TW201916571A - 風扇轉速控制電路 - Google Patents

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Abstract

一種風扇轉速控制電路，用以解決習知風扇轉速控制電路使風扇震動及效能降低的問題。係包含：一比較器，該比較器具有一輸出端；一兩段式切換迴路，該兩段式切換迴路電性連接該比較器；一振盪器，該振盪器電性連接該比較器；及一控制模組，該控制模組電性連接該輸出端、一電源及一馬達線圈，該兩段式切換迴路電性連接該電源，該兩段式切換迴路產生一設定電壓，該振盪器產生一振盪訊號，該比較器依據該設定電壓及該振盪訊號在該輸出端產生一控制訊號，該控制模組依據該控制訊號切換該馬達線圈與該電源之間的導通或開路。

Description

風扇轉速控制電路
本發明係關於一種風扇轉速控制電路，尤其是一種依據輸入電壓大小進行脈衝寬度調變的風扇轉速控制電路。
風扇旋轉係由一馬達驅動，一輸入電壓作用於該馬達，部份該輸入電壓抵消該馬達旋轉所產生的感應電動勢，剩餘的該輸入電壓於該馬達之迴路形成一工作電流，該工作電流所產生的磁力正好抵抗該馬達之旋轉阻力，使該馬達依據慣性定律維持固定轉速，因此，該轉速與該輸入電壓之關係圖係一固定斜率之直線，如第1圖所示，使一固定的輸入電壓值只能驅動一固定的風扇轉速。
風扇轉速控制於固定輸入電壓的條件下，可藉由切換不同匝數或粗細的線圈，以改變電磁感應及磁力作用的效果，而控制風扇轉速變化，惟，在風扇馬達中設置多個線圈以供切換，造成風扇馬達的體積大幅增加而不適用於薄型散熱風扇。
一種習知的風扇轉速控制電路，係連接一轉速調節器於一風扇馬達之線圈的任一端，該轉速調節器具有二電流路徑，各該電流路徑具有不同的電阻值，由於該工作電流不變，切換導通該二電流路徑可產生不同的壓降，使一固定的輸入電壓貢獻於轉速之分壓不同，可具有不同的轉速，如第1圖所示，但該轉速與該輸入電壓關係圖之斜率維持不變，類似於該習知的風扇轉速控制電路的一實施例已揭露於中華民國公告第 I224416號「風扇轉速控制電路」專利案當中。
上述習知的風扇轉速控制電路，係於馬達之迴路上增加電阻器，導致電能以熱能形式消耗於額外電阻，使風扇不能以最佳旋轉效率運作，又兩段式切換的轉速落差過大，而產生震動與噪音。
有鑑於此，習知的風扇轉速控制電路確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明提供一種風扇轉速控制電路，切換低轉速時不消耗額外能量，使電能轉換旋轉動能之效率提升。
本發明提供一種風扇轉速控制電路，切換轉速落差可調整，以減少切換時的震動及噪音。
本發明的風扇轉速控制電路，包含：一比較器，該比較器具有二輸入端及一輸出端；一兩段式切換迴路，該兩段式切換迴路電性連接該比較器之一該輸入端；一振盪器，該振盪器電性連接該比較器之另一該輸入端；及一控制模組，該控制模組電性連接該比較器之該輸出端、一電源及一馬達線圈，該兩段式切換迴路電性連接該電源，該兩段式切換迴路產生一設定電壓，該振盪器產生一振盪訊號，該比較器依據該設定電壓及該振盪訊號在該輸出端產生一控制訊號，該控制模組依據該控制訊號切換該馬達線圈與該電源之間的導通或開路。
據此，本發明的風扇轉速控制電路，藉由控制設定電壓與振盪訊號，以切換馬達線圈導通或開路，達到風扇轉速控制的目的，由於馬達線圈開路時不消耗電能，如此控制轉速可使電能轉換動能之效率提升，又增加單位時間內的旋轉動能以提高轉速，可減少切換轉速時的震動及噪音。
其中，該比較器比較該振盪訊號及該設定電壓之電壓值大 小。如此，該比較器依據設定電壓大小可調整控制訊號，係具有脈衝寬度調變的功效。
其中，該振盪訊號大於該設定電壓，該比較器產生高準位的該控制訊號。如此，控制訊號具有脈衝寬度調變的高值，係具有觸發該控制模組的功效。
其中，該振盪訊號小於該設定電壓，該比較器產生低準位的該控制訊號。如此，控制訊號具有脈衝寬度調變的低值，係具有觸發該控制模組的功效。
其中，該控制訊號是脈衝寬度調變訊號。如此，係具有控制轉速的功效。
其中，該兩段式切換迴路具有一切換開關，該切換開關之基極電性連接一第一分壓電阻及一第二分壓電阻的一端，該第一分壓電阻的另一端電性連接該電源，該第二分壓電阻的另一端接地，該切換開關之集極電性連接一限流電阻的一端、一第三分壓電阻的一端及該輸入端，該限流電阻的另一端電性連接該電源，該第三分壓電阻的另一端及該切換開關的射極接地。如此，可設定切換點之電壓值，係具有兩段式轉速切換的功效。
