JP2010220462A - モータの駆動回路および駆動方法ならびに冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータを確実に、かつ簡易な制御で起動する。
【解決手段】モータ駆動回路１００は、目標の回転数に応じてパルス幅変調された制御パルス信号ＣＮＴ１を受け、ファンモータ４を駆動する。スタートパルス信号生成部１６は、所定のデューティ比のスタートパルス信号ＳＰ１を発生する。駆動部１０は、制御部１４からの駆動パルス信号ＤＲＶ１にもとづき、ファンモータ４をパルス幅変調により駆動する。制御部１４は、ファンモータ４の停止状態において、制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比がゼロから非ゼロに遷移したことを契機としてファンモータ４の駆動を開始する。制御部１４は、駆動開始からのあるスタート期間Ｔｓ中、スタートパルス信号ＳＰ１を駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力し、スタート期間Ｔｓ経過後に、制御パルス信号ＣＮＴ１を駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を利用したモータの駆動技術に関し、特に、起動時の制御技術に関する。

近年のパーソナルコンピュータやワークステーションの高速化にともない、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ(Digital Signal Processor)などの演算処理用ＬＳＩ（Large Scale Integration）の動作速度は上昇の一途をたどっている。このようなＬＳＩは、その動作速度、すなわちクロック周波数が高くなるにつれて発熱量も大きくなる。ＬＳＩからの発熱は、そのＬＳＩ自体を熱暴走を誘発したり、あるいは周囲の回路に対して影響を及ぼすという問題がある。したがって、ＬＳＩの適切な熱冷却はきわめて重要な技術となっている。

ＬＳＩを冷却するための技術の一例として、冷却ファンによる空冷式の冷却方法がある。この方法においては、たとえば、ＬＳＩの表面に対向して冷却ファンを設置し、冷たい空気を冷却ファンによりＬＳＩ表面に吹き付ける。

冷却ファンを構成するモータ（ファンモータともいう）を駆動する場合、パルス幅変調によってモータの通電時間（デューティ比）を制御し、モータのトルク、すなわち回転数を制御する場合がある。

特開２００５−６４０５号公報 特開平１０−２３４１３０号公報 特開２００８−２６３７３３号公報 特開２００６−１８０６０８号公報

本発明者は、かかるＰＷＭ方式のモータ駆動回路について検討し、以下の課題を認識するに至った。
図１は、ファンモータの回転数と、デューティ比の関係を示す図である。モータが停止した状態において、デューティ比を０％から１００％に向かって増加させていく場合、デューティ比があるしきい値（たとえば１５％）より低い領域では、モータが回転を開始するのに足るトルクが得られず、モータの回転数は０となる。デューティ比がしきい値より高い領域では、デューティ比の上昇にともない、回転数も増加する（加速特性（I））。反対にモータが回転した状態において、デューティ比を０％に向かって減少させていく場合、デューティ比が図１の例では９％を下回ると、モータは停止する（ブレーキ特性（II））。

停止状態のモータを静かに起動させるためには、低いモータ回転数が得られるように、低いデューティ比で駆動すればよい。しかしながら図１に示すように、デューティ比が低すぎると、トルクが不足してモータが起動しない場合がある。反対に、確実にモータを起動させるためには、高いデューティ比で駆動すればよいが、デューティ比が高すぎるとファンモータの風切り音が大きく鳴りすぎる。特に静音性が求められるノートＰＣなどでは、ファンモータの音は製品の価値に大きく影響する。

かかる事情から従来では、ファンモータを搭載したセットの設計者が、起動時のデューティ比を試行錯誤により変化させる必要があった。こうした問題は、ファンモータに限らず、その他のモータ全般に当てはまる問題である。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的は、モータを確実に、かつ簡易な制御で起動可能な駆動技術の提供にある。

本発明のある態様は、目標の回転数に応じてパルス幅変調された制御パルス信号を受け、当該制御パルス信号にもとづいてモータを駆動する駆動回路に関する。この駆動回路は、所定のデューティ比のスタートパルス信号を発生するスタートパルス信号生成部と、スタートパルス信号と制御パルス信号の一方を駆動パルス信号として出力する制御部と、駆動パルス信号にもとづき、モータをパルス幅変調により駆動する駆動部と、を備える。制御部は、モータの停止状態において、制御パルス信号のデューティ比がゼロから非ゼロに遷移したことを契機としてモータの駆動を開始し、モータの駆動開始からのあるスタート期間中、スタートパルス信号を駆動パルス信号として出力し、スタート期間経過後に、制御パルス信号を駆動パルス信号として出力する。

この態様によると、制御パルス信号のデューティ比が低すぎてモータが起動し始めるトルクに達しない場合であっても、駆動回路の内部で生成されるスタートパルス信号のデューティ比でモータを確実に起動させることができる。

制御部は、スタート期間中、制御パルス信号のデューティ比が所定のしきい値より低いとき、スタートパルス信号を駆動パルス信号として出力し、制御パルス信号のデューティ比がしきい値より高いとき、制御パルス信号を駆動パルス信号として出力してもよい。
この態様によると、静音性を犠牲にして、モータを短時間で起動することができ、たとえばファンモータによって対象物を急速に冷却したい場合に有効である。

スタートパルス信号生成部は、所定の周波数で発振するオシレータであってもよい。

スタートパルス信号生成部は、制御パルス信号のポジティブエッジまたはネガティブエッジの一方のエッジから所定のオン時間、第１レベルをとり、その後、次の一方のエッジまでの期間、第１レベルと相補的な第２レベルをとるスタートパルス信号を生成してもよい。
この場合、制御パルス信号と同期したスタートパルス信号を生成することができ、駆動パルス信号を生成する際の信号処理を簡略化することができる。

