CN2399536Y - 具有全面防护功能的无刷风扇控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种具有全面防护功能的无刷风扇控制装置,其包括有驱动单元、脉波产生电路及放大电路或缓冲器等基本构造,并进一步包括有一转速侦测单元、一卡死防护单元及一过电压防止单元,以前述各单元可以分别检知风扇转速信号、风扇是否卡死及防止过电压损坏风扇,而可提供无刷风扇全面性的防护功能。

Description

具有全面防护功能的无刷风扇控制装置

本实用新型涉及一种电机领域电机的控制装置，特别是涉及一种兼具风扇转速信号检知、风扇卡死保护及防止过电压的无刷风扇控制集成电路的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置。

请参阅图6所示，为美国第5289089号发明专利案，其揭露了一种可分别用以驱动单一线圈或双组线圈的直流无刷风扇驱动电路，有关其构造则包括有一霍尔感应器1、一与霍尔感应器1连接的放大电路2、一连接于放大电路输出端的脉波产生器3；又脉波产生器3输出端分两组互为反相的驱动单元11、12，其中一驱动单元11是由晶体管Q1～Q3、Q8组成，另一驱动单元12则由晶体管Q4～Q7，其中驱动单元11的晶体管Q3及另一驱动单元12的晶体管Q7分别在集、射极间连接有一二极体D1、D2，并在射极上分别构成接点6、7，以分别与线圈10连接。

前述无刷风扇驱动电路，是由脉波产生器3产生一组脉波令一驱动单元11导通，并使电流通过线圈10转动转子，在此同时，另一驱动单元12被截止，当前述转子转动时将产生磁场变化，遂为霍尔感应器1所侦知并输出电位信号，经放大电路2放大后送至脉波产生器3改变输出脉波相位，而改由另一组驱动单元12导通，此时流经线圈10的电流方向改变，令转子再旋转一角度，如此交替驱动，使风扇转子持续运转。

在前述无刷风扇驱动电路中，除了如图示般可用以驱动单一线圈10外，亦可驱动双组线圈，其是将两组线圈的一端分别连接至接点6、7上，线圈另端再分别连接至电源VCC上，即可达到控制两组线圈的目的。

经进一步探究前述无刷风扇驱动电路的构造，发现其存在有下列的缺点：

1、不具有风扇转速检知功能：

前述的无刷风扇广泛用于个人电脑及其相关产品，且电脑及其相关产品的内部散热管理已成为一种趋势。如一般的电脑中央处理器CPU上均设有独立的散热风扇，且该散热风扇均是以恒速运转，亦即不论CPU的运转状况如何，风扇均维持以相同速度运转，此种状况不仅可能造成电力浪费，亦可能干扰CPU正常运作。以CPU为例，并非随时维持于相同的工作频率，其因执行不同的工作或闲置，而出现不同工作频率，当工作频率高时，CPU相对产生的热能即高，反之，工作频率低时，CPU表面热能亦相对较低，当风扇随时维持以全速运转对CPU表面散热时，在CPU工作频率低时，即造成电力的无谓浪费；且风扇运转速度愈快，其相对产生的噪音愈大，亦可能对CPU或其他元件的正常运转造成影响。

为改善前述状况，即出现了前述“散热管理”的观念，所谓“管理”是指根据不同的环境因素与条件即时地调整风扇的运转速度，以提高散热效率，减少电力的无谓损失，并减少噪音干扰。而欲作散热管理的前提在于系统必须可检知风扇的即时转速，以作为调整变换的依据，但前述美国专利案并未提供风扇的转速信号供系统辨识，故无法从事所谓的散热管理。

2、无法侦知风扇是否因卡死而停止运转：

前述美国专利案并无针对风扇卡死的状况提供预防或应对措施，而其他传统的无刷风扇对于风扇卡死的状况主要是在线圈绕组与控制电路输入端间串接一正温度系数热敏电阻，当风扇因机械因素卡死而造成温度升高，亦将使热敏电阻的阻抗随着温度而升高，以此可限制风扇卡死期间的驱动电流，以防止风扇因卡死而烧毁。但是前述功效必须通过额外的构造始能达成，而增加该额外构造将增加控制装置整体的制造成本，且将使控制电路体积无法有效缩小。

3、电路构成元件未尽精简：

前述电路在一驱动单元11的晶体管Q3及另一驱动单元12的晶体管Q7的集、射极间分别连接有一二极体D1、D2，其主要是避免晶体管转态时产生突波噪音或遭突波击穿。前述的晶体管Q3、Q7是呈交替性动作，当其中的一由导通瞬间转态为截止时，将在线圈10上产生感应电动势并同时造成突波，该突波若未能予以消除，轻则缩短晶体管寿命，重则将击穿晶体管造成立即损坏。而前述美专前案在晶体管Q3、Q7的集、射极间连接二极体D1、D2的主要目的即在于疏导晶体管转态时在线圈10上产生的电动势电位，以有效消弭突波。

