JP2019146293A - ファンモータ駆動回路、駆動方法ならびにそれを用いた冷却装置および電子機器 - Google Patents

ファンモータ駆動回路、駆動方法ならびにそれを用いた冷却装置および電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】コイル電流の歪みを抑制可能な、および／または、騒音を低減可能な、モータ駆動回路を提供する。【解決手段】制御回路は、ホール信号にもとづいて、Ｈブリッジ回路の出力相を切り替えるとともに、切替の前後にわたるソフトスイッチング期間Ｔｓｓにおいて、Ｈブリッジ回路の一方のレグの出力電圧ＶＯＵＴ１のデューティ比ＤＵＴＹ１を時間とともに緩やかに変化させ、それと並行してＨブリッジ回路の他方のレグの出力電圧ＶＯＵＴ２のデューティ比ＤＵＴＹ２を、一方のレグの出力電圧ＶＯＵＴ１のデューティ比ＤＵＴＹ１に対して逆向きに変化させる。【選択図】図５

Description

本発明は、ファンモータ駆動技術に関する。
サーバ、ノートパソコン、デスクトップコンピュータ、ポータブルコンピュータ、ゲーム機器、プロジェクタ、ＶＲ（Virtual Reality）デバイスをはじめとするさまざまな電子機器にファンモータが搭載される。またファンモータは、冷蔵庫や自動車、産業機械などにも搭載される。
ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）などのプロセッサを搭載するプラットフォームでは、ファンモータの回転数が、プロセッサからの指令に応じて制御可能となっている。具体的には、目標回転数を示す制御信号がプロセッサからファンモータドライバに供給される。ファンモータドライバは、制御信号に応じたデューティ比を有するＰＷM（Pulse Width Modulation）信号を生成し、ファンモータを駆動する。
また、静粛性を高めるために、出力相の切り替えの前後でコイル電流を緩やかに切り替えるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）ソフトスイッチングが利用される。
図１（ａ）、（ｂ）は、ＰＷＭ駆動の際のＨブリッジ回路の状態遷移を示す図である。従来のＰＷＭ駆動では、一方の出力（ＯＵＴ２）をローに固定した状態で、他方の出力（ＯＵＴ１）を、ＰＷＭ信号に応じてスイッチングしていた。ＰＷＭ信号がハイの区間、図１（ａ）に示すように、トランジスタＭＨ１，ＭＬ２がオンであり、コイル電流ＩＣＯＩＬは、トランジスタＭＨ１、モータコイルＬ、トランジスタＭＬ２を含む第１経路を経由して流れる。ＰＷＭ信号がローの区間、図１（ｂ）に示すように、トランジスタＭＬ１，ＭＬ２がオンであり、コイル電流ＩＣＯＩＬは、トランジスタＭＬ１、モータコイルＬ、トランジスタＭＬ２を含む第２経路を経由して流れる。
図２は、ＰＷＭソフトスイッチングを説明する波形図である。時刻ｔ０が、コイル電流の向きが反転する電流ゼロクロス点である。この電流ゼロクロス点を含むようにソフトスイッチング期間Ｔｓｓが設けられる。ソフトスイッチング期間Ｔｓｓのうち、電流ゼロクロス点ｔ０より前の期間は、図１（ａ）、（ｂ）に示したように、出力電圧ＶＯＵＴ１がパルス幅変調され、そのデューティ比が時間とともに緩やかに変化する。電流ゼロクロス点ｔ０より後の期間は、出力電圧ＶＯＵＴ２がパルス幅変調される。これにより、コイル電流ＩＣＯＩＬを緩やかに変化させることができ、騒音を低減できる。
本発明者らは、ソフトスイッチングについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
近年、モータの超小型化、薄型化が進められており、これらのモータは、コイルのターン数を大きくできないため、インダクタンスが小さい。
図３（ａ）、（ｂ）は、インダクタンスの異なるモータを同じＰＷＭ周波数で駆動したときの波形図（実測）である。最上段のＦＧ（Frequency Generator）信号は、ホールセンサによって検出されるロータの位置にもとづく信号である。図３（ａ）は、Ｌ＝０．５７ｍＨのノートパソコン用のファンモータを駆動したときの波形を示し、図３（ｂ）はＬ＝０．１５ｍＨの超小型ファンモータを駆動したときの波形を示す。
図３（ａ）、（ｂ）の対比から理解されるように、ＰＷＭソフトスイッチングによってコイル電流ＩＣＯＩＬを滑らかに変化させるためには、コイルのインダクタンスがある程度大きくなければならず、インダクタンスが小さいモータを、２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ程度でＰＷＭ周波数で駆動すると、コイル電流に歪みが生じ、騒音が発生する。
超小型、薄型のファンモータは、風量を稼ぐために高回転数で回転する。したがって５０ｋＨｚ程度のＰＷＭ周波数では、ＰＷＭソフトスイッチングのデューティ変化が離散的となり、ＦＧジッタ（回転むら）の原因となる。
これらの問題を解決するためには、ＰＷＭ周波数を高くするというアプローチを取りうるが、出力段のＨブリッジ回路のスイッチング速度の制約を受けるため、それほど容易ではない。
