JP6339000B2 - ファン回転数制御回路およびそれを備える電源ユニット - Google Patents

Description

本発明は、入力信号のデューティ比に応じてファンの回転数をパルス幅変調（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation:以下、ＰＷＭと記す）制御するファン回転数制御回路、およびそれを備える電源ユニットに関するものである。

従来、自動車に搭載されたラジエータ等を冷却する、例えば、特許文献１に開示された自動車用冷却装置が知られている。冷却はラジエータ等にファンによって風を当てることで行われ、自動車用冷却装置には、ファンの回転を所定の回転数に制御するファン回転数制御回路が備えられている。ファンは電動モータによって駆動され、電動モータへの通電をＭＯＳトランジスタで制御することで、ファンの回転数は所定の回転数に制御される。ＭＯＳトランジスタのゲートには、抵抗とコンデンサとで構成される積分回路が設けられている。リレースイッチがオンされて電動モータが起動される時、この積分回路によってＭＯＳトランジスタのゲートに印加される電圧の立ち上がりが遅延され、電動モータの起動時に生じる突入電流が低減される。

一方、同文献にも開示されているように、電動モータに印加される電圧のデューティ比を制御することで、ファンの回転数をＰＷＭ制御するファン回転数制御回路も知られている。このファン回転数制御回路では、電動モータの起動時にＰＷＭ制御信号のデューティ比を徐々に大きくすることで、電動モータの起動時に生じる突入電流が低減される。

ファンの回転数をＰＷＭ制御するこのようなファン回転数制御回路としては、例えば図１に示される構成をした電源ユニット（電源盤）１に具備されるものもある。ファン２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から電源供給を受けて動作し、装置４から出力されるＰＷＭ制御信号Ｓによって回転数Ｎが制御されて、装置４を冷却する。フォトカプラ５を構成するフォトトランジスタＱ０には、抵抗Ｒ１，Ｒ２により、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から電圧が印加されている。フォトカプラ５を構成するフォトダイオードＤには、装置４から出力されるＰＷＭ制御信号Ｓがコネクタ６および抵抗Ｒ３を介して印加される。Ａ点の電位ＶAがＰＷＭ制御信号Ｓによってハイレベルになると、フォトダイオードＤに電流が流れてフォトトランジスタＱ０がオンし、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路に電流Ｉdが流れる。電流Ｉdが抵抗Ｒ２を流れることで、トランジスタＱ１のゲートに電圧が印加されて、トランジスタＱ１はオンする。トランジスタＱ１がオンすることで、Ｅ点の電位ＶEはロウレベルとなる。Ｅ点の電位ＶEはファン２のコントロール（ＣＯＮＴＲ）端子の電位と同電位になっている。

ファン２の回転数Ｎは、ＰＷＭ制御信号ＳによってＣＯＮＴＲ端子に上記のように与えられるＥ点の信号のデューティ比ｄによって制御され、図２のタイミングチャートに示すように、ＣＯＮＴＲ端子に与えられる信号のデューティ比ｄが大きくなるのに連れて、増加する。つまり、ファン２の回転数Ｎは、同図（ａ）に示すデューティ比ｄ＝０の時に最低速となり、同図（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すようにデューティ比ｄ＝０．２５，０．５，０．７５と大きくなるのに連れて、増加する。そして、同図（ｅ）に示すようにデューティ比ｄ＝１になると、最高速となる。

図３（ａ）はＡ点の電位ＶA、同図（ｂ）はＥ点の電位ＶEの変化の一例を示す。同図（ａ），（ｂ）に示すように、Ｅ点の電位ＶEは、ＰＷＭ制御信号ＳによるＡ点の電位ＶAを反転した電位になっている。