而二极体D1、D2的设置虽可有效避免突波对于晶体管的冲击，但由于二极体D1、D2为额外加装的元件，当前述的驱动电路制成集成电路时，不仅将造成增加制程的繁复度，并将提高制造成本；且在某些用途中，为防止电源极性误接，故在输入端与电源间串接一二极体，在此构造下，将使前述二极体D1、D2变成无作用，由此更可进一步说明前述专利案的电路构造未尽精简。

由此可见，上述现有的无刷风扇控制电路仍存在有诸多的缺陷，而丞待加以改进。

有鉴于上述现有的无刷风扇控制电路存在如前述的诸多缺点，本设计人基于丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出本实用新型。

本实用新型的主要目的在于，克服现有的无刷风扇控制电路存在的缺陷，而提供一种具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，使其包括有驱动单元、脉波产生电路及放大电路或缓冲器等基本构造，并进一步包括有一转速侦测单元、一卡死防护单元及一过电压防止单元，以前述各单元可分供检知风扇转速信号、风扇是否卡死及防止过电压损坏风扇，而成为兼具有风扇转速信号检知、风扇卡死保护及过电压保护的无刷风扇控制集成电路，从而可提供无刷风扇全面性的防护功能。

本实用新型的目的是由以下的技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其包括有驱动单元、脉波产生电路及放大电路或缓冲器等基本构造，并进一步包括有一转速侦测单元、一卡死防护单元及一过电压防止单元，其特征在于：该转速侦测单元，是由放大电路或缓冲器输出端取得经放大或缓冲处理的转子极性感应信号经转换产生转速信号；该卡死防护单元，亦由放大电路或缓冲器输出端取得经放大或缓冲处理的转子极性感应信号以判断风扇是否正常运转，以产生一卡死讯息，并进一步经脉波产生电路重新启动风扇；该过电压防止单元，是与驱动单元的输出端连接，以检知并消除其风扇变换极性时产生的过电压。

本实用新型的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

前述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其中所述的转速侦测单元包括有一除频器及一晶体管，其由放大电路输出端取得转子极性感应信号后即送入除频器进行除频，再经晶体管产生一代表风扇转速的脉波信号。

前述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其中所述的晶体管是由一场效应管构成，其汲极经一电阻连接至电源VDD，并构成一脉波信号端。

前述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其中所述的卡死防护单元包括有：一由放大电路或缓冲器输出端检出转子极性感应信号的边缘检知器；一以重置端与前述边缘检知器连接的计数器；一以输入端连接前述边缘检知器的工作周期产生器；一连接前述计数器与工作周期产生器输出端的逻辑门；一供应前述边缘检知器及计数器时序信号的时序产生器。

前述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其中所述的逻辑门是由AND门构成。

前述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其中所述的过电压防止单元包括有一以汲极连接于控制电路输出端的场效应管、一分别与驱动单元输出端及晶体管闸极耦合的电容及一位于参考电压及晶体管闸极间的电阻。

前述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其中所述的晶体管闸极上的电阻阻抗可由设有若干串接的场效应管产生。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和积极效果。由以上技术方案可知，本实用新型具有全面防护功能的无刷风扇控制装置包括有驱动单元、脉波产生电路及放大电路或缓冲器等基本构造，并进一步包括有一转速侦测单元、一卡死防护单元及一过电压防止单元，以前述各单元可分供检知风扇转速信号、风扇是否卡死及防止过电压损坏风扇，而可提供无刷风扇全面性的防护功能。通过本实用新型的电路构造与工作原理，其可使无刷风扇控制电路同时具备下列功效：

1、可产生风扇转速信号供系统进行散热管理：

本实用新型主要是由该转速侦测单元直接由风扇组中检出其转速信号，用于散热管理，其可将风扇的转速配合系统运作的实际状况，以提高散热工作效率，并可降低风扇运转时产生的噪音干扰。

2、可检知风扇是否出现卡死现象：

本实用新型是利用该卡死防护单元检知风扇是否出现卡死现象，并可进一步重新启动风扇，及产生卡死讯息通过系统通知使用者；其中重新启动风扇部分，是决定卡死现象立即而有效的方法，由于风扇在一般状态下出现的卡止现象并非真正锁死，且仅须重新予以启动，即可恢复运转，而本实用新型除通过前述电路设计将风扇卡死而停止运转的讯息通过系统通知使用者外，更可提供该重新启动功能，可立即而方便的使风扇恢复正常运转。