スタート期間は、モータの駆動開始から所定時間の経過するまでの期間であってもよい。

スタート期間は、モータの駆動開始から、モータの回転数が所定値に達するまでの期間であってもよい。

スタート期間は、モータの駆動開始から、モータのロータが所定の角度、回転するまでの期間であってもよい。

ある態様の駆動回路は、モータが停止した場合に、モータへの通電を停止するロック保護回路と、制御パルス信号がモータの停止を所定の第１時間以上継続して指示した場合に、ロック保護回路を非アクティブとするロック制御部と、をさらに備えてもよい。
この態様によると、ロック制御部は、制御パルス信号がモータの停止を第１時間以上継続して指示した場合に、ロック保護回路を非アクティブとするので、制御パルス信号からの指示によりモータが停止した後の再駆動を迅速化できる。

駆動回路は、１つの半導体基板上に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。モータ駆動回路を１つのＬＳＩとして集積化することにより、回路面積を削減することができる。

本発明の別の態様は、冷却装置に関する。この冷却装置は、ファンモータと、ファンモータを駆動する上述のいずれかの態様の駆動回路と、を備える。
ファンモータを確実に起動できるため、対象物を好適に冷却することができる。

本発明のさらに別の態様は、パルス幅変調された制御パルス信号にもとづいてモータを駆動する駆動方法に関する。この方法は、制御パルス信号のデューティ比がゼロから非ゼロに遷移したことを契機としてモータの駆動を開始する第１ステップと、モータの駆動開始からスタート期間中、モータを制御パルス信号のデューティ比に依存しない所定のデューティ比で駆動する第２ステップと、スタート期間の経過後、モータを制御パルス信号のデューティ比で駆動する第３ステップと、を備える。

第２ステップにおいて、スタート期間中、制御パルス信号のデューティ比が所定のしきい値より低いとき、モータを所定のデューティ比で駆動し、制御パルス信号のデューティ比がしきい値より高いとき、モータを制御パルス信号のデューティ比で駆動してもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を、方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、モータを確実に、かつ簡易な制御で起動できる。

ファンモータの回転数と、デューティ比の関係を示す図である。 実施の形態に係るモータ駆動回路を備える冷却システムの構成を示す回路図である。 図２のモータ駆動回路の動作を示すタイムチャートである。 図２の冷却システムにおける、ファンモータの回転数と制御パルス信号のデューティ比の関係を示す図である。 第１の変形例におけるスタートパルス信号生成部の構成を示す回路図である。 第１の変形例に係るモータ駆動回路の動作を示すタイムチャートである。 スタートアシスト機能の有効・無効を切りかえ可能な制御部の構成例を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

本実施の形態は、ＣＰＵなどの冷却対象物（単に対象物と称する）を冷却するためのファンモータの駆動回路に関する。図２は、実施の形態に係るモータ駆動回路１００を備える冷却システム２の構成を示す回路図である。

冷却システム２は、主としてファンモータ４、外部コントローラ６、ホール素子８、モータ駆動回路１００、対象物９を含む。

ファンモータ４は、単相全波モータであって、対象物９に対向して配置される。対象物９は、ある態様では冷却対象のＣＰＵに接続されたヒートパイプ（ヒートシンク）であり、ある態様では、ＣＰＵそのものである。このファンモータ４は、モータ駆動回路１００から出力される駆動電圧によりコイル電流、すなわち通電状態が制御されて、その回転が制御される。

外部コントローラ６は、冷却システム２全体を制御する。外部コントローラ６はモータ駆動回路１００の制御入力端子１０６に対して、ファンモータ４の目標の回転数に応じてパルス幅変調された制御パルス信号ＣＮＴ１を出力する。制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比は外部デューティ比ＤＲ_ＥＸＴとも称する。

ホール素子８の第１端子は抵抗Ｒ１２を介してホールバイアス電圧ＨＢが印加される電源ラインと接続され、その第２端子は抵抗Ｒ１１を介して接地される。抵抗Ｒ１２および抵抗Ｒ１１によって、ホール素子８から出力される信号の振幅が調節される。したがって、後述するヒステリシスコンパレータ３１の同相入力範囲によっては、抵抗Ｒ１１あるいは抵抗Ｒ１２のいずれか一方あるいは両方が短絡されてもよい。なお、ホールバイアス電圧ＨＢは、モータ駆動回路１００のバイアス電圧源４２により生成される。

ホール素子８は、ファンモータ４のロータの位置に応じてレベルが変化する第１ホール信号ＶＨ１、第２ホール信号ＶＨ２を出力する。ファンモータ４が回転しているとき、第１ホール信号ＶＨ１と第２ホール信号ＶＨ２は互いに逆相であって、その周期（周波数）は、ファンモータ４の回転数に応じて変化する正弦波である。

モータ駆動回路１００は、第１ホール信号ＶＨ１、第２ホール信号ＶＨ２をそれぞれ、第１入力端子１０２、第２入力端子１０４に受ける。モータ駆動回路１００は、ホール信号ＶＨ１、ＶＨ２にもとづいてファンモータ４のロータの位置を検出し、ロータの位置に応じてファンモータ４に与える電圧の極性を反転しながら、制御パルス信号ＣＮＴ１にもとづいてファンモータ４をＰＷＭ駆動する。つまりファンモータ４の両端には、正弦波状の包絡線を有し、かつパルス幅変調されたスイッチング信号が印加される。なおＰＷＭ駆動の方法は特に限定されるものではない。

つまり冷却システム２において、ファンモータ４の回転数は、外部コントローラ６が生成する制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴに応じて制御され、その結果、対象物９の温度が調節される。

以上が冷却システム２の全体の構成である。以下、モータ駆動回路１００の構成を説明する。

モータ駆動回路１００は、駆動部１０、制御部１４、スタートパルス信号生成部１６、保護回路３０、スタンバイ制御部４０、バイアス電圧源４２、起動回路４４を備え、ひとつの半導体基板上に集積化されている。

