TW201342790A - 風扇馬達驅動器、控制其脈寬調變開關比的方法以及以其為基礎的風扇馬達控制電路 - Google Patents

Abstract

一種風扇馬達驅動器，用以提供脈寬調變信號以決定風扇轉速。該風扇馬達驅動器根據其多支接腳外接電阻的電阻值，而非該多支接腳的電壓，來控制該脈寬調變信號的開關比。因此，以該風扇馬達驅動器為基礎建立的風扇馬達控制電路可以減少外接電阻，以降低材料成本。

Description

風扇馬達驅動器、控制其脈寬調變開關比的方法以及以其為基礎的風扇馬達控制電路

本發明係有關一種風扇馬達控制電路，特別是關於一種風扇馬達控制電路的核心裝置。

風扇馬達驅動器係建立風扇馬達控制電路的核心裝置。在風扇馬達的應用中，常需要從外部調整風扇轉速的功能以期能達到風量和噪音的最佳化，為此風扇馬達控制電路大多在風扇馬達驅動器外部串接電阻來調整供風扇馬達驅動器調速控制用的電壓準位，風扇馬達驅動器將其與內部產生的三角波比較產生脈寬調變(Pulse Width Modulation;PWM)信號，藉其開關比(duty)來控制風扇轉速。例如圖1所示係一個以習知的風扇馬達驅動器10為基礎建立的單相全波(single-phase full-wave)風扇馬達控制電路，風扇馬達驅動器10根據接腳WH及WL的電壓Vcph及Vcpl分別設定其內部三角波信號的峰值及谷值，根據接腳RMI的電壓Vrmi設定風扇的最小轉速，接腳VTH連接電熱調節器(thermistor)RTH，由於電熱調節器RTH的電阻值隨溫度變化，因此接腳VTH的電壓Vtemp亦隨溫度變化，進而使風扇馬達驅動器10可以根據溫度變化調整風扇轉速，此外還可以透過外部的控制信號PWM-IN控制接腳PIN的電壓Vpin，進而控制風扇轉速。風扇馬達驅動器10係根據其內部的三角波信號與電壓Vrmi、Vtemp或Vpin比較產生PWM信號從接腳OUT1及OUT2輸出以驅動風扇馬達12。為了產生上述各電壓Vcph、Vcpl、Vrmi、Vtemp及Vpin，風扇馬達驅動器10從電源電壓VCC產生6V的電壓V1在接腳VREG，利用外部電阻R1~R8、RTU及RTH從電壓V1產生上述各電壓Vcph、Vcpl、Vrmi、Vtemp及Vpin所需的設定值。另一方面，使用霍爾感測器14偵測風扇馬達12的轉速，偵測到的信號經風扇馬達驅動器10的內部電路處理後產生表達風扇轉速的信號從接腳FG輸出。

圖2的波形圖展示風扇馬達驅動器10的控制方法，其中波形16及18分別為接腳VTH及RMI的電壓Vtemp及Vrmi，波形20為風扇馬達驅動器10內部的三角波信號CPWM，波形22為風扇轉速信號FG。參照圖1及圖2，三角波信號CPWM的峰值及谷值分別為Vcph=V1×[R2/(R1+R2)]及Vcpl=V1×[(R2//R3)/(R1+(R2//R3))]，在風扇馬達驅動器10啟動時，如時間t0所示，電熱調節器RTH周遭的溫度較低，因此Vtemp高於Vrmi，如波形16及18所示，PWM信號OUT1及OUT2的開關比由CPWM與Vrmi的比較而決定，因此風扇轉速維持在設定的最小轉速，如波形22所示；隨著電熱調節器RTH周遭溫度的上升，Vtemp下降，當Vtemp下降到小於Vrmi時，如時間t1所示，PWM信號OUT1及OUT2的開關比變成由CPWM與Vtemp的比較而決定，因此風扇轉速會隨著溫度的上升或下降而增加或減少，如波形22所示；當溫度上升到使Vtemp小於CPWM的谷值Vcpl時，如時間t2所示，風扇馬達12進入全速模式，在全速模式期間，即使電熱調節器RTH被移除，如時間t3所示，雖然電壓Vtemp會上升，但風扇馬達12仍會以全速運轉。另一方面，當施加外部控制信號PWM-IN控制接腳PIN的電壓Vpin時，風扇馬達驅動器10會優先以Vpin與CPWM的比較來決定PWM信號OUT1及OUT2的開關比，即風扇轉速改為外部設定。