其中，該切換開關截止係一第一階段，該切換開關順向導通係一第二階段。如此，經由控制該切換開關以改變迴路狀態，係具有兩段式功能切換的功效。
其中，在該第二階段產生之該控制訊號的占空比，大於在該第一階段產生之該控制訊號的占空比。如此，係具有切換高轉速的功效。
其中，在該第二階段的每伏特之風扇轉速變化，大於在該第一階段的每伏特之風扇轉速變化。如此，係具有提升電能轉換旋轉動能效率的功效。
其中，該振盪訊號係週期訊號且波形為三角波。如此，調整設定電壓可改變該控制訊號的占空比，係具有調整轉速與輸入電壓變化關係的功效。
其中，該控制模組包含一控制單元、一感磁單元及一驅動迴路。如此，係具有監測及控制風扇馬達旋轉方向的功效。
其中，該控制單元電性連接該感磁單元及該驅動迴路。如此，該控制單元獲得換向資訊再傳送轉動指令，係具有降低該控制單元控制的誤失率的功效。
其中，該驅動迴路電性連接該電源並接地，該驅動迴路具有二上橋元件及二下橋元件，其中一上橋元件及其中一下橋元件電性連接該馬達線圈之一端，另一上橋元件及另一下橋元件電性連接該馬達線圈之另一端。如此，可順向或反向導通該馬達線圈，係具有使馬達順利旋轉的功效。
其中，該比較器、該振盪器、該控制單元及該驅動迴路整合於一驅動晶片。
1‧‧‧比較器
11、12‧‧‧輸入端
13‧‧‧輸出端
2‧‧‧兩段式切換迴路
21‧‧‧切換開關
22‧‧‧第一分壓電阻
23‧‧‧第二分壓電阻
24‧‧‧限流電阻
25‧‧‧第三分壓電阻
3‧‧‧振盪器
4‧‧‧控制模組
41‧‧‧控制單元
411‧‧‧訊號接收端
412‧‧‧感磁輸入端
413‧‧‧第一控制輸出端
414‧‧‧第二控制輸出端
42‧‧‧感磁單元
43‧‧‧驅動迴路
431a、431b‧‧‧上橋元件
432a、432b‧‧‧下橋元件
5‧‧‧馬達線圈
6‧‧‧電源
Vi‧‧‧輸入電壓
U‧‧‧控制訊號
Vo‧‧‧振盪訊號
P1、P2‧‧‧運轉訊號
C‧‧‧驅動晶片
S1‧‧‧第一階段
S2‧‧‧第二階段
Vs‧‧‧設定電壓
D1‧‧‧第一路徑
D2‧‧‧第二路徑
第1圖：一種習知風扇轉速控制電路的電壓與轉速關係圖。
第2圖：本發明一實施例的電路方塊圖。
第3圖：本發明一實施例之兩段式切換迴路的電路示意圖。
第4圖：本發明一實施例之控制模組的電路示意圖。
第5圖：本發明一實施例之各項訊號的變化示意圖。
第6圖：本發明一實施例的電壓與轉速關係圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂， 下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第2圖所示，其係本發明風扇轉速控制電路的一實施例，係包含一比較器1、一兩段式切換迴路2、一振盪器3、一控制模組4、一馬達線圈5及一電源6，該比較器1電性連接該兩段式切換迴路2、該振盪器3及該控制模組4，該控制模組4電性連接該馬達線圈5，該電源6電性連接該兩段式切換迴路2及該控制模組4，並供應一輸入電壓Vi。
請參照第3圖所示，該比較器1具有二輸入端11、12及一輸出端13，該二輸入端11、12可接受並比較訊號的電壓值，由該輸出端13送出一控制訊號U。
該兩段式切換迴路2具有一切換開關21，該切換開關21之基極電性連接一第一分壓電阻22及一第二分壓電阻23的一端，該第一分壓電阻22的另一端電性連接該電源6，該第二分壓電阻23的另一端接地，該切換開關21之集極電性連接一限流電阻24的一端、一第三分壓電阻25的一端及該輸入端12，該限流電阻24的另一端電性連接該電源6，該第三分壓電阻25的另一端及該切換開關21的射極接地。
該振盪器3電性連接該輸入端11，並傳送一振盪訊號Vo，該振盪訊號Vo係週期訊號且波形較佳為三角波。該振盪器3還可電性連接一設定電容(未繪示)，且該設定電容接地，更換不同電容值之設定電容可改變該振盪訊號Vo之頻率。
在本實施例中，該輸入端11係正相端且電性連接該振盪器3，及該輸入端12係反相端且電性連接該兩段式切換迴路2，但不以此為限。
該控制模組4電性連接該比較器1之該輸出端13，可接收該控制訊號U；該控制模組4電性連接該馬達線圈5的二端，可使該馬達線圈5的一端電性連接該電源6或開路，且該馬達線圈5的另一端接地或 開路。
該馬達線圈5可通電產生電磁場並與永久磁鐵作用，產生磁力推動馬達旋轉。
