实现换相。目前市场上的散热风扇主要有双线圈和单线圈两种类型。

散热风扇在工厂生产和客户使用的过程中，会出现因为使用不慎将电源线反接的情况。若风扇的驱动芯片没有反接保护功能，则会被立刻烧毁。因此风扇在设计过程中必须考虑到反接保护的功能。若芯片不具备反接保护功能，则必须外接二极管来实现反接保护能力。

双线圈直流无刷散热风扇在风扇工作效率，噪声等方面的性能均逊色于单线圈直流无刷散热风扇。但是由于单线圈和双线圈的不同，单线圈风扇中的驱动芯片一直未能集成反接保护功能，而是采用外接反接保护二极管与旁路电容的应用方案。

单线圈散热风扇工作原理如图1所示，双线圈风扇的工作原理如图2所示；其中PMOS和NMOS功率管被简化成一个开关来表示。

由于两种风扇结构的不同，使得双线圈风扇的反接保护功能很容易集成进芯片内部。双线圈风扇驱动均采用NMOS功率管开漏输出的方式，芯片设计者只需在功率管之外的其他电路中加入一个很小的二极管即可实现反接保护，如图3所示。线圈上的大电流不会从实现反接保护功能的二极管上流过。

但是单线圈风扇方案则无法套用双线圈的这种方式，因为全桥输出级电路必须有反接保护，此时线圈上的电流会从实现反接保护功能的二极管上流过，而风扇在工作时的工作电流远远高于芯片的静态电流，如图4所示。若按照双线圈的反接保护方式来实现，则该二极管的面积必须很大，并且该二极管功耗很高，严重影响芯片的性价比和可靠性。因此在单线圈风扇的应用方案中，大家一直采用外接二极管和旁路电容的方式，如图5所示，但这种方案使得单线圈风扇在制作成本上会高于双线圈风扇。并且会造成驱动芯片VDD端口电压波形有脉冲，影响芯片的可靠性，如图9所示。

因此市场迫切的需要一种低成本的单线圈风扇驱动芯片，内部集成反接保护电路功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，以实现在单线圈直流无刷散热风扇驱动器内部集成反接保护功能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，包括驱动电路，以及设置在驱动电路的电路模块公共地端与芯片外部地端之间的有源反接保护电路；驱动电路包括电压调整器、霍尔传感器、斩波放大器、比较器以及全桥输出级电路；电压调整器的输入端与外部输入电源相连接，其输出端分别连接至霍尔传感器的第一输入端、斩波放大器的电源端以及比较器的电源端；有源反接保护电路的输入端与外部输入电源连接，其输出端与驱动电路的电路模块公共地端相连接；霍尔传感器的第二输入端与斩波放大器的公共端相连接，其第一输出端与斩波放大器的正输入端相连接，其第二输出端与斩波放大器的负输入端相连接；比较器的负输入端与斩波放大器的输出端相连接，其正输入端连接有阈值电压产生电路，其公共端连接至有源反接保护电路；比较器的输出端与全桥输出器的输入端相连接，全桥输出器的输出端连接至风扇线圈。

进一步地，有源反接保护电路包括一电阻、一齐纳二极管、一肖特基二极管和第五晶体管；电阻的一端连接至外部输入电源，另一端分别与齐纳二极管的负极端和第五晶体管的栅极相连接；肖特基二极管的正极端与齐纳二极管的正极端相连接，其负极端接芯片外部地端；第五晶体管的源极与驱动电路的电路模块公共地端相连接，其漏极接芯片外部地端。

进一步地，有源反接保护电路包括一电阻、一齐纳二极管、第五晶体管和第六晶体管；电阻的一端连接至外部输入电源，另一端分别与第五晶体管的栅极相和齐纳二极管的负极端相连接；第六晶体管的源极分别连接至齐纳二极管的正极端以及第六晶体管的栅极，其漏极分别连接至芯片外部地端和第五晶体管的漏极；第五晶体管的源极与驱动电路的电路模块公共地端相连接。

进一步地，全桥输出级电路包括第一预驱动器、第二预驱动器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管；第一预驱动器的输入端与比较器的第一输出端相连接，其输出端分别与第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极相连接；第二预驱动器的输入端与比较器的第二输出端相连接，其输出端分别与第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极相连接；第一晶体管的源极和第三晶体管的源极均连接至外部输入电源，第二晶体管的源极和第四晶体管的源极均连接至第五晶体管的源极；风扇线圈的一端分别与第一晶体管的漏极和第二晶体管的漏极相连接；另一端分别与第三晶体管的漏极和第四晶体管的漏极相连接。