然而，如圖1所示，想要從風扇馬達驅動器10的外部精準的控制PWM信號OUT1及OUT2的開關比，需要多個精密的外部電阻R1~R8、RTU及RTH來設定各電壓Vcph、Vcpl、Vrmi、Vtemp及Vpin，因此會有較高的材料(Bill Of Materials;BOM)成本。

本發明的目的之一，在於提出一種能由外部設定來精準控制風扇轉速的風扇馬達驅動器。

本發明的目的之一，在於提出一種能以較少的外部元件來建立控制電路的風扇馬達驅動器。

本發明的目的之一，在於提出一種風扇馬達驅動器的脈寬調變開關比的控制方法。

本發明的目的之一，在於提出一種以風扇馬達驅動器為基礎建立的控制電路。

根據本發明，一種風扇馬達驅動器係根據其多支接腳外接電阻的電阻值，而非該多支接腳的電壓，來控制其產生的脈寬調變信號的開關比。

根據本發明，一種風扇馬達驅動器產生脈寬調變信號的方法，係根據多個電阻的電阻值產生多個偵測信號來控制其產生的脈寬調變信號的開關比。

根據本發明，一種風扇馬達控制電路包含四電阻值偵測器分別產生與四外接電阻的電阻值相關的四偵測信號，一開關因應一外部控制信號調變其中一偵測信號，四減法器根據該調變的偵測信號及其餘偵測信號產生四差值，以及一比較器根據其中一差值與其餘差值其中之一的比值控制脈寬調變信號的開關比。

圖3係根據本發明的風扇馬達驅動器24及以其為基礎建立的風扇馬達控制電路，其中電阻R1、R2、R3分別連接在風扇馬達驅動器24的接腳WHL、RMI、PIN及地端之間，電阻RTU及電熱調節器RTH串聯在風扇馬達驅動器30的接腳VTH及地端之間，風扇馬達驅動器24係根據電阻R1、R2及R3的電阻值與電阻RTU及RTH的總電阻值，而非接腳WHL、RMI、PIN及VTH的電壓來設定PWM信號OUT1及OUT2的開關比，此外，外部設定用的控制信號PWM-IN由接腳PWM輸入風扇馬達驅動器24，用來調變電阻R3決定的信號，以控制PWM信號OUT1及OUT2的開關比。與圖1的控制電路相比，本實施例的控制電路減少一半數量的外部電阻，因此大幅降低BOM成本。

圖4A~4D係風扇馬達驅動器24的實施例。圖4A係風扇馬達驅動器24內部和接腳WHL有關的電路部份，電阻值偵測器26連接接腳WHL，產生與電阻值R1相關的電流I1，電流源28及30提供相同的參考電流Ic，電流源28的電流Ic與電流I1結合為電流I1’流過電阻RH產生電壓Vcph代表三角波信號的峰值，如圖5的波形70所示，電流源30的電流Ic流過電阻RL產生電壓Vcpl代表三角波信號的谷值，如圖5的波形78所示，電阻RH與電阻RL具有相同的電阻值Rint，減法器32將Vcph減去Vcpl產生差值DHL給比較器34。在電阻值偵測器26中，運算放大器36及電晶體M1組成電壓電流轉換器，將參考電壓Vref施加到接腳WHL產生電流Ir1=Vref/R1，電流鏡38鏡射電流Ir1產生電流I1，假設I1=Ir1，則可推算出差值

DHL=Vcph-Vcpl=(I1’×Rint)-(Ic×Rint)=Ir1×Rint=(Vref/R1)×Rint=(Vref×Rint)/R1，　公式1

此顯示三角波信號的振幅(Vcph-Vcpl)由電阻值R1設定。圖4B係風扇馬達驅動器24內部和接腳RMI有關的電路部份，電阻值偵測器40連接接腳RMI，產生與電阻值R2相關的電流I2，電流源42提供與圖4A中的電流源28相同的參考電流Ic，此電流Ic與電流I2結合為電流I2’流過電阻Rr產生電壓Vrmi，如圖5的波形76所示，電壓Vrmi用來決定風扇的最小轉速，電阻Rr具有與圖4A中的電阻RL相同的電阻值Rint，減法器44將電壓Vrmi減去圖4A中的電壓Vcpl產生差值DRL給圖4A中的比較器34。在電阻值偵測器40中，運算放大器46及電晶體M2組成電壓電流轉換器，將圖4A中的參考電壓Vref施加到接腳RMI產生電流Ir2=Vref/R2，電流鏡48鏡射電流Ir2產生電流I2，假設I2=Ir2，則可推算出差值