駆動部１０は、制御部１４から出力される駆動パルス信号ＤＲＶ１を受け、この駆動パルス信号ＤＲＶ１を利用してファンモータ４をパルス幅変調によって駆動する。

たとえば駆動部１０は、第１アンプＡＭＰ１、第２アンプＡＭＰ２を含む。第１アンプＡＭＰ１、第２アンプＡＭＰ２はそれぞれ、第１ホール信号ＶＨ１、第２ホール信号ＶＨ２を反転増幅する反転増幅器である。

具体的には、第１アンプＡＭＰ１は、第１演算増幅器ＯＡ１、第１入力抵抗Ｒｉ１、第１帰還抵抗Ｒｆ１を含む。第１入力抵抗Ｒｉ１は、第１入力端子１０２と第１演算増幅器ＯＡ１の反転入力端子の間に設けられる。第１帰還抵抗Ｒｆ１は、第１演算増幅器ＯＡ１の出力端子と反転入力端子の間に設けられる。第１演算増幅器ＯＡ１の非反転入力端子は、第２アンプＡＭＰ２側の第２演算増幅器ＯＡ２の反転入力端子と接続される。第２アンプＡＭＰ２は、第１アンプＡＭＰ１と同様に構成される。第１演算増幅器ＯＡ１、第２演算増幅器ＯＡ２の非反転入力端子には、基準バイアス電圧が入力されてもよい。

第１アンプＡＭＰ１の出力電圧ＯＵＴ１は、第１出力端子１０８を介してファンモータ４の一端に与えられ、第２アンプＡＭＰ２の出力電圧ＯＵＴ２は、第２出力端子１１０を介してファンモータ４の他端に与えられる。

第１アンプＡＭＰ１および第２アンプＡＭＰ２には、駆動パルス信号ＤＲＶ１が入力され、それぞれの出力電圧ＯＵＴ１、ＯＵＴ２は、駆動パルス信号ＤＲＶ１と同期して、ホール電圧ＶＨ１、ＶＨ２に応じた値をとる状態と、両方が同時にローレベルとなる状態（両出力Ｌ状態という）と、を交互に繰り返す（ＰＷＭ駆動）。たとえば第１演算増幅器ＯＡ１、第２演算増幅器ＯＡ２それぞれの出力段がハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタを含むプッシュプル形式で構成される場合、ファンモータ４にはＨブリッジ回路が接続されることになる。両出力Ｌ状態においては、Ｈブリッジの２つのローサイドトランジスタがオンされる。両出力Ｌ状態を利用すると、一方のローサイドトランジスタのオン抵抗およびボディダイオードの一方と、モータと、他方のトランジスタのチャンネルを含むループ経路で電流を回生させることができるため、消費電力の観点で有利である。

両出力Ｌ状態に代えて、ハイインピーダンス状態としてもよい。この場合には、ハイインピーダンスとすべき期間において、すべてのＨブリッジ回路を構成するトランジスタのすべてがオフすればよい。

スタートパルス信号生成部１６は、所定のデューティ比（内部デューティ比ともいう）ＤＲ_ＩＮＴを有するスタートパルス信号ＳＰ１を発生する。内部デューティ比ＤＲ_ＩＮＴは、停止したファンモータ４を回転させることができる最小値以上に設定される。より好ましくは、デューティ比ＤＲ_ＩＮＴの値は、図１のヒステリシスの分岐点以上に設定することが望ましい。具体的にはファンモータ４が図１に示す入出力特性を有する場合、スタートパルス信号ＳＰ１のデューティ比ＤＲ_ＩＮＴは、２０％以上の値、たとえば５０％に設定される。デューティ比ＤＲ_ＩＮＴ＝５０％の場合、スタートパルス信号生成部１６は所定の周波数で発振するオシレータを用いて構成できる。スタートパルス信号ＳＰ１の周波数は、制御パルス信号ＣＮＴ１の周波数と同等か、それよりも高いことが望ましく、制御パルス信号ＣＮＴ１の周波数が２０ｋ〜３０ｋＨｚの場合、スタートパルス信号ＳＰ１の周波数は数十ｋＨｚに設定される。

制御部１４は、スタートパルス信号ＳＰ１と制御パルス信号ＣＮＴ１の一方を、駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力する。
制御部１４は、ファンモータ４の停止状態において、外部コントローラ６からの制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴがゼロから非ゼロに遷移したこと、言い換えればローレベルからハイレベルに遷移したこと、さらに言い換えれば制御パルス信号ＣＮＴ１のポジティブエッジを契機としてファンモータ４の駆動を開始する。制御部１４はファンモータ４の駆動開始からの所定の期間（スタート期間という）Ｔｓ中、スタートパルス信号ＳＰ１を駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力する。これをスタートアシスト機能と称する。スタート期間Ｔｓ経過後において、制御部１４は制御パルス信号ＣＮＴ１を駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力する。

スタート期間Ｔｓは、ファンモータ４の駆動開始から所定時間ＴＣ１の経過するまでの期間であってもよい。たとえば所定時間ＴＣ１は５０〜３００ｍｓ程度である。あるいはスタート期間Ｔｓは、ファンモータ４の駆動開始から、ファンモータ４の回転数が所定値に達するまでの期間であってもよい。

あるいはスタート期間Ｔｓは、ファンモータ４の駆動開始から、そのロータが所定の角度、回転するまでの期間であってもよい。ロータが何度回転しているかは、ホール信号ＶＨ１、ＶＨ２または、ＦＧ信号を監視することにより取得できる。たとえば、ＦＧ信号のエッジを検出し、ファンモータ４の駆動開始から、エッジが所定数検出されたことを契機として、スタート期間Ｔｓを終了してもよい。

スタートパルス信号ＳＰ１により実現されるスタートアシスト機能は、有効、無効が外部からの制御信号によって切りかえ可能に構成されることが望ましい。以下、この理由を説明する。