3、有效防止过电压造成损坏：

本实用新型是利用该过电压防止单元以有效消除风扇线圈变换极性时产生的瞬间过电压，其利用一晶体管搭配一电容，在风扇变换极性瞬间在驱动单元输出端上产生过电压时，令电容充电并使晶体管导通，而使过电压经由晶体管迅速旁路到地，以此可有效防止过电压对驱动单元造成损害，并可延长控制电路的工作寿命。

综上所述，本实用新型是兼具有风扇转速信号检知、风扇卡死保护及防止过电压的无刷风扇控制集成电路的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，且在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，而确实具有增进的功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

本实用新型的具体结构由以下实施例及其附图详细给出。

图1是本实用新型的电路方框图。

图2是本实用新型的卡死防护单元的电路方框图。

图3是本实用新型的过电压防止单元的详细电路图。

图4是本实用新型的过电压防止单元的等效电路图。

图5是本实用新型的工作波形图。

图6是美国第5289089号发明专利案的电路图。

以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1所示，本实用新型具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其电路构造包括有驱动单元20、一脉波产生电路21及放大电路22(或缓冲器)等基本构造，并进一步包括有一转速侦测单元30、一卡死防护单元40及一过电压防止单元50，其中：

前述驱动单元20，可包括两组驱动电路，以分别在两输出端OUT1、OUT2上产生互为反相的电流信号，而驱动单一线圈或双组线圈的风扇运转。

前述脉波产生电路21，是以输出端与驱动单元20连接，以供应驱动单元两组互为反相的脉波信号，其输入端则连接放大电路22或缓冲器，在本实施例中，该脉波产生电路21输入端是设有一放大电路22，该放大电路22输入端是供连接霍尔感应器(HALL SENSOR)，如脉波产生电路21输入端是连接缓冲器时，则缓冲器输入端是与霍尔IC(HALL IC)连接。

前述转速侦测单元30，是供直接由风扇检出其转速信号，用以作为散热管理，其组成构造包括有一晶体管31及一除N的除频器32，其中，该晶体管31可由NPN、PNP晶体管或场效应管构成，在本实施例中，该晶体管31是一场效应管，其汲极是经电阻33连接至电源VDD，并构成一转速信号输出端TACHO，晶体管31闸极则与除频器32输出端连接，该除频器32的输入端是连接至放大电路22的输出端，以便取得转子极性感应信号，经除频处理后取得转速信号(一般风扇运转频率为转速的两倍)，故除频器32的除N数是根据风扇极数而定。

如霍尔IC在现有传统6极风扇转动时的输出电压脉波，其频率则为风扇转速3倍，故可利用一除1·5的除频器32对放大后的转子极性感应信号进行除频，以便于取得所需的风扇转速信号。若风扇为8极或10极时，则须分别以除2或除2·5的除频器进行除频；而依此类推，可换算出其他极数风扇所需使用的除频器。

以前述电路由除频器32自放大电路22输出端取得风扇转子极性感应信号后即进行除频处理，再经晶体管31即产生一代表风扇转速信号的脉波，而该组脉波信号即可供系统检知风扇的实际转速，供用於转速调整及散热管理。

又前述卡死防护单元40，是用于检知风扇是否出现卡死现象，并可进一步尝试重新启动风扇，并可产生卡死讯息以通过系统通知使用者；其电路构造请参阅图2所示，包括有一由放大电路22输出端检出转子极性感应信号的边缘检知器(EDGE DETECTOR)41、一以重置端(CLEAR)与前述边缘检知器41连接的计数器42、一以输入端连接前述边缘检知器41的工作周期产生器(DUTY GENERATOR)43、一连接前述计数器42与工作周期产生器43输出端的逻辑门44及一供应前述边缘检知器41及计数器42时序信号的时序产生器45，其中：

该边缘检知器41，是用以检知霍尔元件(HALL SENSOR或HALL IC)是否可正常由风扇检出信号，以供系统判断风扇是否卡死停止运转。

该计数器42，其计数器的计数值N可自行设定，主要是提供一较长期间，以确认风扇确实已卡死。其是由时序产生器45提供的时序信号以自动计数至特定值(如2秒钟)时，即由输出端送出一高电位，此一高电位亦即代表风扇已停止运转的卡死讯息(LOCK)。该卡死讯息并同时至逻辑门44，以便与工作周期产生器43进行逻辑比对，以决定是否重新启动风扇。