なおこの問題を当業者の一般的な認識と捉えてはならない。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の目的のひとつは、コイル電流の歪みを抑制可能な、および／または、騒音を低減可能な、モータ駆動回路の提供にある。
本発明のある態様は、単相ファンモータを制御するファンモータ駆動回路に関する。ファンモータ駆動回路は、単相ファンモータと接続されるＨブリッジ回路の出力相の切り替わりの前後にわたるソフトスイッチング期間において、時間とともにデューティ比が第１方向に変化する第１ＰＷＭ信号と、第１ＰＷＭ信号のデューティ比が変化するのと同時にデューティ比が第１方向と反対の第２方向に変化する第２ＰＷＭ信号と、を生成する駆動信号生成部と、第１ＰＷＭ信号にもとづいてＨブリッジ回路の一方のレグを駆動し、第２ＰＷＭ信号にもとづいてＨブリッジ回路の他方のレグを駆動するプリドライバと、を備える。
本発明の別の態様は、冷却装置である。この冷却装置は、単相ファンモータと、出力が単相ファンモータと接続されるＨブリッジ回路と、単相ファンモータのロータの位置を示すホール信号を生成するホール素子と、ホール信号にもとづいて、Ｈブリッジ回路の出力相を切り替えるとともに、切替の前後にわたるソフトスイッチング期間において、Ｈブリッジ回路の一方のレグの出力電圧のデューティ比を時間とともに緩やかに変化させ、それと並行してＨブリッジ回路の他方のレグの出力電圧のデューティ比を、一方のレグの出力電圧のデューティ比に対して逆向きに変化させる駆動回路と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、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、コイル電流の歪みを抑制し、および／または、騒音を低減できる。
図１（ａ）、（ｂ）は、ＰＷＭ駆動の際のＨブリッジ回路の状態遷移を示す図である。 ＰＷＭソフトスイッチングを説明する波形図である。 図３（ａ）は、Ｌ＝０．５７ｍＨのノートパソコン用のファンモータを駆動したときの波形を示し、図３（ｂ）はＬ＝０．１５ｍＨの超小型ファンモータを駆動したときの波形を示す図である。 実施の形態に係る冷却装置のブロック図である。 図４の冷却装置の動作波形図である。 Ｈブリッジ回路の動作波形図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、１スイッチングサイクルの間にＨブリッジ回路が取り得る状態を示す図である。 図８（ａ）は、従来の駆動方式によってインダクタンスの小さいモータを駆動したときの波形図であり、図８（ｂ）は、実施の形態に係る駆動方式によって同じモータを駆動したときの波形図である。 第１実施例に係るファンモータ駆動ＩＣを備える冷却装置の回路図である。 図９のファンモータ駆動ＩＣの動作波形図である。 第２実施例に係るファンモータ駆動ＩＣを備える冷却装置の回路図である。 図１１のファンモータ駆動ＩＣの動作波形図である。 第１変形例に係る制御を示す波形図である。 図１４（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るデューティ比制御を示す波形図である。 実施の形態に係る冷却装置を備える電子機器を示す図である。
（実施の形態の概要）
本明細書に開示される一実施の形態は、単相ファンモータを制御するファンモータ駆動回路に関する。駆動回路は、単相ファンモータと接続されるＨブリッジ回路の出力相の切り替わりの前後にわたるソフトスイッチング期間において、時間とともにデューティ比が第１方向に変化する第１ＰＷＭ信号と、第１ＰＷＭ信号のデューティ比が変化するのと同時にデューティ比が第１方向と反対の第２方向に変化する第２ＰＷＭ信号と、を生成する駆動信号生成部と、第１ＰＷＭ信号にもとづいてＨブリッジ回路の一方のレグを駆動し、第２ＰＷＭ信号にもとづいてＨブリッジ回路の他方のレグを駆動するプリドライバと、を備える。
この態様によると、Ｈブリッジ回路の２つのレグの出力を同時にスイッチングすることにより、モータコイルに印加される電圧のスイッチング周波数を、みかけ上、ＰＷＭ周波数の２倍とすることができる。これにより、コイル電流の歪みを抑制し、および／または、騒音を低減できる。逆に言えば、同じコイル駆動特性を得るために必要なＰＷＭ周波数を、従来に比べて１／２に低下することができる。
ソフトスイッチング期間の間、第１ＰＷＭ信号と第２ＰＷＭ信号のデューティ比の合計は一定であってもよい。すなわち、２つのデューティ比を相補的に変化させることで、共通の波形制御パターンを利用できるため、それらを生成するためのハードウェアを簡素化でき、あるいはメモリ容量を減らすことができる。