DRL=Vrmi-Vcpl=(I2’×Rint)-(Ic×Rint)=Ir2×Rint=(Vref/R2)×Rint=(Vref×Rint)/R2。　公式2

圖4C係風扇馬達驅動器24內部和接腳PIN及PWM有關的電路部份，電阻值偵測器50連接接腳PIN，產生與電阻值R3相關的電流I3，開關SW1連接電阻值偵測器50，因應控制信號PWM-IN將電流I3調變為電流Isw=I3×Dpwm，其中Dpwm係控制信號PWM-IN的開關比，電流源52提供與圖4A中的電流源28相同的參考電流Ic，此電流Ic與調變電流Isw結合為電流I3’流過電阻Rp產生電壓Vpin，如圖5的波形74所示，電阻Rp具有與圖4A中的電阻RL相同的電阻值Rint，減法器54將電壓Vpin減去圖4A中的電壓Vcpl產生差值DPL給圖4A中的比較器34。在電阻值偵測器50中，運算放大器56及電晶體M3組成電壓電流轉換器，將圖4A中的參考電壓Vref施加到接腳PIN產生電流Ir3=Vref/R3，電流鏡58鏡射電流Ir3產生電流I3，假設I3=Ir3，則可推算出差值

DPL=Vpin-Vcpl=(I3’×Rint)-(Ic×Rint)=Ir3×Dpwm×Rint=(Vref×Dpwm×Rint)/R3。　公式3

圖4D係風扇馬達驅動器24內部和接腳VTH有關的電路部份，電阻值偵測器60連接接腳VTH，產生與電阻值(RTU+RTH)相關的電流I4，電流源62提供與圖4A中的電流源28相同的參考電流Ic，此電流Ic與電流I4結合為電流I4’流過電阻Rt產生電壓Vtemp，如圖5的波形72所示，電阻Rt具有與圖4A中的電阻RL相同的電阻值Rint，減法器64將電壓Vtemp減去圖4A中的電壓Vcpl產生差值DTL給圖4A中的比較器34。在電阻值偵測器60中，運算放大器66及電晶體M4組成電壓電流轉換器，將圖4A中的參考電壓Vref施加到接腳VTH產生電流Ir4=Vref/(RTU+RTH)，電流鏡68鏡射電流Ir4產生電流I4，假設I4=Ir4，則可推算出差值

DTL=Vtemp-Vcpl=(I4’×Rint)-(Ic×Rint)=Ir4×Rint=(Vref×Rint)/(RTU+RTH)。　公式4

由於電熱調節器RTH的電阻值隨溫度變化，因此差值DTL亦隨溫度變化。參照圖4A，比較器34根據DRL、DPL或DTL對DHL的比值產生信號Sduty以決定PWM信號OUT1及OUT2的開關比。更詳細而言，傳統的控制方法係將三角波信號CPWM與電壓Vtemp、Vpin或Vrmi比較而產生PWM信號OUT1及OUT2，但參照圖5，電壓Vtemp、Vpin及Vrmi各自將三角波CPWM分割成兩個相似三角形，由於兩個相似三角形的邊長及高具有相同的比例關係，因此從DRL=Vrmi-Vcpl、DPL=Vpin-Vcpl及DTL=Vtemp-Vcpl對CPWM的振幅DHL=Vcph-Vcpl的比值可以判斷PWM信號OUT1及OUT2的開關比。PWM信號OUT1及OUT2的最小轉速開關比