請參照第2及4圖所示，本發明實施例之該控制模組4還可包含一控制單元41、一感磁單元42及一驅動迴路43，該控制單元41可以是特殊應用積體電路(Application-specific integrated circuit,ASIC)、微控制器(Micro control unit,MCU)或數位訊號處理器(Digital signal processor,DSP)等，用以產生二運轉訊號P1、P2控制該馬達線圈5導通的占空比(Duty cycle)及電流通過方向；該感磁單元42可以是霍爾元件(Hall component)，用以判斷轉子位置，可供該控制單元41控制磁極相吸或相斥；該驅動迴路43可以是H電橋(H-bridge)，用以順向或反向導通該馬達線圈5，使馬達順利旋轉。該比較器1、該振盪器3、該控制單元41及該驅動迴路43可整合於一驅動晶片C。
該控制單元41具有一訊號接收端411，該訊號接收端411電性連接該比較器1之該輸出端13，該控制單元41還具有一感磁輸入端412、一第一控制輸出端413及一第二控制輸出端414；該感磁單元42電性連接該電源6並接地，該感磁單元42設置於馬達的磁場範圍內，該感磁單元42電性連接該感磁輸入端412；該驅動迴路43電性連接該電源6並接地，該驅動迴路43還具有二上橋元件431a、431b及二下橋元件432a、432b，其中一上橋元件431a及其中一下橋元件432a可電性連接該馬達線圈5之一端，另一上橋元件431b及另一下橋元件432b可電性連接該馬達線圈5之另一端，惟不以此為限，該第一控制輸出端413電性連接該上橋元件431b之基極及該下橋元件432a之基極，該第二控制輸出端414電性連接該上橋元件431a之基極及該下橋元件432b之基極。
請參照第3及5圖所示，據由前述結構，該電源6的輸入電 壓Vi由該第一分壓電阻22及該第二分壓電阻23分壓，於該切換開關21之基極產生一分壓電壓，當該分壓電壓小於該切換開關21之一門檻電壓，該切換開關21等同於開路，係第一階段S1；當該分壓電壓大於該門檻電壓，該切換開關21順向導通，係第二階段S2。
在第一階段S1，該輸入電壓Vi由該限流電阻24及該第三分壓電阻25分壓，於該比較器1之該輸入端12產生一設定電壓Vs；該輸入電壓Vi升高，進入第二階段S2，大部分電流順向通過該切換開關21，使該設定電壓Vs驟降，如第5圖所示，又該振盪器3之該振盪訊號Vo經由該輸入端11進入該比較器1，及該設定電壓Vs經由該輸入端12進入該比較器1，當該振盪訊號Vo大於該設定電壓Vs，該輸出端13送出高準位的控制訊號U，當該振盪訊號Vo小於該設定電壓Vs，該輸出端13送出低準位的控制訊號U，因為該振盪訊號Vo係高低交錯之三角波，該比較器1產生之該控制訊號U係高低相間之方波，且該控制訊號U可以是脈衝寬度調變(Pulse width modulation,PWM)訊號。
第一階段S1與第二階段S2產生之該控制訊號U的占空比不同，使該控制模組4依據該控制訊號U對該馬達線圈5通電或開路，請再參照第4圖，在本實施例中，該控制單元41由該訊號接收端411接收該控制訊號U，並由該第一控制輸出端413送出該運轉訊號P1，或由該第二控制輸出端414送出該運轉訊號P2，又，當控制訊號U為高壓階段時，該控制單元41輸出該運轉訊號P1或P2，使該馬達線圈5通電，當控制訊號U為低壓階段時，該控制單元41停止輸出該運轉訊號P1或P2，使該馬達線圈5開路。對於該控制訊號U，第一階段S1的占空比小於第二階段S2的的占空比，如此，該馬達線圈5在第二階段S2的通電時間比例較大，於單位時間內獲得更多能量，而具有提升的馬達轉速。
請參照第4圖所示，該感磁單元42感應磁場變化，可判斷 轉子位置，並供該控制單元41經由該驅動迴路43控制該馬達線圈5之電流方向，可避免馬達線圈5的磁力作用抵消馬達旋轉。當該控制單元41輸出該運轉訊號P1，該上橋元件431b及該下橋元件432a順向導通，電流沿一第一路徑D1通過該馬達線圈5，當該控制單元41輸出另一運轉訊號P2，該上橋元件431a及該下橋元件432b順向導通，電流沿一第二路徑D2通過該馬達線圈5。
請參照第6圖所示，其係使用本發明風扇轉速控制電路的風扇馬達轉速與該輸入電壓Vi之關係圖。請再參照第3圖，調整該第一分壓電阻22與該第二分壓電阻23之間的比值，可改變由該第一階段S1切換至該第二階段S2的切換點位置。請再參照第5圖，調整該限流電阻24與該第三分壓電阻25之間的比值，可改變該設定電壓Vs，且改變該控制訊號U之占空比，因此，轉速與該輸入電壓Vi之關係圖的斜率可以調整，如第6圖所示，在該第二階段S2的每伏特之風扇轉速變化，大於在該第一階段S1的每伏特之風扇轉速變化，即該第二階段S2的斜率大於該第一階段S1的斜率，且該第一階段S1切換至該第二階段S2之轉速落差可以調整。又提高該振盪器3之該振盪訊號Vo的電壓值，可增加該控制訊號U之占空比，使轉速與該輸入電壓Vi之關係圖的斜率變大，反之則變小。