特開平１１−２２９８７５号公報

しかしながら、ファン２の回転数Ｎを上記のようにＰＷＭ制御する、上記従来の図１に示すようなファン回転数制御回路においても、突入電流が発生することがある。

例えば、図３（ｃ）に示すＡ点の電位ＶAのように、ＰＷＭ制御信号Ｓが最低速の回転数Ｎを指令するハイレベルの状態から最高速の回転数Ｎを指令するロウレベルの状態に変化すると、Ｅ点の電位ＶEつまりＣＯＮＴＲ端子の電位は、同図（ｄ）に示すように、デューティ比ｄ＝０のロウレベル状態からデューティ比ｄ＝１のハイレベル状態に階段状に急激に変化する。ファン２はその回転数Ｎが大きいほど、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から供給される電流Ｉdを消費する。このため、電流Ｉdは、ＣＯＮＴＲ端子の電位が反転して回転数Ｎが最低速から最高速に変化するタイミングに、同図（ｅ）に示すように急激に増加し、突入電流となる。この突入電流Ｉdの大きさは定常時に比べて３倍程度になる。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、突入電流Ｉdが発生した場合にも、その大きさの電流を供給できる電流容量のものを選定する必要がある。

また、電源ユニット１が装置４から取り外されて、コネクタ６が切り離されてしまったような場合には、装置４側からの指令が無くなってＡ点の電位ＶAはロウレベルになる。このため、フォトカプラ５が動作しないのでトランジスタＱ１がオフになり、ＣＯＮＴＲ端子の電位は、電源ユニット１が取り外されたタイミングに、最高速を指令するデューティ比ｄ＝１のハイレベル状態に急激に変化する。したがって、この場合にも、ファン２が消費する電流Ｉdは、図３（ｅ）に示すように急激に大きくなり、突入電流となる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、一般的に出力過電流保護回路を具備しており、過電流出力時には出力電圧を垂下させて、内部回路を保護している。出力過電流保護回路の中には、その垂下がある時間を経過する場合に、さらに、電源出力を停止する保護機能を備えるものも、存在する。したがって、突入電流Ｉdの大きさの電流を供給できないＤＣ−ＤＣコンバータ３を使用した場合には、出力過電流保護回路によって出力電圧が垂下し、中には電源出力が停止してしまうような事象が発生する場合もある。このような事象が生じるのを防止するためには、電源ユニット１に使用するＤＣ−ＤＣコンバータ３に電流容量の大きなものを選定する必要がある。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の外形寸法は大型化し、また、その価格は高価なものになる。このため、従来、電源ユニット１の小型化および低価格化を図ることは難しかった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
入力信号のデューティ比に応じてファンの回転数をＰＷＭ制御するファン回転数制御回路において、
入力信号の電圧レベルを平滑化して入力信号を平滑化電圧に変換する平滑化回路と、
平滑化電圧の最大電圧レベルと同じ大きさの振幅で入力信号と同じ周波数の三角波を発生する三角波発生回路と、
平滑化電圧の電圧レベルを三角波の電圧レベルと比較して平滑化電圧をパルス幅変調するパルス幅変調回路と
を備えて、ファン回転数制御回路を構成した。

本構成によれば、ファンの回転数を低速回転から急激に高速回転させる電圧レベルに入力信号が変化する場合、その変化は、平滑化回路によって平滑化電圧のなだらかなスロープ状の変化に変換される。平滑化電圧のこのなだらかな電圧変化は、三角波発生回路から出力される三角波の電圧レベルとパルス幅変調回路において比較されることで、パルス幅変調される。したがって、ファンに与えられるＰＷＭ制御信号は、入力信号の電圧レベルが急激に変化するのに応じて、デューティ比が徐々に変化するようになる。このため、入力信号の電圧レベルが急激に変化しても、ファンの回転数は急激に変化しなくなり、徐々に増加するようになる。よって、ファンで消費される電流も徐々に増加するようになり、ファンを駆動するための電流は、従来のように急激に増加する突入電流になることはない。この結果、ファンに電流を供給する電源に過大な負荷がかからなくなり、従来のように電源の出力電圧が垂下したり、電源出力が停止したりするような事象は発生しなくなる。

また、本発明は、装置を冷却するファンと、ファンに電源供給する電源と、装置から出力されるＰＷＭ制御信号を入力するコネクタと、コネクタから入力されるＰＷＭ制御信号によってファンの回転数を制御する上記のファン回転数制御回路とを備える電源ユニットを構成した。