駆動信号生成部は、第１周期信号を生成する第１周期信号発生器と、第１周期信号と逆相の第２周期信号を生成する第２周期信号発生器と、ソフトスイッチング期間において、時間とともに増大し、または時間とともに減少する波形制御パターンを生成するパターン発生器と、波形制御パターンを第１周期信号と比較し、比較結果にもとづく第１ＰＷＭ信号を生成する第１比較器と、波形制御パターンを第２周期信号と比較し、比較結果にもとづく第２ＰＷＭ信号を生成する第２比較器と、を含んでもよい。
通常駆動期間において、第１ＰＷＭ信号および第２ＰＷＭ信号のデューティ比の差分が、単相ファンモータの目標回転数に応じて可変であってもよい。これにより、回転数制御とソフトスイッチング制御を両立できる。
第１ＰＷＭ信号および第２ＰＷＭ信号のデューティ比の合計が１００％であってもよい。これにより、通常駆動期間における駆動電圧の実効的なＰＷＭ周波数と、ソフトスイッチング期間における駆動電圧の実効的なＰＷＭ周波数を揃えることができる。
通常駆動期間において、第１ＰＷＭ信号および第２ＰＷＭ信号のデューティ比の一方は０％であってもよい。
駆動信号生成部は、第１周期信号を生成する第１周期信号発生器と、第１周期信号と逆相の第２周期信号を生成する第２周期信号発生器と、ソフトスイッチング期間において、第１値から第２値に向かって時間とともに増大し、または第２値から第１値に向かって時間とともに減少する波形制御パターンを生成するパターン発生器と、波形制御パターンを目標回転数に応じた係数でスケーリングするスケーラと、スケーラの出力を第１周期信号と比較し、比較結果にもとづく第１ＰＷＭ信号を生成する第１比較器と、スケーラの出力を第２周期信号と比較し、比較結果にもとづく第２ＰＷＭ信号を生成する第２比較器と、を含んでもよい。
第１周期信号および第２周期信号は三角波であってもよい。これにより、第１ＰＷＭ信号と第２ＰＷＭ信号を逆相とすることができる。
駆動信号生成部は、単相ファンモータのロータの位置を示すホール信号にもとづいて、ソフトスイッチング期間を設定してもよい。
ファンモータ駆動回路は、ホール信号を生成するホール素子をさらに備えてもよい。
ファンモータ駆動回路は、ひとつの半導体基板に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。回路を１つのチップ上に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とともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
ファンモータ駆動回路には、Ｈブリッジ回路がさらに集積化されてもよい。
（実施の形態）
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、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その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、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。
図４は、実施の形態に係る冷却装置１００のブロック図である。冷却装置１００は、ファンモータ１０２、Ｈブリッジ回路１０４、ホール素子１０６、制御回路１０８を備える。
Ｈブリッジ回路１０４の出力は、単相のファンモータ１０２と接続される。Ｈブリッジ回路１０４は、２つのレグ１１０，１１２を有する。第１レグ１１０は、上アームであるハイサイドトランジスタＭＨ１と下アームであるローサイドトランジスタＭＬ１を含む。同様に、第２レグ１１２は、上アームであるハイサイドトランジスタＭＨ２と下アームであるローサイドトランジスタＭＬ２を含む。第１レグ１１０の出力を電圧ＶＯＵＴ１と表記し、第２レグ１１２の出力を電圧ＶＯＵＴ２と表記する。
ホール素子１０６は、ファンモータ１０２のロータの位置を示すホール信号Ｈ＋、Ｈ−を生成する。制御回路１０８は、ホール信号Ｈ＋、Ｈ−にもとづいて、Ｈブリッジ回路１０２の出力相を切り替える。
制御回路１０８は、ＰＷＭソフトスイッチング機能を備える。制御回路１０８は、出力相の切替の前後にわたるソフトスイッチング期間Ｔｓｓにおいて、Ｈブリッジ回路１０２の一方のレグ１１０の出力電圧ＶＯＵＴ１のデューティ比を時間とともに緩やかに変化させる。制御回路１０８は、それと並行してＨブリッジ回路１０２の他方のレグ１１２の出力電圧ＶＯＵＴ２のデューティ比を、一方のレグの出力電圧のデューティ比に対して逆向きに変化させる。２つのレグ１１０，１１２の出力電圧ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２のデューティ比は、それらの合計は一定となるように相補的に変化させるとよい。
以上が冷却装置１００の基本構成である。続いてその動作を説明する。
図５は、図４の冷却装置１００の動作波形図である。時刻ｔ０が、コイル電流の向きが反転する電流ゼロクロス点である。この電流ゼロクロス点と一致するように、あるいはその近傍に、出力相の切りかえタイミングが設定され、それを含むようにソフトスイッチング期間Ｔｓｓが設けられる。ＤＵＴＹ１は、出力電圧ＶＯＵＴ１のデューティ比を、ＤＵＴＹ２は出力電圧ＶＯＵＴ２のデューティ比を示す。