綜上所述，本發明的風扇轉速控制電路，藉由控制設定電壓與振盪訊號，以改變馬達線圈導通的占空比，達到風扇轉速控制的目的，由於馬達線圈開路時不消耗電能，以不同占空比控制轉速可使電能轉換動能之效率提升，又增加單位時間內的旋轉動能以提高轉速，可減少切換轉速時的震動及噪音。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (14)

  1. 一種風扇轉速控制電路，包含：一比較器，該比較器具有二輸入端及一輸出端；一兩段式切換迴路，該兩段式切換迴路電性連接該比較器之一該輸入端；一振盪器，該振盪器電性連接該比較器之另一該輸入端；及一控制模組，該控制模組電性連接該比較器之該輸出端、一電源及一馬達線圈，該兩段式切換迴路電性連接該電源，該兩段式切換迴路產生一設定電壓，該振盪器產生一振盪訊號，該比較器依據該設定電壓及該振盪訊號在該輸出端產生一控制訊號，該控制模組依據該控制訊號切換該馬達線圈與該電源之間的導通或開路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制電路，其中，該比較器比較該振盪訊號及該設定電壓之電壓值大小。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之風扇轉速控制電路，其中，該振盪訊號大於該設定電壓，該比較器產生高準位的該控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之風扇轉速控制電路，其中，該振盪訊號小於該設定電壓，該比較器產生低準位的該控制訊號。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所述之風扇轉速控制電路，其中，該控制訊號是脈衝寬度調變訊號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制電路，其中，該兩段式切換迴路具有一切換開關，該切換開關之基極電性連接一第一分壓電阻及一第二分壓電阻的一端，該第一分壓電阻的另一端電性連接該電源，該第二分壓電阻的另一端接地，該切換開關之集極電性連接一限流電阻的一端、一第三分壓電阻的一端及該輸入端，該限流電阻的另一端電性連接該電源，該第三分壓電阻的另一端及該切換開關的射極 接地。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之風扇轉速控制電路，其中，該切換開關截止係一第一階段，該切換開關順向導通係一第二階段。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之風扇轉速控制電路，其中，在該第二階段產生之該控制訊號的占空比，大於在該第一階段產生之該控制訊號的占空比。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之風扇轉速控制電路，其中，在該第二階段的每伏特之風扇轉速變化，大於在該第一階段的每伏特之風扇轉速變化。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制電路，其中，該振盪訊號係週期訊號且波形為三角波。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之風扇轉速控制電路，其中，該控制模組包含一控制單元、一感磁單元及一驅動迴路。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之風扇轉速控制電路，其中，該控制單元電性連接該感磁單元及該驅動迴路。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之風扇轉速控制電路，其中，該驅動迴路電性連接該電源並接地，該驅動迴路具有二上橋元件及二下橋元件，其中一上橋元件及其中一下橋元件電性連接該馬達線圈之一端，另一上橋元件及另一下橋元件電性連接該馬達線圈之另一端。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之風扇轉速控制電路，其中，該比較器、該振盪器、該控制單元及該驅動迴路整合於一驅動晶片。
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