モータ駆動回路１００は、制御パルス信号ＣＮＴ１に応じてファンモータ４をＰＷＭ駆動するように設計されているが、モータ駆動回路１００が使用されるプラットホームによっては、電源ＰＷＭと呼ばれる手法が用いられる場合がある。電源ＰＷＭとは、モータ駆動回路１００の電源端子１０１に供給される電源電圧Ｖｄｄをスイッチングし、そのスイッチングのデューティ比によってファンモータ４の回転数を制御する方法である。電源ＰＷＭを行う際には、制御パルス信号ＣＮＴ１は一定レベルとされる。

もし電源ＰＷＭを行う際に、スタートアシスト機能が有効であると以下の問題が生ずる。すなわち、モータ駆動回路１００に対する電源電圧Ｖｄｄがスイッチングすることにより、スタートパルス信号生成部１６が毎周期リセットされ、電源電圧ＶｄｄのスイッチングごとにスタートパルスＳＰ１が繰り返し発生され、ファンモータ４に供給される。その結果、ファンモータ４の回転数は、電源ＰＷＭのデューティ比ではなく、スタートパルスＳＰ１のデューティ比によって支配的に制御され、所望の回転数が得られないという問題がある。

かかる事情から、モータ駆動回路１００のスタートアシスト機能は、モータ駆動回路１００には、スタートアシスト機能の有効、無効を設定するためのセレクト信号ＳＥＬが入力されるセレクト端子ＳＥＬを備える。

セレクト信号ＳＥＬが、スタートアシスト機能の許可を指示する場合、上述のようにスタート期間Ｔｓの間、制御部１４はスタートパルス信号ＳＰ１を出力し、続いて制御パルス信号ＣＮＴ１を出力する。
これに対してセレクト信号ＳＥＬが、スタートアシスト機能の禁止を指示する場合、制御部１４は、スタート期間Ｔｓであってもスタートパルス信号ＳＰ１を選択せずに、第１演算増幅器ＯＡ１、第２演算増幅器ＯＡ２がオンする一定レベルを有する駆動パルス信号ＤＲＶを出力する。

図７は、スタートアシスト機能の有効・無効を切りかえ可能な制御部１４の構成例を示す回路図である。制御部１４は、カウンタ５０、セレクタ５２、無効化信号生成部５４を備える。

無効化信号生成部５４は、セレクト信号ＳＥＬを受け、それに応じたレベルの無効化信号Ｓ２を発生する。無効化信号生成部５４は、電源端子と接地端子の間に直列に接続されたトランジスタ５６、抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む。トランジスタ５６のゲートには、スタンバイ信号ＳＴＢが入力される。スタンバイ期間中には、トランジスタ５６はオフし、抵抗Ｒ１、Ｒ２による電力消費を低減する。

抵抗Ｒ１とＲ２の接続点は、セレクト端子と接続される。抵抗値は、Ｒ１≫Ｒ２を満たすように設計される。セレクト端子ＳＥＬがハイインピーダンスのとき、あるいはハイレベルが印加されるとき、抵抗Ｒ１とＲ２の接続ノードはハイレベルとなり、無効化信号Ｓ２はローレベルとなり、スタートアシスト機能は有効となる。反対に、セレクト端子にローレベルが入力されると、無効化信号Ｓ２はハイレベルとなり、スタートアシスト機能は無効化される。なお、各信号の論理レベルの割り当ては設計事項であり、限定されない。

カウンタ５０は、スタンバイ復帰、電源投入、ロック保護からの復帰のいずれかのイベントを契機として、クロックＣＬＫをカウントすることにより、所定の長さのスタート期間Ｔｓを測定する。カウンタ５０から出力される制御信号Ｓ１は、スタート期間Ｔｓの間アサートされ、その後ネゲートされる。

セレクタ５２には、制御信号Ｓ１と無効化信号Ｓ２が入力される。無効化信号Ｓ２がネゲート（たとえばローレベル）のとき、セレクタ５２は、制御信号Ｓ１がアサートされる期間、スタートパルス信号ＳＰ１を選択し、制御信号Ｓ１がネゲートされる期間、制御パルス信号ＣＮＴ１を選択する。

反対に無効化信号Ｓ２がアサート（たとえばハイレベル）のとき、セレクタ５２は、制御パルス信号ＣＮＴ１を固定的に選択する。電源ＰＷＭを行う際には、制御パルス信号ＣＮＴ１は一定値をとるため、駆動パルス信号ＤＲＶ１は第１演算増幅器ＯＡ１、第２演算増幅器ＯＡ２をオンさせるレベルをとる。

このようにスタートアシスト機能を無効化可能とすることで、モータ駆動回路１００を電源ＰＷＭを行うプラットホームでも使用することができる。

モータ駆動回路１００は、ファンモータ４に異物が挟まり、回転が停止した際に、ファンモータ４に大電流が流れるのを防止するロック保護機能を備える。

ロック保護機能に加えてモータ駆動回路１００は、制御パルス信号ＣＮＴ１によりファンモータ４の停止が所定時間以上指示された場合、ロック保護機能をキャンセル（非アクティブ化）する機能（クイックスタート機能）を備える。

１． ロック保護機能
駆動パルス信号ＤＲＶ１がハイレベルとローレベルを繰り返しているにもかかわらずファンモータ４の回転が停止したケース、すなわち、異物が挟まるなどの不可抗力によりファンモータ４がロックしたケースにおいて、保護回路３０は、駆動部１０に対してファンモータ４への通電停止を指示する。これにより、モータコイルへの過電流などが防止される。

２． クイックスタート機能
制御パルス信号ＣＮＴ１が所定時間以上ローレベルを示したケース、すなわち、ファンモータ４を作為的に停止させたケースにおいて、保護回路３０は、上述した場合と異なり、駆動部１０によるファンモータ４への通電を許可する。これにより、作為的にファンモータ４を停止した後の再起動動作がスムーズになる。