従来のソフトスイッチング（図２）との相違は、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓの前半において、ＶＯＵＴ１のデューティ比ＤＵＴＹ１のみでなく、ＶＯＵＴ２のデューティ比ＤＵＴＹ２が変化している点である。また、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓの後半において、ＶＯＵＴ２のデューティ比ＤＵＴＹ２のみでなく、ＶＯＵＴ１のデューティ比ＤＵＴＹ１も変化している。本明細書においてこれをＷＰＭＷ駆動と称する。
言い換えれば、出力電圧ＶＯＵＴ１のデューティ比ＤＵＴＹ１は、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓの全体をかけて、最大値（ここでは１００％）から０％まで変化する。出力電圧ＶＯＵＴ２のデューティ比ＤＵＴＹ２も、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓの全体をかけて、０％から最大値（１００％）変化する。
図６は、Ｈブリッジ回路１０４の動作波形図である。ここでは、連続する２サイクルでデューティ比が８０％、７０％と変化するときの例を示す。実際には、サイクルごとにデューティ比はさらに細かいステップで減少（増加）する。駆動電圧ＶＯＵＴ１−ＶＯＵＴ２は、モータコイルに印加される電圧を表す。
図７（ａ）〜（ｃ）は、１スイッチングサイクルの間にＨブリッジ回路１０４が取り得る状態を示す図である。
図６、図７（ａ）〜（ｃ）には図示しないが、実際には、貫通電流を防止するために、各レグのハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタが同時にオフするデッドタイムが挿入される。
以上が冷却装置１００の動作である。
この冷却装置１００によれば、Ｈブリッジ回路１０２の２つのレグを両方ＰＷＭ駆動することにより、図５に示すコイルの両端間電圧（駆動電圧）ＶＣＯＩＬ＝ＶＯＵＴ１−ＶＯＵＴ２の実効的なスイッチング周波数を、ＰＷＭ周波数の２倍に高めることができる。これにより、コイル電流ＩＣＯＩＬの歪みを抑制できる。コイル電流ＩＣＯＩＬの歪みを抑制することで、ひいてはファンモータの騒音を低減できる。
図８（ａ）は、従来の駆動方式によってインダクタンスの小さいモータを駆動したときの波形図であり、図８（ｂ）は、実施の形態に係る駆動方式によって同じモータを駆動したときの波形図である。図８（ａ）では、５０ｋＨｚのＰＷＭ信号が用いられ、コイル電流ＩＣＯＩＬには歪みが生じている。
図８（ｂ）では、２００ｋＨｚのＰＷＭ信号が用いられ、したがってコイルの両端間電圧ＶＣＯＩＬの実効的な周波数は４００ｋＨｚである。この場合、コイル電流ＩＣＯＩＬの歪みは解消される。
すなわち、従来の駆動方式でコイル電流の歪みを抑制しようとすれば、ＰＷＭ周波数を４００ｋＨｚまで高めなければならないところ、実施の形態に係る駆動方式ではその半分の２００ｋＨｚで足りる。ＰＷＭ周波数を下げることができれば、駆動回路の動作周波数、ひいては消費電力を低減できる。
本発明は上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や変形例を説明する。
（第１実施例）
図９は、第１実施例に係るファンモータ駆動ＩＣ２００を備える冷却装置１００の回路図である。ファンモータ駆動ＩＣ２００は、図４のＨブリッジ回路１０４、ホール素子１０６、制御回路１０８を集積化した機能ＩＣである。
ファンモータ駆動ＩＣ２００は、Ｈブリッジ回路２１０、プリドライバ２２０、位置検出回路２３０、駆動信号生成部２４０を備える。
Ｈブリッジ回路２１０は、第１レグ２１２、第２レグ２１４を含む。第１レグ２１２の出力は、第１出力（ＯＵＴ１）ピンを介してファンモータ１０２の一端と接続され、第２レグ２１４の出力は、第２出力（ＯＵＴ２）ピンを介してファンモータ１０２の他端と接続される。
位置検出回路２３０は、ファンモータ１０２のロータの位置を示すＦＧ信号を生成する。位置検出回路２３０は、たとえばホール素子、ホールアンプ、ホールコンパレータを含んでもよい。具体的には、ホール素子が生成する相補的な２つのホール信号を増幅し、増幅後のホール信号を比較し、矩形波のＦＧ信号を生成してもよい。ホール素子は、ファンモータ駆動ＩＣ２００に集積化してもよいし、外付けの素子を用いてもよい。
プリドライバ２２０は、ＦＧ信号と同期して、Ｈブリッジ回路２１０の出力相を切り替える。たとえばＦＧ信号が第１レベル（たとえばロー）の区間は、第１レグの出力電圧ＶＯＵＴ１を有効とし、第２レグの出力をゼロとする。またＦＧ信号が第２レベル（たとえばハイ）の区間は、第２レグの出力電圧ＶＯＵＴ２を有効とし、第１レグの出力をゼロとする。