本構成によれば、電源ユニットは、コネクタを介して装置からＰＷＭ制御信号を入力する。そして、入力したＰＷＭ制御信号をファン回転数制御回路において平滑化電圧に変換し、変換した平滑化電圧を三角波の電圧と比較してパルス幅変調する。ファンは、電源から供給される電流によって駆動され、ファン回転数制御回路でパルス幅変調された制御信号により回転数が制御されて、装置を冷却する。したがって、ファンを低速回転から急激に高速回転させるＰＷＭ制御信号の指令が装置側から来た場合や、電源ユニットが装置から取り外されてコネクタにおける装置との接続が切り離された場合に、コネクタからファン回転数制御回路に入力される電圧のレベルが最高速の電圧レベルに急激に変化しても、ファンで消費される電流は上記のように徐々に増加し、従来のように急激に増加する突入電流になることはない。このため、電源ユニットに具備する電源として、従来のように突入電流を考慮した大きさの電流容量を持つ電源を選定する必要は無くなり、定常時の電流を供給できるだけの電流容量を持つ電源を使用できる。この結果、電源ユニットに具備する電源を小型化かつ低価格化することができ、したがって、電源ユニットの小型化および低価格化を図ることが可能になる。

また、本発明は、
平滑化回路がコンデンサと抵抗とからなる積分回路によって構成され、
三角波発生回路が、方形波を出力するシュミット回路と、シュミット回路から出力される方形波を積分して三角波を出力する積分回路とから構成され、
パルス幅変調回路が、平滑化回路から出力される平滑化電圧の電圧レベルと三角波発生回路から出力される三角波の電圧レベルとを比較するコンパレータによって構成される
ことを特徴とする。

本構成によれば、コンデンサと抵抗とからなる積分回路により、ファン回転数制御回路に入力される信号の電圧レベルが平滑化され、入力信号は平滑化電圧に変換される。また、この平滑化電圧と電圧レベルが比較される三角波は、シュミット回路から出力される方形波が積分回路で積分されることで、生成される。平滑化電圧は、この三角波と電圧レベルがコンパレータで比較されることでパルス幅変調され、パルス幅変調された制御信号がファンに与えられて、ファンの回転数がＰＷＭ制御される。

本発明によれば、ファンの回転数を制御する信号が低速回転から急激にファンを高速回転させる電圧レベルに変化しても、ファンに電流を供給する電源の出力電圧が垂下したり、電源出力が停止したりするような事象を発生させることのないファン回転数制御回路を提供することができる。また、このファン回転数制御回路を電源ユニットに具備することで、電源ユニットの小型化および低価格化を図ることが可能になる。

従来のファン回転数制御回路およびそれを備える従来の電源ユニットの回路図である。 ファンの回転数が制御信号のデューティ比によって制御されることを示すタイミングチャート図である。 図１に示す回路各部の電圧変化および電流変化を示すタイミングチャート図である。 本発明の一実施形態による電源ユニットの使用態様例を示す斜視図である。 図４に示す一実施形態による電源ユニットおよびそれに備えられるファン回転数制御回路の回路図である。 一実施形態によるファン回転数制御回路に入力される信号が通常時の電圧変化をする場合における、図５に示す回路各部の電圧変化を示すタイミングチャート図である。 一実施形態によるファン回転数制御回路に入力される信号がファンの回転数を急激に増加させる電圧変化をした場合における、図５に示す回路各部の電圧変化および電流変化を示すタイミングチャート図である。

次に、本発明の一実施形態によるファン回転数制御回路およびそれを備える電源ユニットについて説明する。

図４は、この一実施形態による電源ユニット２１の使用態様例を示す斜視図であり、図５は、その内部回路構成を示す回路図である。なお、図４および図５において、図１と同一または相当する部分には同一符号を付して説明する。

電源ユニット２１は、図４に示すように、パーソナルコンピュータ等の装置４に着脱自在に設けられ、ケーブル８およびコネクタ７を介して入力される直流（ＤＣ）４８Ｖを装置４に供給すると共に、ファン２によって装置４の内部を冷却する。図５は、電源ユニット２１が装置４に取り付けられた状態の回路構成を示しており、電源ユニット２１はコネクタ６を介して装置４に接続される。