该工作周期产生器43，是一1/M的工作周期(DUTY CYCLE)产生器，其中M值可由使用者自行设定。

在本实施例中，前述逻辑门44，是由AND门构成，当计数器42与工作周期产生器43输出同时为1时，则逻辑门44即产生一适长时间的重新启动信号送至脉波产生电路21以重新启动风扇，当风扇因轻微的机械因素而卡死时，可借由前述的重新启动而予排除，但卡死讯息(LOCK)仍将通过系统以适当方式通知使用者。至于重新启动的时间是由下列设定值决定的：

假设计数器42输出高电位时间为2秒钟，又工作周期产生器43的M值为8，则：

重新启动时间＝2(秒)×1/M＝2(秒)×1/8＝1/4(秒)

再者前述过电压防止单元50，则可有效消除风扇线圈变换极性时产生的瞬间过电压，以确保驱动单元的完好，请参阅图1、图3所示，其主要构造包括有一连接于驱动单元20输出端OUT1或OUT2的晶体管51、一分别与驱动单元20输出端OUT1或OUT2及晶体管51耦合的电容52及一连接于参考电压VR及晶体管51间的电阻53，其中：

在本实施例中，该晶体管51是一场效应管，其是以汲极与驱动单元20输出端OUT1或OUT2连接，又其汲极与闸极间耦接有前述电容52，且其闸极与参考电压VR间设有电阻53，该电阻53事实上为在晶体管51闸极上产生一适当阻抗，但该阻抗并不限定由实际的电阻元件所产生，在半导体电路制程中，前述电阻53所代表的阻抗可由若干串接的场效应管产生，其等效电路图请参阅图4所示。

仍请参阅图3所示，前述参考电压VR是与电源VDD有关，用以提供晶体管51一适当的偏压。

当风扇变换极性而在驱动单元20输出端OUT1或OUT2上产生过电压时，将使前述电容52充电随即令晶体管51导通，遂过电压即迅速经由晶体管51旁路到地，以防止过电压对驱动单元20造成损坏。

请再参阅图5所示，其上、下两波形图是分别代表未设前述过电压防止单元50及已设置过电压防止单元50的工作波形V(OUT1)、V(OUT1)′，由图中可明显看出，如无刷风扇控制装置未设过电压防止单元50，其输出波形V(OUT1)的瞬间过电压可高达25伏特以上。又控制电路经设以过电压防止单元50，其输出波形V(OUT1)′的瞬间过电压则恒低于1伏特以下。由此可见，该过电压防止单元50确可有效防止过电压对控制电路的驱动单元20造成伤害。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1、一种具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其包括有驱动单元、脉波产生电路及放大电路或缓冲器等基本构造，并进一步包括有一转速侦测单元、一卡死防护单元及一过电压防止单元，其特征在于：

该转速侦测单元，是由放大电路或缓冲器输出端取得经放大或缓冲处理的转子极性感应信号经转换产生转速信号；

该卡死防护单元，亦由放大电路或缓冲器输出端取得经放大或缓冲处理的转子极性感应信号以判断风扇是否正常运转，以产生一卡死讯息，并进一步经脉波产生电路重新启动风扇；

该过电压防止单元，是与驱动单元的输出端连接，以检知并消除其风扇变换极性时产生的过电压。

2、根据权利要求1所述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其特征在于所述的转速侦测单元包括有一除频器及一晶体管，其由放大电路输出端取得转子极性感应信号后即送入除频器进行除频，再经晶体管产生一代表风扇转速的脉波信号。

3、根据权利要求2所述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其特征在于所述的晶体管是由一场效应管构成，其汲极经一电阻连接至电源VDD，并构成一脉波信号端。

4、根据权利要求1所述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其特征在于所述的卡死防护单元包括有：

一由放大电路或缓冲器输出端检出转子极性感应信号的边缘检知器；

一以重置端与前述边缘检知器连接的计数器；

一以输入端连接前述边缘检知器的工作周期产生器；

一连接前述计数器与工作周期产生器输出端的逻辑门；

一供应前述边缘检知器及计数器时序信号的时序产生器。

5、根据权利要求4所述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其特征在于所述的逻辑门是由AND门构成。

6、根据权利要求1所述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其特征在于所述的过电压防止单元包括有一以汲极连接于控制电路输出端的场效应管、一分别与驱动单元输出端及晶体管闸极耦合的电容及一位于参考电压及晶体管闸极间的电阻。

7、根据权利要求6所述的具有全面防护功能的无刷风扇控制装置，其特征在于所述的晶体管闸极上的电阻阻抗可由设有若干串接的场效应管产生。

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