駆動信号生成部２４０は、ＦＧ信号にもとづいてソフトスイッチング期間Ｔｓｓを設定する。ソフトスイッチング期間Ｔｓｓの設定方法は特に限定されず、従来技術を用いればよい。たとえばＦＧ信号の周期ＴＦＧをカウンタで測定し、測定した周期ＴＦＧに所定の係数αを乗じて、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓの長さを決定してもよい。
駆動信号生成部２４０は設定したソフトスイッチング期間Ｔｓｓの間、時間とともにデューティ比が第１方向に変化する第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１と、第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１のデューティ比が変化するのと同時に、デューティ比が第１方向と反対の第２方向に変化する第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２と、を生成する。
たとえば、ＦＧ信号がハイからローに遷移するとき、第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１のデューティ比は０％から１００％に向かって増大し、第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２のデューティ比は１００％から０％に向かって減少する。ＦＧ信号がローからハイに遷移するとき、第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１のデューティ比は１００％から０％に向かって減少し、第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２のデューティ比は０％から１００％に向かって増大する。
プリドライバ２２０は、第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１にもとづいてＨブリッジ回路２１０の第１レグ２１２を駆動する。たとえば第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１がハイの区間、ＯＵＴ１ピンに、ハイレベル（ＶＣＣ）の出力電圧ＶＯＵＴ１を発生させ、ローの区間、ＯＵＴ１ピンにローレベル（ＶＧＮＤ）の出力電圧ＶＯＵＴ１を発生させる。具体的には、プリドライバ２２０は、ＳＰＷＭ１＝Ｈのとき、ハイサイドトランジスタＭＨ１をオン、ローサイドトランジスタＭＬ１をオフし、ＳＰＷＭ１＝Ｌのとき、ハイサイドトランジスタＭＨ１をオフ、ローサイドトランジスタＭＬ１をオンする。
またプリドライバ２２０は、第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２にもとづいてＨブリッジ回路２１０の第２レグ２１４を駆動する。たとえば第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２がハイの区間、ＯＵＴ２ピンに、ハイレベル（ＶＣＣ）の出力電圧ＶＯＵＴ２を発生させ、ローの区間、ＯＵＴ２ピンにローレベル（ＶＧＮＤ）の出力電圧ＶＯＵＴ２を発生させる。具体的には、プリドライバ２２０は、ＳＰＷＭ２＝Ｈのとき、ハイサイドトランジスタＭＨ２をオン、ローサイドトランジスタＭＬ２をオフし、ＳＰＷＭ２＝Ｌのとき、ハイサイドトランジスタＭＨ２をオフ、ローサイドトランジスタＭＬ２をオンする。
続いて駆動信号生成部２４０の具体的な構成例を説明する。駆動信号生成部２４０は、パターン発生器２４２、第１周期信号発生器２４４、第２周期信号発生器２４６、第１コンパレータ２４８、第２コンパレータ２５０を含む。パターン発生器２４２は、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓにおいて、時間とともに増大し、または時間とともに減少する波形制御パターンＳＰＴＮを生成する。第１周期信号発生器２４４は、第１周期信号ＳＯＳＣ１を生成する。第２周期信号発生器２４６は、第１周期信号ＳＯＳＣ１と逆相の第２周期信号ＳＯＳＣ２を生成する。好ましくは周期信号ＳＯＳＣ１、ＳＯＳＣ２は、三角波であるが、ランプ波など別の波形を用いてもよい。
第１コンパレータ２４８は、波形制御パターンＳＰＴＮを第１周期信号ＳＯＳＣ１と比較し、比較結果にもとづく第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１を生成する。第２コンパレータ２５０は、波形制御パターンＳＰＴＮを第２周期信号ＳＯＳＣ２と比較し、比較結果にもとづく第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２を生成する。
以上が駆動信号生成部２４０の構成である。続いて図９のファンモータ駆動ＩＣ２００の動作を説明する。
図１０は、図９のファンモータ駆動ＩＣ２００の動作波形図である。パターン発生器２４２は、ＦＧ信号の周期Ｔｐを測定し、それに比例した時間をソフトスイッチング期間Ｔｓｓとしてもよい。ｉ番目のサイクルにおけるソフトスイッチング期間Ｔｓｓｉの長さは、それより前の周期Ｔｐ（ｉ−１）にもとづいて決定される。