平滑化回路９、三角波発生回路１０およびコンパレータ１１は、本実施の形態によるファン回転数制御回路を構成する。電源ユニット２１は、装置４を冷却するファン２と、ファン２に電源供給する電源であるＤＣ−ＤＣコンバータ３と、装置４から出力されるＰＷＭ制御信号Ｓを入力するコネクタ６と、コネクタ６から入力されるＰＷＭ制御信号Ｓによってファン２の回転数を制御する上記のファン回転数制御回路とを備えて構成される。

ファン回転数制御回路は、ＰＷＭ制御信号Ｓをコネクタ６を介してフォトカプラ５に取り込み、ＰＷＭ制御信号Ｓのデューティ比に応じてファン２の回転数を制御する。フォトカプラ５を構成するフォトダイオードＤには抵抗Ｒ３が直列に接続されており、Ａ点の電位ＶAが入力信号であるＰＷＭ制御信号Ｓによってハイレベルになると、フォトダイオードＤに電流が流れて、フォトカプラ５を構成するフォトトランジスタＱ０がオンする。フォトトランジスタＱ０のコレクタ・エミッタ間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から出力されるＤＣ１２Ｖが抵抗Ｒ１４および抵抗Ｒ１３によって分圧された電圧が印加されている。したがって、フォトトランジスタＱ０がオンすると、フォトトランジスタＱ０のコレクタ・エミッタ間に電流が流れ、フォトトランジスタＱ０に直列に接続されたコンデンサＣ４が充電される。

図６は、図５に示す回路各部の電圧変化を示すタイミングチャート図である。Ａ点の電位ＶAがＰＷＭ制御信号Ｓによって例えば図６（ａ）に示すように変化すると、Ｂ点の電位ＶBは同図（ｂ）に示すように変化する。

平滑化回路９は、上記の抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ４に加え、抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ３とから構成される第１の積分回路と、ボルテージホロワ１２と、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ１とから構成される第２の積分回路とから構成される。図６（ｂ）に示すＢ点の電位ＶBは、これら第１および第２の各積分回路によって平滑化され、図６（ｃ）に示す平滑化電圧に変換されて、Ｃ点の電位ＶCになる。つまり、平滑化回路９は、図６（ａ）に示すＰＷＭ制御信号Ｓの電圧レベルを平滑化して、図６（ｃ）に示す平滑化電圧に変換する。この際、ボルテージホロワ１２は、その高入力インピーダンスにより、第２の積分回路を構成する抵抗Ｒ６とコンデンサＣ１の各素子定数が第１の積分回路から影響を受けないようにしている。

三角波発生回路１０は、方形波を出力するオペアンプ１３から成るシュミット回路と、このシュミット回路から出力される方形波を積分して三角波を出力する、抵抗Ｒ７，コンデンサＣ２およびオペアンプ１４から成る積分回路とから構成される。オペアンプ１３の反転入力端子およびオペアンプ１４の非反転入力端子には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から出力されるＤＣ１２Ｖが抵抗Ｒ１０および抵抗Ｒ１１によって分圧された電圧が、基準電圧ｅ０として印加されている。

オペアンプ１３が出力する方形波の＋側飽和電圧（＋ＥS）は、抵抗Ｒ７を介してオペアンプ１４の反転入力端子に入力されて積分され、オペアンプ１４の出力電圧ｅ２は速やかに低下する。ところが、オペアンプ１３の非反転入力端子には、各オペアンプ１３，１４の出力電圧ｅ１，ｅ２の差を抵抗Ｒ８，Ｒ９で分圧した電圧ｅRが印加されているので、オペアンプ１４の出力電圧ｅ２の低下に伴い、オペアンプ１３の非反転入力端子に印加される電圧ｅRも低下する。そして、オペアンプ１３の非反転入力端子に印加される電圧ｅRがその反転入力端子に与えられる基準電圧ｅ０にまで下がると、オペアンプ１３の出力電圧ｅ１は方形波の−側飽和電圧（−ＥS）に反転し、これと同時にオペアンプ１３の非反転入力端子に印加される電圧ｅRも−側に大きく低下する。オペアンプ１３の出力電圧ｅ１が反転すると、オペアンプ１４は方形波の−側飽和電圧（−ＥS）を積分するので、オペアンプ１４の出力電圧ｅ２は上昇を開始する。したがって、オペアンプ１３の非反転入力端子に印加される電圧ｅRも上昇して行き、やがて基準電圧ｅ０に達すると、オペアンプ１３の出力電圧ｅ１は再び方形波の＋側飽和電圧（＋ＥS）に反転する。この動作が繰り返されるので、オペアンプ１４の出力から三角波が得られる。