保護回路３０は、ヒステリシスコンパレータ３１、ロック保護回路３２と、ロック制御部（クイックスタート回路とも称する）３４とを含む。また、ＴＳＤ（Thermal Shut Down）回路などをさらに含んでもよい。

ヒステリシスコンパレータ３１は、第１ホール信号ＶＨ１と第２ホール信号ＶＨ２とを比較し、ＶＨ１＞ＶＨ２のときハイレベル、ＶＨ１＜ＶＨ２のときローレベルとなる方形波信号（ＦＧ信号）を出力する。ファンモータ４が回転するとき、ＦＧ信号は、ファンモータ４の回転数に応じた周波数を有し、ファンモータ４が停止するときには一定レベルとなる。

ロック保護回路３２は、後述するイネーブル信号ＥＮがアサート（ハイレベルに遷移）されるときアクティブとなり、ネゲート（ローレベルに遷移）されるとき非アクティブとされる。

ロック保護回路３２はアクティブである場合、ＦＧ信号をモニタするなどしてファンモータ４の回転の有無を検出する。ロック保護回路３２は、ファンモータ４の回転停止（ロック）を検出すると、制御部１４に対するＳＴＯＰ信号をアサート（ハイレベルに遷移）する。ＳＴＯＰ信号がアサートされると、制御部１４は、一定期間τ２、第１アンプＡＭＰ１、第２アンプＡＭＰ２の出力をハイインピーダンスとし、ファンモータ４への通電を強制的に停止する。

通電を停止する期間τ２は、数百ｍｓ〜数秒であることが好ましい。ＳＴＯＰ信号がアサートされると、制御パルス信号ＣＮＴ１やスタートパルス信号ＳＰ１のデューティ比にかかわらず、ファンモータ４への電流供給が停止される。これにより、ファンモータ４のロック時に過電流が流入することが防止される。なお、ファンモータ４が停止してからロック保護回路３２にてその停止が確認されるまでには検証期間が設定されている。検証期間は、たとえば０．５ｓ程度であり、ロック保護回路３２の内部構成により適宜決められる。

一方、ロック保護回路３２は、非アクティブのとき、ＦＧ信号の状態にかかわらずＳＴＯＰ信号をネゲートする。

ロック制御部３４は、制御パルス信号ＣＮＴ１が所定時間を超えてローレベルを示した場合、イネーブル信号ＥＮをネゲート（ローレベルに遷移）し、ロック保護回路３２を非アクティブとする。所定時間は、制御パルス信号ＣＮＴ１の周期より十分に長くてもよく、ロック保護回路３２にてファンモータ４のロックが確認されるまでの検証期間より短くてもよい。所定時間は、実施の形態においてはたとえば６０ｍｓに設定される。この６０ｍｓは、想定される制御パルス信号ＣＮＴ１の下限周波数におけるオフデューティの期間（ロー期間）をもとに設定した時間である。あるいは、さらに静止摩擦が大きなファンモータを駆動する際には、所定時間は２５０ｍｓ程度とするとよい。

ロック制御部３４は、カウンタ３６と、クロック生成器３８とを含む。
クロック生成器３８は、所定の周波数のクロックを生成するオシレータである。所定の周波数は、上記の設定された所定時間に合わせて適宜決められる。カウンタ３６は、制御パルス信号ＣＮＴ１がローレベルを示す間、クロック生成器３８にて生成したクロックの数をカウントする。すなわちカウンタ３６は、制御パルス信号ＣＮＴ１の立ち下がりエッジにてカウント値がリセットされてカウントを開始し、再度、制御パルス信号ＣＮＴ１の立ち下がりエッジによりリセットされるまでクロックをカウントする。カウントの結果、制御パルス信号ＣＮＴ１が上記の所定時間を超えてローレベルを示したことを検知した場合、カウンタ３６は、イネーブル信号ＥＮをネゲートする。

ロック保護回路３２は、イネーブル信号ＥＮがネゲートされると非アクティブとなり、制御部１４に出力されるＳＴＯＰ信号もネゲートされる。このとき、制御パルス信号ＣＮＴ１はローレベルを連続的に示しているため、ＳＴＯＰ信号がネゲートされているにもかかわらず、ファンモータ４は通電されない。

また、イネーブル信号ＥＮがネゲートされたことにより非アクティブとされたロック保護回路３２は、その後、制御パルス信号ＣＮＴ１がハイレベルに遷移したときに再度アクティブとなる。

スタンバイ制御部４０は、イネーブル信号ＥＮを受ける。スタンバイ制御部４０は、イネーブル信号ＥＮがネゲートされると、時間測定を開始する。ここで、イネーブル信号ＥＮがネゲートされたことは、制御パルス信号ＣＮＴ１がファンモータ４の停止を第１時間τ１以上継続して指示したことを意味する。

そして、制御パルス信号ＣＮＴ１がローレベルに固定されている状態において、時間測定開始から所定の第２時間τ２が経過すると、モータ駆動回路１００はスタンバイモードに設定され、モータ駆動回路１００の少なくとも一部の動作が停止し、省電力化が図られる。

スタンバイ制御部４０は、制御パルス信号ＣＮＴ１が（τ１＋τ２）の期間連続してローレベルを持続すると、スタンバイ信号ＳＴＢをアサートし、モータ駆動回路１００をスタンバイモードに移行させる。スタンバイ信号ＳＴＢは、スタンバイモードと通常の動作モードにおいて、異なる処理を実行する回路ブロックや、スタンバイモードにおいてシャットダウンする回路ブロックへと供給される。