Ｔｓｓi＝Ｔｐ（ｉ−１）×Ｋ
ＫはＫ＜１である所定の係数である。
ソフトスイッチングスタート期間Ｔｓｓｉの開始点は、ＦＧ信号の直前のエッジから、ある遅延時間Ｔｄの経過後とすることができる。この遅延時間Ｔｄｉは、１サイクル前のＦＧ信号の周期Ｔｐ（ｉ−１）に比例する。
Ｔｄｉ＝Ｔｐ（ｉ−１）×（１−Ｋ／２）
駆動信号生成部２４０は、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓの間、制御パターンＳＰＴＮを最大値と最小値の間で変化させる。制御パターンＳＰＴＮが変化する向きは、ＦＧ信号のレベルに応じている。この例では、ＦＧ信号がローからハイに遷移するとき、制御パターンＳＰＴＮを増加し、ＦＧ信号がハイからローに遷移するとき、制御パターンＳＰＴＮを減少させる。
この制御パターンＳＰＴＮが、逆相の２つの周期信号ＳＯＳＣ１，ＳＯＳＣ２と比較され、デューティ比が相補的に変化する２つのＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１，ＳＰＷＭ２が生成される。
（第２実施例）
図１１は、第２実施例に係るファンモータ駆動ＩＣ２００Ａを備える冷却装置１００Ａの回路図である。
図９のファンモータ駆動ＩＣ２００では、第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１，第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２のデューティ比の最大値は１００％に固定され、したがってファンモータ１０２の回転数は固定されていた。これに対して、図１１のファンモータ駆動ＩＣ２００Ａはファンモータ１０２の回転数を可変に構成される。具体的には、図１１のファンモータ駆動ＩＣ２００Ａでは、ソフトスイッチング期間以外の通常駆動期間において、ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１，ＳＰＷＭ２のデューティ比の差分｜ＤＵＴＹ１−ＤＵＴＹ２｜が、ファンモータの目標回転数に応じて可変である。
ファンモータ駆動ＩＣ２００Ａは、ファンモータ１０２の目標回転数を示す指令信号を受ける制御端子を備える。この実施例では、制御端子は、目標回転数に比例するデューティ比を有するＰＷＭ信号が入力されるＰＷＭ端子である。駆動デューティ生成部２５２は、ＰＷＭ端子に入力されるＰＷＭ信号のデューティ比に応じたデューティ指令値ＳＤＵＴＹを生成する。デューティ指令値ＳＤＵＴＹは０〜１００％の範囲で変化しうる。
駆動信号生成部２４０は、駆動デューティ比設定部２５２、スケーラ２５４をさらに備える。駆動デューティ比設定部２５２は、目標回転数に応じた係数（デューティ指令値）ＳＤＵＴＹを生成する。スケーラ２５４は、波形制御パターンＳＰＴＮに、デューティ指令値ＳＤＵＴＹを乗算し、スケーリングする。第１コンパレータ２４８、第２コンパレータ２５０には、スケーリング後の波形制御パターンＳＰＴＮ’が供給される。
図１２は、図１１のファンモータ駆動ＩＣ２００Ａの動作波形図である。ここではデューティ指令値ＳＤＵＴＹが５０％のときの動作を示す。
図１１のファンモータ駆動ＩＣ２００Ａによれば、ファンモータの回転数を制御しつつ、ソフトスイッチング期間において、デューティ比を緩やかに変化させることができる。
本実施例では、第１ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１および第２ＰＷＭ信号ＳＰＷＭ２のデューティ比の合計が１００％に保たれる。すなわち通常駆動期間Ｔｎｏｒｍにおいて、Ｈブリッジ回路の両方のレグの電圧ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２がスイッチングし、ＷＰＷＭ駆動を実現できる。これにより通常動作期間Ｔｎｏｒｍにおいても、コイル電流の歪みを抑制できる。また通常駆動期間Ｔｎｏｒｍとソフトスイッチング期間Ｔｓｓの駆動電圧（ＶＯＵＴ１−ＶＯＵＴ２）の実効的なスイッチング周波数を揃えることができる。
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変形例）
図１２の波形図では、ソフトスイッチング期間Ｔｓｓ以外の通常駆動期間Ｔｎｏｒｍにおいても、２つのＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１，ＳＰＷＭ２の両方が非ゼロであったがその限りでない。図１３は、第１変形例に係る制御を示す波形図である。第１変形例では、通常駆動期間Ｔｎｏｒｍにおいて、２つのＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１，ＳＰＷＭ２の一方のデューティ比はゼロに固定される。
通常駆動期間Ｔｎｏｒｍの間は、コイル電流は実質的に一定であるから、波形歪み、ひいてはそれに起因する騒音が問題となりにくい。したがって、通常期間Ｔｎｏｒｍの間は、従来と同様に２つのレグの一方のみをＰＷＭ駆動することができる。