RMI_duty=(Vrmi-Vcpl)/(Vcph-Vcpl)=DRL/DHL，　公式5

將公式1及公式2代入公式5可推得

RMI_duty=R1/R2。　公式6

PWM信號OUT1及OUT2隨溫度變化的開關比

VTH_duty=(Vtemp-Vcpl)/(Vcph-Vcpl)=DTL/DHL，　公式7

將公式1及公式4代入公式7可推得

VTH_duty=R1/(RTU+RTH)。　公式8

由使用者從外部控制的PWM信號OUT1及OUT2的開關比

PIN_duty=(Vpin-Vcpl)/(Vcph-Vcpl)=DPL/DHL，　公式9

將公式1及公式3代入公式9可推得

PIN_duty=R1/R3。　公式10

由公式6、公式8及公式10可知，PWM信號OUT1及OUT2的開關比可以藉由調整各相關電阻值的比例來達成，而且可以由外部精準控制風扇轉速，風扇馬達驅動器24內部的電阻及電流源的數值不會影響PWM信號OUT1及OUT2的開關比。

雖然圖4A~4D的實施例為了解說方便使用了特定的假設條件，但此技術領域之人士當知，這些電路的設定值是可以改變的，例如，施加到各接腳WHL、RMI、PIN及VTH的參考電壓Vref可以是不同的，電阻RH、RL、Rr、Rp及Rt也可以是不同的，各電流鏡38、48、58及68的鏡射比也可以是不同的。例如參照圖6的系統方塊圖，電阻值偵測器26、40、50及60可以使用其他任何合適的電路來產生偵測信號S1(R1)、S2(R2)、S3(R3)及S3(RTH)，而且風扇馬達驅動器24中各信號的型態也不限定為電流或電壓。

10．．．風扇馬達驅動器

12．．．風扇馬達

14．．．霍爾感測器

16．．．電壓Vtemp的波形

18．．．電壓Vrmi的波形

20．．．三角波信號CPWM的波形

22．．．風扇轉速信號FG的波形

24．．．風扇馬達驅動器

26．．．電阻值偵測器

28．．．電流源

30．．．電流源

32．．．減法器

34．．．比較器

36．．．運算放大器

38．．．電流鏡

40．．．電阻值偵測器

42．．．電流源

44．．．減法器

46．．．運算放大器

48．．．電流鏡

50．．．電阻值偵測器

52．．．電流源

54．．．減法器

56．．．運算放大器

58．．．電流鏡

60．．．電阻值偵測器

62．．．電流源

64．．．減法器

66．．．運算放大器

68．．．電流鏡

70．．．信號Vcph的波形

72．．．信號Vtemp的波形

74．．．信號Vpin的波形

76．．．信號Vrmi的波形

78．．．信號Vcpl的波形

圖1係習知的單相全波風扇馬達控制電路；

圖2係圖1的控制電路的波形圖；

圖3係以本發明的風扇馬達驅動器為基礎建立的風扇馬達控制電路；

圖4A~4D係本發明的風扇馬達驅動器的實施例；

圖5係圖3的風扇馬達控制電路的波形圖；以及

圖6係本發明的風扇馬達驅動器的系統方塊圖。

12．．．風扇馬達

14．．．霍爾感測器

24．．．風扇馬達驅動器

Claims (20)