スタンバイ処理について説明する。
起動回路４４は、モータ駆動回路１００の基準電圧を生成する電圧源である。スタンバイ制御部４０はスタンバイモードにおいて、起動回路４４を停止する。基準電圧がシャットダウンすることにより、この基準電圧にもとづいて生成される基準電流が遮断するため、モータ駆動回路１００内の各ブロックに対する基準電流の供給が停止し、低消費電力化が図られる。

また、モータ駆動回路１００は、ホール素子８に対して供給すべきホールバイアス電圧ＨＢを生成するバイアス電圧源４２を含む。バイアス電圧源４２は、スタンバイ信号ＳＴＢがハイレベルとなると、シャットダウンしてホール素子８に対するホールバイアス電圧ＨＢの供給を停止する。これにより、ホール素子８、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２による電力消費が低減される。

さらにスタンバイモードにおいては、駆動部１０をはじめとする、その他の不要な回路をシャットダウンしてもよい。

スタンバイ制御部４０は、制御パルス信号ＣＮＴ１を受ける。スタンバイ制御部４０は、スタンバイモードにおいて、制御パルス信号ＣＮＴ１がファンモータ４の駆動を指示したことを契機として、スタンバイ信号ＳＴＢをネゲートし（ローレベルに遷移）、モータ駆動回路１００をスタンバイモードから通常モードに復帰させる。たとえば、スタンバイ制御部４０は、制御パルス信号ＣＮＴ１のエッジを監視することにより、通常モードへの復帰を行ってもよい。

通常モードに復帰すると、起動回路４４が起動して基準電圧を生成する。これにより、モータ駆動回路１００の各ブロックに電流が供給され、動作を再開する。

以上がモータ駆動回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。

図３は、図２のモータ駆動回路１００の動作を示すタイムチャートである。時刻ｔ０以前に、ファンモータ４は停止しており、モータ駆動回路１００はスタンバイモードとなっている。

時刻ｔ０以降に、外部コントローラ６から非ゼロのデューティ比を有する制御パルス信号ＣＮＴ１が出力されと、これを契機としてモータ駆動回路１００がスタンバイモードから通常モードへと復帰し、ファンモータ４の駆動を開始する。モータ駆動回路１００が起動すると、スタートパルス信号生成部１６がスタートパルス信号ＳＰ１を発生し始める。

起動開始からスタート期間Ｔｓの間、制御部１４はスタートパルス信号ＳＰ１を選択し、駆動パルス信号ＤＲＶ１として駆動部１０へと供給する。スタートパルス信号ＳＰ１のデューティ比は、ファンモータ４を停止状態から回転させるのに足る値に設定されているため、ファンモータ４は速やかに回転し始め、その回転数は、スタートパルス信号ＳＰ１のデューティ比に応じた回転数に向けて上昇しはじめる。

その後、スタート期間Ｔｓの経過後の時刻ｔ１に、制御部１４は駆動パルス信号ＤＲＶ１を、スタートパルス信号ＳＰ１から制御パルス信号ＣＮＴ１に切りかえる。その結果、外部コントローラ６によるファンモータ４の回転数制御が有効となり、ファンモータ４は、外部コントローラ６によって設定された回転数で回転する。

以上がモータ駆動回路１００の動作である。図２のモータ駆動回路１００によれば、外部コントローラ６から出力される制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴが小さい場合であっても、ファンモータ４を確実に回転させることができ、回転し始めた後には、その回転数を制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴに応じた値に設定することができる。

つまり、冷却システム２の設計者は、停止したファンモータ４を回転させることが可能な最小デューティ比を意識することなく、ファンモータ４の目標回転数のみを考慮して制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴを設計すればよいため、設計の負担を従来に比べて軽減することができる。

図４は、図２の冷却システム２におけるファンモータ４の回転数と、制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴの関係を示す図である。図２のモータ駆動回路１００では、スタート期間Ｔｓにおいて、外部デューティ比ＤＲ_ＥＸＴにかかわらず、ファンモータ４の駆動デューティ比がＩＣ内部で決めたデューティ比、たとえば５０％に設定される。したがって制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴが低い場合には、デューティ比を低下させてブレーキをかけていることと等価となり、図１のブレーキ特性（II）を実現できる。

たとえば従来では、ファンモータ４を５００ｒｐｍで回転させるために、制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴを１２％に設定した場合、停止状態のファンモータ４を回転させることができない（図１参照）。これに対して、図２のモータ駆動回路１００では、制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴを１２％に設定すれば、５００ｒｐｍでファンモータ４を回転させることができる（図４）。

さらに、実施の形態のモータ駆動回路１００によれば、ロック制御部３４は、制御パルス信号ＣＮＴ１が所定時間を超えてローレベルを示した場合、ロック保護回路３２を非アクティブとするので、制御パルス信号ＣＮＴ１によるモータの停止と不可抗力によるモータのロックとを区別できる。したがって、モータ駆動回路１００は、制御パルス信号ＣＮＴ１によりファンモータ４の回転を停止した後、その回転を迅速に再開でき、たとえばファンモータ４の停止中にデバイスを急激に冷却する必要が生じた場合などにすばやい冷却効果を得られる。このことは、上述のスタート期間Ｔｓに内部デューティ比ＤＲ_ＩＮＴでファンモータ４を駆動することと相まって、対象物９を急速に冷却できることを意味する。

次に、実施の形態のさらなる効果について説明する。イネーブル信号ＥＮがローレベルに切りかえられると、スタンバイ制御部４０は制御パルス信号ＣＮＴ１がローレベルの期間を測定し、この時間が第２時間τ２持続すると、スタンバイ信号ＳＴＢをハイレベルに切りかえ、モータ駆動回路１００の各ブロックの動作を停止させる。その結果、モータ駆動回路１００の回路電流は、０ｍＡ付近まで低下し、低消費電力化が図られる。