図１３に示す波形図を実現するためのハードウェアの構成は、特に限定されず、当業者によれば、図９の構成を適切に修正すればよいことが理解される。
（第２変形例）
図１４（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るデューティ比制御を示す波形図である。第１、第２実施例では、２つのＰＷＭ信号ＳＰＷＭ１，ＳＰＷＭ２のデューティ比ＤＵＴＹ１，ＤＵＴＹ２を相補的に変化させたがその限りでない。図１４（ａ）に示すように、一方のデューティ比を先行して変化させ、他方のデューティ比をそれに遅らせて変化させてもよい。
また図１４（ｂ）に示すように、一方のデューティ比の変化時間と、他方のデューティ比の変化時間が異なっていてもよい。
（第３変形例）
なお、通常駆動期間において、一方のレグのスイッチングを停止する場合に、停止するレグの出力をハイに固定、すなわちデューティ比を１００％に固定してもよい。
（第４変形例）
図９や図１１では回転数を設定するための制御端子に、ＰＷＭ信号を入力することとしたがその限りでない。たとえば、制御端子に、回転数を示すデジタルの制御信号やアナログの制御信号を入力し、制御信号にもとづいてデューティ比指令値ＳＤＵＴＹを生成してもよい。
あるいは、制御端子にサーミスタやポジスタなどの温度センサを接続し、制御端子に発生する電圧にもとづいてデューティ比指令値ＳＤＵＴＹを生成してもよい。この場合、温度に応じて回転数を制御できる。
（第５変形例）
また本実施の形態に係る駆動方法は、ファンモータの駆動に限定されるものではなく、その他の、コイルのインダクタンスが小さい小型、薄型のモータの駆動にも適用可能である。
（用途）
図１５は、実施の形態に係る冷却装置を備える電子機器を示す図である。たとえば電子機器５００は、サーバ、ノートパソコン、デスクトップコンピュータ、ポータブルコンピュータ、ゲーム機器、プロジェクタ、ＶＲ（Virtual Reality）デバイスをはじめとするさまざまな電子機器である。電子機器５００は、筐体５０２、ＣＰＵ５０４、マザーボード５０６、ヒートシンク５０８、および複数の冷却装置５１０を備える。
ＣＰＵ５０４は、マザーボード５０６上にマウントされる。ヒートシンク５０８は、ＣＰＵ５０４の上面に密着されている。冷却装置５１０＿１は、ヒートシンク５０８と対向して設けられ、ヒートシンク５０８に空気を吹き付ける。冷却装置５１０＿２は、筐体５０２の背面に設置され、筐体５０２の内部に外部の空気を送り込む。
冷却装置５００は、図１５の電子機器５００の他、冷蔵庫や自動車、産業機械などにも搭載することができる。
実施の形態にもとづき、具体的な用語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認められる。
１００ 冷却装置
１０２ ファンモータ
１０４ Ｈブリッジ回路
１０６ ホール素子
１０８ 制御回路
１１０ 第１レグ
１１２ 第２レグ
２００ ファンモータ駆動ＩＣ
２１０ Ｈブリッジ回路
２１２ 第１レグ
２１４ 第２レグ
２２０ プリドライバ
２３０ 位置検出回路
２４０ 駆動信号生成部
２４２ パターン発生器
２４４ 第１周期信号発生器
２４６ 第２周期信号発生器
２４８ 第１コンパレータ
２５０ 第２コンパレータ
２５２ 駆動デューティ比生成部
２５４ スケーラ

Claims (19)

  1. 単相ファンモータを制御するファンモータ駆動回路であって、
    前記単相ファンモータと接続されるＨブリッジ回路の出力相の切り替わりの前後にわたるソフトスイッチング期間において、時間とともにデューティ比が第１方向に変化する第１ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号と、前記第１ＰＷＭ信号のデューティ比が変化するのと同時に、デューティ比が前記第１方向と反対の第２方向に変化する第２ＰＷＭ信号と、を生成する駆動信号生成部と、
    前記第１ＰＷＭ信号にもとづいて前記Ｈブリッジ回路の一方のレグを駆動し、前記第２ＰＷＭ信号にもとづいて前記Ｈブリッジ回路の他方のレグを駆動するプリドライバと、
    を備えることを特徴とするファンモータ駆動回路。
  2. 前記ソフトスイッチング期間の間、前記第１ＰＷＭ信号と前記第２ＰＷＭ信号のデューティ比の合計は一定であることを特徴とする請求項１に記載のファンモータ駆動回路。
  3. 前記駆動信号生成部は、
    第１周期信号を生成する第１周期信号発生器と、
    前記第１周期信号と逆相の第２周期信号を生成する第２周期信号発生器と、
    前記ソフトスイッチング期間において、時間とともに増大し、または時間とともに減少する波形制御パターンを生成するパターン発生器と、
    前記波形制御パターンを前記第１周期信号と比較し、比較結果にもとづく前記第１ＰＷＭ信号を生成する第１比較器と、
    前記波形制御パターンを前記第２周期信号と比較し、比較結果にもとづく前記第２ＰＷＭ信号を生成する第２比較器と、