三角波の振幅は、方形波の飽和電圧ＥSの絶対値および抵抗Ｒ８，Ｒ９の各値によって調整され、三角波の周波数は抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９およびコンデンサＣ２の各値によって調整される。本実施形態における三角波発生回路１０は、Ｃ点に現れる平滑化電圧の最大電圧レベルと同じ大きさの振幅で、ＰＷＭ制御信号Ｓと同じ周波数の、例えば、図６（ｄ）に示す三角波を発生し、Ｄ点の電位ＶDとする。

コンパレータ１１は、パルス幅変調回路を構成し、平滑化回路９から出力される平滑化電圧の電圧レベルと三角波発生回路１０から出力される三角波の電圧レベルとを比較して、平滑化電圧をパルス幅変調する。コンパレータ１１の各入力端子に設けられた抵抗Ｒ４および抵抗Ｒ５は、コンパレータ１１の各入力端子の入力インピーダンスを等しく設定するためのものである。コンパレータ１１は、例えば、図６（ｃ）に実線で示され、同図（ｄ）に点線で示される平滑化電圧の電圧レベルを、同図（ｄ）に示すように三角波の電圧レベルと比較して、平滑化電圧をパルス幅変調する。コンパレータ１１の出力電圧は抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２によって分圧され、分圧された電圧はトランジスタＱ１のベースに印加される。

したがって、トランジスタＱ１はコンパレータ１１の出力によって導通制御され、Ｅ点の電位ＶEつまりファン２のＣＯＮＴＲ端子の電位は、図６（ｅ）に示すように変化する。この電位変化は、図６（ａ）に示すＰＷＭ制御信号Ｓが反転されて、ＰＷＭ制御信号Ｓから一定時間遅れたＰＷＭ制御信号になる。ファン２は、ＣＯＮＴＲ端子に入力されるこの制御信号のデューティ比ｄに応じて、図２に示したようにその回転数ＮがＰＷＭ制御される。したがって、ファン回転数制御回路は、ＣＯＮＴＲ端子に入力される制御信号のデューティ比ｄに応じて、すなわち、ＰＷＭ制御信号Ｓのデューティ比に応じて、ファン２の回転数Ｎを制御することになる。

このようなファン回転数制御回路において、Ａ点の電位ＶAとして現れるコネクタ６への入力信号が、図７（ａ）に示すように、ファン２の最低速の回転数Ｎを指令するハイレベルから、最高速の回転数Ｎを指令するロウレベルの電圧レベルに階段状に急激に変化する場合、その変化は、平滑化回路９により、図７（ｂ）に示すＢ点の電位ＶBを経て、図７（ｃ）のＣ点の電位ＶCに示す平滑化電圧のなだらかなスロープ状の変化に変換される。平滑化電圧のこのなだらかな電圧変化は、三角波発生回路１０から出力される図７（ｄ）に示す三角波の電圧レベルとコンパレータ１１において比較されることで、パルス幅変調される。

したがって、ファン２のＣＯＮＴＲ端子に与えられる制御信号は、ファン回転数制御回路に入力される信号が図７（ａ）に示す最低速のハイレベルから最高速のロウレベルに電圧レベルが階段状に急激に変化するのに応じて、図７（ｅ）に示すＥ点の電位ＶEのように、デューティ比ｄが徐々に大きくなるように変化する。このため、Ａ点の電位ＶAが急激に変化しても、ファン２の回転数は急激に変化しなくなり、徐々に増加するようになる。よって、ファン２で消費される電流Ｉｄも、図７（ｆ）に示すように徐々に増加するようになり、ファン２を駆動するための電流Ｉｄは、従来のように急激に増加する突入電流になることはない。この結果、ファン２に電流Ｉｄを供給するＤＣ−ＤＣコンバータ３に過大な負荷がかからなくなり、従来のようにＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧が垂下したり、電源出力が停止したりするような事象は発生しなくなる。