その後、制御パルス信号ＣＮＴ１がハイレベルとなると、スタンバイ制御部４０はスタンバイ信号ＳＴＢをローレベルに切りかえ、モータ駆動回路１００の各ブロックを動作状態に復帰させる。もし、第２時間τ２経過前に、駆動パルス信号ＤＲＶ１がハイレベルとなれば、スタンバイモードには移行せずに、ファンモータ４の回転を再開する。なお、カウンタ３６の設定次第では、τ２≧０であってもよい。

このように、本実施の形態に係るモータ駆動回路１００によれば、ファンモータ４の回転が指示されない状態が所定時間（τ１＋τ２）持続すると、スタンバイモードに切りかえることにより、従来に比べて回路の消費電流を低下させることができる。さらに、スタンバイモードへの移行は、イネーブル信号ＥＮにもとづいて実行されるため、スタンバイモードへ移行する際には、必ずロック保護回路３２の機能が無効化されることが保証される。したがって、その次にファンモータ４の回転の再開が指示されたとき、直ちにスタンバイモードから通常モードに復帰してファンモータ４を回転させることができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１の変形例）
第１の変形例は、スタートパルス信号生成部１６がオシレータではなく、別の構成となっている。図５は、第１の変形例におけるスタートパルス信号生成部１６ａの構成を示す回路図である。スタートパルス信号生成部１６ａは、電流源ＣＳ１、コンパレータＣＭＰ１、ＲＳラッチ、スイッチＳＷ１およびキャパシタＣ１を含む。キャパシタＣ１はモータ駆動回路１００の外部に設けられ、一端が接地されている。

電流源ＣＳ１は、アクティブ状態においてキャパシタＣ１を定電流Ｉｃで充電する。スイッチＳＷ１は、ＲＳラッチの反転出力＃Ｑ（＃は論理反転を示す）がハイレベルとなるとオンとなり、キャパシタＣ１の電荷を放電する。コンパレータＣＭＰ１は、キャパシタＣ１の電位Ｖｃ１を所定のしきい値Ｖｔｈ１と比較し、Ｖｃ１＞Ｖｔｈ１のときハイレベルとなる比較信号Ｓｃを出力する。ＲＳラッチは、比較信号Ｓｃのポジティブエッジでリセットされ、制御パルス信号ＣＮＴ１のネガティブエッジでセットされる。ＲＳラッチの出力Ｑがハイレベルのとき電流源ＣＳ１はアクティブとなる。

このスタートパルス信号生成部１６ａは、制御パルス信号ＣＮＴ１のポジティブエッジ（またはネガティブエッジ）から所定のオン時間Ｔｏｎの間、第１レベル（ハイレベル）をとり、その後、次のポジティブエッジまでの期間、第１レベルと相補的な第２レベル（ローレベル）をとるスタートパルス信号ＳＰ１を生成する。

図６は、第１の変形例に係るモータ駆動回路の動作を示すタイムチャートである。第１の変形例のスタートパルス信号生成部１６ａを用いると、制御パルス信号ＣＮＴ１とスタートパルス信号ＳＰ１を同期させることができる。またしきい値電圧Ｖｔｈ１を調節することにより、スタートパルス信号ＳＰ１のデューティ比ＤＲ_ＩＮＴを任意の値に調節できる。

また第１の変形例では、制御部１４は、スタート期間Ｔｓの間、スタートパルス信号ＳＰ１と制御パルス信号ＣＮＴ１の論理和を駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力してもよい。つまり、第１の変形例によれば、駆動パルス信号ＤＲ_ＩＮＴを生成する際の信号処理を簡略化することができる。さらに、キャパシタＣ１の容量値を調整することによって、周波数とデューティ比を変えることができるため、さまざまなモータに対応できる。

（第２の変形例）
第２の変形例において、制御部１４は、ファンモータ４の駆動開始からスタート期間Ｔｓ中、制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴが所定のしきい値ＤＲ_ＴＨより低いときのみ、スタートパルス信号ＳＰ１を駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力する。制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴがしきい値ＤＲ_ＴＨより高いとき、制御部１４は、制御パルス信号ＣＮＴ１を駆動パルス信号ＤＲＶ１として出力する。

第２の変形例は、ファンモータ４の停止中に温度が非常に高くなった対象物９を急速に冷却したい場合に有効である。
図２のモータ駆動回路１００では、仮に制御パルス信号ＣＮＴ１のデューティ比ＤＲ_ＥＸＴを１００％とした場合であっても、スタート期間Ｔｓの間は、ファンモータ４の駆動デューティ比は、強制的にＤＲ_ＩＮＴに制限されるため、ファンモータ４はゆっくり回り始める。これに対して、第２の変形例では、デューティ比ＤＲ_ＥＸＴがしきい値ＤＲ_ＴＨより高い制御パルス信号ＣＮＴ１を発生することで、スタート期間Ｔｓ中であっても、ファンモータ４は制御パルス信号ＣＮＴ１にもとづいて駆動されるため、ファンモータ４の回転数を急速に上昇させることができる。

（その他の変形例）
実施の形態では、駆動部１０がファンモータ４の両端に、正弦波の包絡線を有する駆動電圧を印加する場合を説明したが、本発明はそれに限定されない。たとえば特許文献３に記載されるように、Ｈブリッジ回路を利用してファンモータ４に矩形波（パルス状）の包絡線を有するスイッチング信号を印加して通電時間をＰＷＭ制御してもよい。

また、実施の形態において、ファンモータ４が単相モータである場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。ファンモータ４は、多相モータであってもよい。

また、実施の形態において、ファンモータ４の回転をホール素子８により検出したが、本発明はこれに限定されない。ファンモータ４の回転は、ファンモータ４のコイルに発生する誘起電圧をモニタすることにより検出してもよい。