    を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のファンモータ駆動回路。
  4. 通常駆動期間において、前記第１ＰＷＭ信号および前記第２ＰＷＭ信号のデューティ比の差分が、前記単相ファンモータの目標回転数に応じて可変であることを特徴とする請求項１または２に記載のファンモータ駆動回路。
  5. 前記第１ＰＷＭ信号および前記第２ＰＷＭ信号のデューティ比の合計が１００％であることを特徴とする請求項４に記載のファンモータ駆動回路。
  6. 前記通常駆動期間において、前記第１ＰＷＭ信号および前記第２ＰＷＭ信号のデューティ比の一方は０％または１００％であることを特徴とする請求項４に記載のファンモータ駆動回路。
  7. 前記駆動信号生成部は、
    第１周期信号を生成する第１周期信号発生器と、
    前記第１周期信号と逆相の第２周期信号を生成する第２周期信号発生器と、
    前記ソフトスイッチング期間において、時間とともに増大し、または時間とともに減少する波形制御パターンを生成するパターン発生器と、
    前記波形制御パターンを前記目標回転数に応じた係数でスケーリングするスケーラと、
    前記スケーラの出力を前記第１周期信号と比較し、比較結果にもとづく前記第１ＰＷＭ信号を生成する第１比較器と、
    前記スケーラの出力を前記第２周期信号と比較し、比較結果にもとづく前記第２ＰＷＭ信号を生成する第２比較器と、
    を含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載のファンモータ駆動回路。
  8. 前記第１周期信号および前記第２周期信号は三角波であることを特徴とする請求項３または７に記載のファンモータ駆動回路。
  9. 前記駆動信号生成部は、前記単相ファンモータのロータの位置を示すホール信号にもとづいて、前記ソフトスイッチング期間を設定することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のファンモータ駆動回路。
  10. 前記ホール信号を生成するホール素子をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のファンモータ駆動回路。
  11. ひとつの半導体基板に集積化されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のファンモータ駆動回路。
  12. 前記Ｈブリッジ回路がさらに集積化されることを特徴とする請求項１１に記載のファンモータ駆動回路。
  13. 単相ファンモータと、
    前記単相ファンモータを駆動する請求項１から１２のいずれかに記載のファンモータ駆動回路と、
    を備えることを特徴とする冷却装置。
  14. 請求項１３に記載の冷却装置を備えることを特徴とする電子機器。
  15. 単相ファンモータと、
    出力が前記単相ファンモータと接続されるＨブリッジ回路と、
    前記単相ファンモータのロータの位置を示すホール信号を生成するホール素子と、
    前記ホール信号にもとづいて、前記Ｈブリッジ回路の出力相を切り替えるとともに、切替の前後にわたるソフトスイッチング期間において、前記Ｈブリッジ回路の一方のレグの出力電圧のデューティ比を時間とともに緩やかに変化させ、それと並行して前記Ｈブリッジ回路の他方のレグの出力電圧のデューティ比を、前記一方のレグの出力電圧のデューティ比に対して逆向きに変化させる制御回路と、
    を備えることを特徴とする冷却装置。
  16. 通常駆動期間において、前記Ｈブリッジ回路の２つのレグの出力電圧のデューティ比の差分が、前記単相ファンモータの目標回転数に応じて可変であることを特徴とする請求項１５に記載の冷却装置。
  17. 前記Ｈブリッジ回路の２つのレグの出力電圧のデューティ比の合計が１００％であることを特徴とする請求項１６に記載の冷却装置。
  18. 前記通常駆動期間において、前記Ｈブリッジ回路の一方のレグの出力電圧のデューティ比の一方は０％または１００％であることを特徴とする請求項１６に記載の冷却装置。
  19. 単相ファンモータの駆動方法であって、
    前記単相ファンモータのロータの位置を示すホール信号を生成するステップと、
    前記ホール信号にもとづいて、Ｈブリッジ回路の出力相を切り替えるステップと、
    前記出力相の切替の前後にわたりソフトスイッチング期間を設けるステップと、
    前記ソフトスイッチング期間において、前記Ｈブリッジ回路の一方のレグの出力電圧のデューティ比を時間とともに緩やかに変化させ、それと並行して前記Ｈブリッジ回路の他方のレグの出力電圧のデューティ比を、前記一方のレグの出力電圧のデューティ比に対して逆向きに変化させるステップと、
    を備えることを特徴とする駆動方法。
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