また、電源ユニット２１は、上記のように、コネクタ６を介して装置４からＰＷＭ制御信号Ｓを入力する。そして、入力したＰＷＭ制御信号Ｓをファン回転数制御回路において上記のように平滑化電圧に変換し、変換した平滑化電圧を三角波電圧と比較してパルス幅変調する。ファン２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から供給される電流Ｉｄによって駆動され、ＣＯＮＴＲ端子に入力される、ファン回転数制御回路でパルス幅変調された制御信号により回転数Ｎが制御されて、装置４を冷却する。

したがって、ファン２を低速回転から急激に高速回転させるＰＷＭ制御信号Ｓの指令が装置４側から来た場合や、電源ユニット２１が装置４から取り外されてコネクタ６における装置４との接続が切り離された場合に、コネクタ６からファン回転数制御回路に入力される電圧が、図７（ａ）に示すように、最低速のハイレベルから最高速のロウレベルに電圧レベルが階段状に急激に変化しても、ファン２で消費される電流Ｉｄは上記のように徐々に増加し、従来のように急激に増加する突入電流になることはない。このため、電源ユニット２１に具備するＤＣ−ＤＣコンバータ３は、従来のように突入電流を考慮した大きさの電流容量を持つものを選定する必要が無くなり、定常時の電流Ｉｄを供給できるだけの電流容量を持つものを使用できる。この結果、電源ユニット２１に具備するＤＣ−ＤＣコンバータ３を小型化かつ低価格化することができ、したがって、電源ユニット２１の小型化および低価格化を図ることが可能になる。

なお、上記の実施形態では、オペアンプ１３から成るシュミット回路と、オペアンプ１４から成る積分回路とで三角波発生回路１０を構成した場合について説明したが、三角波発生回路１０はこの構成に限られることはない。例えば、オペアンプを使わない、抵抗とコンデンサから成る積分回路で、三角波発生回路を構成するようにしてもよい。このような構成によっても、上記の実施形態と同様な作用効果が奏される。

２…ファン
３…ＤＣ−ＤＣコンバータ（電源）
４…装置
５…フォトカプラ
６，７…コネクタ
８…ケーブル
９…平滑化回路
１０…三角波発生回路
１１…コンパレータ
１２…ボルテージホロワ
１３，１４…オペアンプ
２１…電源ユニット

Claims (3)

1. 入力信号のデューティ比に応じてファンの回転数をパルス幅変調制御するファン回転数制御回路において、
   前記入力信号の電圧レベルを平滑化して前記入力信号を平滑化電圧に変換する平滑化回路と、
   前記平滑化電圧の最大電圧レベルと同じ大きさの振幅で前記入力信号と同じ周波数の三角波を発生する三角波発生回路と、
   前記平滑化電圧の電圧レベルを前記三角波の電圧レベルと比較して前記平滑化電圧をパルス幅変調するパルス幅変調回路と
   を備えることを特徴とするファン回転数制御回路。
2. 装置を冷却する前記ファンと、前記ファンに電源供給する電源と、前記装置から出力されるパルス幅変調制御信号を入力するコネクタと、前記コネクタから入力される前記パルス幅変調制御信号によって前記ファンの回転数を制御する請求項１に記載のファン回転数制御回路とを備える電源ユニット。
3. 前記平滑化回路はコンデンサと抵抗とからなる積分回路によって構成され、
   前記三角波発生回路は、方形波を出力するシュミット回路と、前記シュミット回路から出力される方形波を積分して三角波を出力する積分回路とから構成され、
   前記パルス幅変調回路は、前記平滑化回路から出力される前記平滑化電圧の電圧レベルと前記三角波発生回路から出力される前記三角波の電圧レベルとを比較するコンパレータによって構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のファン回転数制御回路または請求項２に記載の電源ユニット。

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