1. 一種風扇馬達驅動器，用以提供脈寬調變信號以決定風扇轉速，其特徵在於：該風扇馬達驅動器係根據其多支接腳外接電阻的電阻值，而非該多支接腳的電壓，來控制該脈寬調變信號的開關比。
2. 如請求項1之風扇馬達驅動器，其特徵在於：該風扇馬達驅動器包含多個電阻值偵測器分別連接該多支接腳，以產生與其各自連接的接腳外接電阻的電阻值相關的偵測信號。
3. 如請求項2之風扇馬達驅動器，其特徵在於：該多個電阻值偵測器各自施加一參考電壓到其連接的接腳，以產生與該接腳外接電阻的電阻值相關的電流，並鏡射該電流作為其偵測信號。
4. 如請求項3之風扇馬達驅動器，其特徵在於：每一該鏡射電流與一參考電流結合後流過一內部電阻，以產生一電壓給一減法器，以產生一差值。
5. 如請求項2之風扇馬達驅動器，其特徵在於：該多個電阻值偵測器各自連接一減法器，俾根據其偵測信號產生一差值。
6. 如請求項5之風扇馬達驅動器，其特徵在於：該風扇馬達驅動器更包含一比較器，俾根據該多個差值產生一控制該開關比的信號。
7. 如請求項2之風扇馬達驅動器，其特徵在於：該風扇馬達驅動器更包含另一接腳用以接受一外部的控制信號，以及一開關連接該另一接腳與該多個電阻值偵測器其中之一，俾因應該外部的控制信號調變該電阻值偵測器的偵測信號。
8. 如請求項7之風扇馬達驅動器，其特徵在於：該外部的控制信號係一脈寬調變信號。
9. 一種風扇馬達驅動器產生脈寬調變信號的方法，該脈寬調變信號具有一開關比供控制風扇轉速，其特徵在於：該方法係根據多個電阻的電阻值來控制該開關比。
10. 如請求項9之方法，其特徵在於：該方法包含根據一電阻的電阻值控制一三角波信號的振幅。
11. 如請求項9之方法，其特徵在於：該方法包含根據一電阻的電阻值控制該開關比的最小值。
12. 如請求項9之方法，其特徵在於：該方法包含根據一電阻的電阻值控制該開關比隨溫度變化。
13. 如請求項9之方法，其特徵在於：該方法包含根據一電阻的電阻值及一控制信號控制該開關比。
14. 如請求項13之方法，其特徵在於：根據該電阻的電阻值產生一偵測信號，以及利用該控制信號調變該偵測信號。
15. 一種風扇馬達控制電路，用以提供脈寬調變信號以決定風扇轉速，該控制電路包含：第一外接電阻；第一電阻值偵測器，連接該第一外接電阻，產生與該第一外接電阻的電阻值相關的第一偵測信號；第一減法器，連接該第一電阻值偵測器，根據該第一偵測信號產生第一差值；第二外接電阻；第二電阻值偵測器，連接該第二外接電阻，產生與該第二外接電阻的電阻值相關的第二偵測信號；第二減法器，連接該第二電阻值偵測器，根據該第二偵測信號產生第二差值；第三外接電阻；第三電阻值偵測器，連接該第三外接電阻，產生與該第三外接電阻的電阻值相關的第三偵測信號；一開關，連接該第三電阻值偵測器，因應一外部控制信號調變該第三偵測信號；第三減法器，連接該開關，根據該調變的第三偵測信號產生第三差值；一電熱調節器；第四電阻值偵測器，連接該電熱調節器，產生隨溫度變化的第四偵測信號；第四減法器，連接該第四電阻值偵測器，根據該第四偵測信號產生第四差值；以及一比較器，連接該第一到第四減法器，根據該第二差值、該第三差值或該第四差值對該第一差值的比值控制該脈寬調變信號的開關比。
16. 如請求項15之風扇馬達控制電路，其中該第一電阻值偵測器包含：一電壓電流轉換器，連接該第一外接電阻，施加一參考電壓到該第一外接電阻，以產生與該第一外接電阻的電阻值相關的電流；以及一電流鏡，連接該電壓電流轉換器，以鏡射該電流產生該第一偵測信號。
17. 如請求項15之風扇馬達控制電路，其中該第二電阻值偵測器包含：一電壓電流轉換器，連接該第二外接電阻，施加一參考電壓到該第二外接電阻，以產生與該第二外接電阻的電阻值相關的電流；以及一電流鏡，連接該電壓電流轉換器，以鏡射該電流產生該第二偵測信號。
18. 如請求項15之風扇馬達控制電路，其中該第三電阻值偵測器包含：一電壓電流轉換器，連接該第三外接電阻，施加一參考電壓到該第三外接電阻，以產生與該第三外接電阻的電阻值相關的電流；以及一電流鏡，連接該電壓電流轉換器，以鏡射該電流產生該第三偵測信號。
19. 如請求項15之風扇馬達控制電路，其中該第四電阻值偵測器包含：一電壓電流轉換器，連接該第四外接電阻，施加一參考電壓到該第四外接電阻，以產生與該第四外接電阻的電阻值相關的電流；以及一電流鏡，連接該電壓電流轉換器，以鏡射該電流產生該第四偵測信號。
20. 如請求項15之風扇馬達控制電路，更包含：一電流源，提供一參考電流；以及一內部電阻，連接該電流源，根據該參考電流產生一代表一三角波信號的谷值的信號給該第一到第四減法器。