进一步地，比较器为迟滞比较器。

进一步地，第五晶体管为NMOS管。

进一步地，第一晶体管和第三晶体管为PMOS管；第二晶体管和第四晶体管为NMOS管。

进一步地，肖特基二极管的反向击穿电压高于芯片的最高工作电压。

本发明的有益效果为：本发明通过在电路模块的公共地端与集成电路的接地端之间加入有源反接保护电路，采用齐纳二极管、肖特二极管和NMOS管配合来实现反接保护。该NMOS管在电路正常工作时处于深度线性区，功耗低，面积小，完全可以确保芯片的可靠性和性价比。

附图说明

图1为单线圈散热风扇的电路原理图；

图2为双线圈风扇的电路原理图；

图3为双线圈风扇集成反接保护电路的电路原理图；

图4为单线圈风扇套用双线圈风扇集成反接保护电路的电路原理图；

图5为传统的单线圈散热风扇应用方案示意图；

图6为本发明最佳实施例的电路原理图；

图7为有源反接保护电路图；

图8为有源反接保护电路的另一实施例的电路原理图；

图9 传统单线圈应用方案里驱动芯片VDD端口的电压波形图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图6所示的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，包括驱动电路，以及设置在驱动电路的电路模块公共地端VCOM与芯片外部地端VSS之间的有源反接保护电路；驱动电路包括电压调整器、霍尔传感器、斩波放大器、比较器以及全桥输出级电路；其中，电压调整器用于将外部输入电压VIN转化为稳定的内部工作电压以提供给其他电路模块；霍尔传感器感应用于磁场信号并将其转化为电压信号；斩波放大器用于将霍尔电压信号放大后输入比较器；阈值电压产生电路用于产生参考电压并提供给比较器；在本申请中，比较器采用的是迟滞比较器，比较器用于将放大后的霍尔信号与阈值电压进行比较，并输出判别结果送入全桥输出级电路；全桥输出级电路用于驱动单线圈风扇负载；内部集成的有源反接保护电路则实现在电源和地反接的情况下对芯片进行保护的功能。

电压调整器的输入端与外部输入电源VIN相连接，其输出端分别连接至霍尔传感器的第一输入端、斩波放大器的电源端以及比较器的电源端；有源反接保护电路的输入端与外部输入电源连接，其输出端与驱动电路的电路模块公共地端相连接；霍尔传感器的第二输入端与斩波放大器的公共端相连接，其第一输出端与斩波放大器的正输入端相连接，其第二输出端与斩波放大器的负输入端相连接；比较器的负输入端与斩波放大器的输出端相连接，其正输入端连接有阈值电压产生电路，其公共端连接至有源反接保护电路；比较器的输出端与全桥输出器的输入端相连接，全桥输出器的输出端连接至风扇线圈。

根据本申请的一个实施例，如图7所示，进一步地，有源反接保护电路包括一电阻R、一齐纳二极管D1、一肖特基二极D2管和第五晶体管T5；电阻R的一端连接至外部输入电源，另一端分别与齐纳二极管D1的负极端和第五晶体管T5的栅极相连接；肖特基二极管D2的正极端与齐纳二极管D1的正极端相连接，其负极端接芯片外部地端；第五晶体管T5的源极与驱动电路的电路模块公共地端相连接，其漏极接芯片外部地端。在本申请中，肖特基二极管D2的反向击穿电压高于芯片的最高工作电压。

根据本申请的一个实施例，全桥输出级电路包括第一预驱动器、第二预驱动器、第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4；在本申请中，第一晶体管T1和第三晶体管T2采用的是PMOS管，第二晶体管T3和第四晶体管T4为NMOS管。

第一预驱动器的输入端与比较器的第一输出端相连接，其输出端分别与第一晶体管T1的栅极和第二晶体管T2的栅极相连接；第二预驱动器的输入端与比较器的第二输出端相连接，其输出端分别与第三晶体管T3的栅极和第四晶体管T4的栅极相连接；第一晶体管T1的源极和第三晶体管T3的源极均连接至外部输入电源，第二晶体管T2的源极和第四晶体管T4的源极均连接至第五晶体管T5的源极；风扇线圈的一端分别与第一晶体管T1的漏极和第二晶体管T2的漏极相连接；另一端分别与第三晶体管T3的漏极和第四晶体管T4的漏极相连接。

当本申请的电源接入正常时，第五晶体管T5的栅极电压等于齐纳二极管D1的的反向击穿电压加上肖特基二极管D2的正向导通电压，此时第五晶体管T5处于深度线性区，第五晶体管T5的源端和漏端的电压差很小，功耗低。电阻R为齐纳二极管D1和肖特基二极管D2提供直流通路。