また、実施の形態において、ロック制御部３４は、クロック生成器３８にて生成したクロックをカウンタ３６にて数えることにより制御パルス信号ＣＮＴ１がローレベルを示す時間をモニタしたが、本発明はこれに限定されない。制御パルス信号ＣＮＴ１がローレベルを示す時間は、キャパシタと抵抗を用いた時定数回路により測定してもよい。

実施の形態において、ロック保護回路３２は、ＦＧ信号をモニタしたが、本発明はこれに限定されない。ロック保護回路３２は、第１ホール信号ＶＨ１または第２ホール信号ＶＨ２をモニタしてもよく、ファンモータ４のコイルに発生する誘起電圧をモニタしてもよい。

実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１００…モータ駆動回路、１０２…第１入力端子、１０４…第２入力端子、１０６…制御入力端子、１０８…第１出力端子、１１０…第２出力端子、２…冷却システム、４…ファンモータ、６…外部コントローラ、８…ホール素子、９…対象物、１０…駆動部、ＡＭＰ１…第１アンプ、ＡＭＰ２…第２アンプ、ＯＡ１…第１演算増幅器、Ｒｉ１…第１入力抵抗、Ｒｉ２…第２入力抵抗、Ｒｆ１…第１帰還抵抗、Ｒｆ２…第２帰還抵抗、ＯＡ２…第２演算増幅器、１４…制御部、１６…スタートパルス信号生成部、３０…保護回路、３１…ヒステリシスコンパレータ、３２…ロック保護回路、３４…ロック制御部、３６…カウンタ、３８…クロック生成器、４０…スタンバイ制御部、４２…バイアス電圧源、４４…起動回路、ＶＨ１…第１ホール信号、ＶＨ２…第２ホール信号、ＣＮＴ１…制御パルス信号、ＳＰ１…スタートパルス信号、ＤＲＶ１…駆動パルス信号。

Claims (13)

1. 目標の回転数に応じてパルス幅変調された制御パルス信号を受け、当該制御パルス信号にもとづいてモータを駆動する駆動回路であって、
   所定のデューティ比のスタートパルス信号を発生するスタートパルス信号生成部と、
   前記スタートパルス信号と前記制御パルス信号の一方を駆動パルス信号として出力する制御部と、
   前記駆動パルス信号にもとづき、前記モータをパルス幅変調により駆動する駆動部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記モータの停止状態において、前記制御パルス信号のデューティ比がゼロから非ゼロに遷移したことを契機として前記モータの駆動を開始し、前記モータの駆動開始からのあるスタート期間中、前記スタートパルス信号を前記駆動パルス信号として出力し、前記スタート期間経過後に、前記制御パルス信号を前記駆動パルス信号として出力することを特徴とする駆動回路。
2. 前記制御部は、前記スタート期間中、前記制御パルス信号のデューティ比が所定のしきい値より低いとき、前記スタートパルス信号を前記駆動パルス信号として出力し、前記制御パルス信号のデューティ比が前記しきい値より高いとき、前記制御パルス信号を前記駆動パルス信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記スタートパルス信号生成部は、所定の周波数で発振するオシレータであることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
4. 前記スタートパルス信号生成部は、前記制御パルス信号のポジティブエッジまたはネガティブエッジの一方のエッジから所定のオン時間、第１レベルをとり、その後、次の前記一方のエッジまでの期間、前記第１レベルと相補的な第２レベルをとるスタートパルス信号を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
5. 前記スタート期間は、前記モータの駆動開始から所定時間の経過するまでの期間であることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
6. 前記スタート期間は、前記モータの駆動開始から、前記モータの回転数が所定値に達するまでの期間であることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
7. 前記モータが停止した場合に、前記モータへの通電を停止するロック保護回路と、
   前記制御パルス信号が前記モータの停止を所定の第１時間以上継続して指示した場合に、前記ロック保護回路を非アクティブとするロック制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
8. ファンモータと、
   前記ファンモータを駆動する請求項１または２に記載の駆動回路と、
   を備えることを特徴とする冷却装置。
9. パルス幅変調された制御パルス信号にもとづいてモータを駆動する駆動方法であって、
   前記制御パルス信号のデューティ比がゼロから非ゼロに遷移したことを契機として前記モータの駆動を開始する第１ステップと、
   前記モータの駆動開始からのあるスタート期間中、前記モータを前記制御パルス信号のデューティ比に依存しない所定のデューティ比で駆動する第２ステップと、
   前記スタート期間の経過後、前記モータを前記制御パルス信号のデューティ比で駆動する第３ステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
10. 前記第２ステップにおいて、前記スタート期間中、前記制御パルス信号のデューティ比が所定のしきい値より低いとき、前記モータを前記所定のデューティ比で駆動し、前記制御パルス信号のデューティ比が前記しきい値より高いとき、前記モータを前記制御パルス信号のデューティ比で駆動することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記スタートパルス信号にもとづく駆動の有効、無効を指示するセレクト信号を受けるためのセレクト端子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
12. 前記制御部は、
    スタンバイ復帰、電源投入、ロック保護からの復帰の少なくともひとつのイベントを契機として、クロックをカウントすることにより、所定の長さのスタート期間を測定するカウンタと、
    前記カウンタの出力が前記スタート期間を示すとき、前記スタートパルス信号を選択し、前記カウンタの出力が前記スタート期間以外を示すとき、前記制御パルス信号を選択するセレクタと、
    を備え、
    前記セレクタは、前記セレクト信号が前記スタートパルス信号にもとづく駆動の無効を指示するとき、前記制御パルス信号を固定的に選択することを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
13. 前記制御部は、
    電源端子と前記セレクト端子の間に直列に設けられたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）および第１抵抗と、
    前記セレクト端子と接地端子の間に設けられた第２抵抗と、
    をさらに含み、
    前記セレクタは、前記セレクト端子に生ずる電位にもとづき、前記スタートパルス信号にもとづく駆動の有効、無効を判定することを特徴とする請求項１２に記載の駆動回路。

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