当出现误操作将电源线反接时，芯片的电源和地端口被反接时，由于肖特基二极管D2的反向击穿电压高于工作电压，因此电阻R，齐纳二极管D1，肖特基二极管D2的未导通，第五晶体管T5的栅极电位几乎为0，此时第五晶体管T5未导通，从而实现了对内部电路的反接保护。

显然地，在实际应用过程中，肖特基二极管D2还可以换成NMOS管（如图8所示的第六晶体管T6），也能到达上述的同等效果。其连接方式为：有源反接保护电路包括一电阻R、一齐纳二极管D1、第五晶体管T5和第六晶体管T6；电阻R的一端连接至外部输入电源，另一端分别与第五晶体管T5的栅极相和齐纳二极管D1的负极端相连接；第六晶体管T6的源极分别连接至齐纳二极管D1的正极端以及第六晶体管T6的栅极极，其漏极分别连接至芯片外部地端和第五晶体管T5的漏极；第五晶体管T5的源极与驱动电路的电路模块公共地端相连接。

本发明将有源反接保护电路与单线圈直流无刷散热风扇驱动器集成在一起，体积小，功耗低；在使用时，无需任何外围元件，降低了风扇的原材料成本和人工成本。

Claims (9)

1.一种集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，包括驱动电路，以及设置在所述驱动电路的电路模块公共地端与芯片外部地端之间的有源反接保护电路；所述驱动电路包括电压调整器、霍尔传感器、斩波放大器、比较器以及全桥输出级电路；所述电压调整器的输入端与外部输入电源相连接，其输出端分别连接至所述霍尔传感器的第一输入端、所述斩波放大器的电源端以及所述比较器的电源端；所述有源反接保护电路的输入端与所述外部输入电源连接，其输出端与所述驱动电路的电路模块公共地端相连接；

所述霍尔传感器的第二输入端与所述斩波放大器的公共端相连接，其第一输出端与所述斩波放大器的正输入端相连接，其第二输出端与所述斩波放大器的负输入端相连接；

所述比较器的负输入端与所述斩波放大器的输出端相连接，其正输入端连接有阈值电压产生电路，其公共端连接至有源反接保护电路；所述比较器的输出端与所述全桥输出器的输入端相连接，所述全桥输出器的输出端连接至风扇线圈。

2.根据权利要求1所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述有源反接保护电路包括一电阻、一齐纳二极管、一肖特基二极管和第五晶体管；所述电阻的一端连接至外部输入电源，另一端分别与所述齐纳二极管的负极端和第五晶体管的栅极相连接；所述肖特基二极管的正极端与所述齐纳二极管的正极端相连接，其负极端接芯片外部地端；所述第五晶体管的源极与所述驱动电路的电路模块公共地端相连接，其漏极接芯片外部地端。

3.根据权利要求1所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述有源反接保护电路包括一电阻、一齐纳二极管、第五晶体管和第六晶体管；所述电阻的一端连接至外部输入电源，另一端分别与所述第五晶体管的栅极相和齐纳二极管的负极端相连接；所述第六晶体管的源极分别连接至所述齐纳二极管的正极端以及第六晶体管的栅极，其漏极分别连接至芯片外部地端和第五晶体管的漏极；所述第五晶体管的源极与所述驱动电路的电路模块公共地端相连接。

4.根据权利要求2或3所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述全桥输出级电路包括第一预驱动器、第二预驱动器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管；所述第一预驱动器的输入端与所述比较器的第一输出端相连接，其输出端分别与所述第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极相连接；所述第二预驱动器的输入端与所述比较器的第二输出端相连接，其输出端分别与所述第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极相连接；所述第一晶体管的源极和第三晶体管的源极均连接至外部输入电源，所述第二晶体管的源极和第四晶体管的源极均连接至第五晶体管的源极；所述风扇线圈的一端分别与所述第一晶体管的漏极和第二晶体管的漏极相连接；另一端分别与所述第三晶体管的漏极和第四晶体管的漏极相连接。

5.根据权利要求1-3任一所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述比较器为迟滞比较器。

6.根据权利要求2或3任一所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述第五晶体管为NMOS管。

7.根据权利要求3所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述第六晶体管为NMOS管。

8.根据权利要求4所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述第一晶体管和第三晶体管为PMOS管；第二晶体管和第四晶体管为NMOS管。

9.根据权利要求2所述的集成反接保护的单线圈直流无刷风扇驱动器，其特征在于，所述肖特基二极管的反向击穿电压高于芯片的最高工作电压。