TW202011670A

TW202011670A - 用於降低無動力電動馬達的旋轉速度之電子電路

Info

Publication number: TW202011670A
Application number: TW108125091A
Authority: TW
Inventors: 威廉艾爾康; 羅伯特史托達; 堤摩希雷諾茲
Original assignee: 美商愛列果微系統公司
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2020-03-16
Also published as: TWI721494B; JP7465637B2; US10804822B2; US20200028452A1; JP2020036524A

Abstract

一種用以驅動電動馬達的馬達驅動電路包含複數驅動器電路，該複數驅動器電路中的每一個包括以半橋配置耦接到低側電晶體的高側電晶體，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個具有各別的控制節點和各別的第一和第二電流通過節點，其中，每個該高側電晶體中的該第二電流通過節點在各別的接面節點處耦接到該低側電晶體中的各別的一個的該第一電流通過節點，其中，該複數驅動器電路中的每一個能夠操作以將各別的電流從各別的接面節點驅動到該電動馬達的各別的繞組中。該馬達驅動電路進一步包含電容器，耦接到該高側電晶體中的每一個的該第一電流通過節點，該電容器能夠操作以保持電容器電壓。該馬達驅動電路進一步包含電力損耗制動控制電路，耦接以從該電容器接收該電容器電壓且能夠操作以感測到該馬達驅動電路的電力供應電壓何時低於臨界值電壓以及，在制動操作模式中，該高側電晶體是關閉的，以及還在該制動操作模式中，當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時，該電力損耗制動控制電路能夠操作以產生具有至少二狀態轉換的至少一脈衝信號以及能夠操作以將該至少一脈衝信號通訊到該低側電晶體中的各別的至少一個中的該控制節點中的各別的至少一個，導致該低側電晶體中的該至少一個的開啟和關閉情況，其中，該低側電晶體中的該至少一個的該開啟情況在該開啟情況的期間導致該制動操作模式，以及其中，該至少二狀態轉換導致電壓升壓操作，使得該電容器電壓是升壓的電壓，該升壓的電壓高於沒有該至少二狀態轉換時將獲得的電壓。

Description

用於降低無動力電動馬達的旋轉速度之電子電路

本發明總體上涉及一種用於驅動電動馬達的馬達驅動電路，更具體地，涉及一種例如當電動馬達從電力供應斷開時降低電動馬達的旋轉速度的馬達驅動電路。

在由電動馬達運行的風扇的一些應用中，當使用馬達驅動電路來打開風扇且馬達未通電或失靈時，例如，當其他風扇在同一外殼中吹動時，希望使風扇(即馬達)的旋轉最小化。如果允許未通電或失靈的風扇自由旋轉，則可能存在安全隱患。而且，如果無動力或失靈的風扇自由旋轉，則可能會對風扇可能會在其中起作用的環境(例如熱環境)產生負面影響。從本質上講，同一外殼中其他風扇產生的氣流可以更容易地以錯誤的方向通過允許自由旋轉的無動力風扇進入或流出。期望提供一種馬達驅動電路，當電動馬達和使電動馬達在正常操作中轉動的驅動電路被關電或其他失靈時，該馬達驅動電路能夠阻止電動馬達的旋轉，例如，與風扇耦接的電動馬達的旋轉。

本發明提供了一種馬達驅動電路，當電動馬達和使電動馬達在正常操作中轉動的馬達驅動電路被關電或其他失靈時，該馬達驅動電路能夠阻止電動馬達的旋轉，例如，與風扇耦接的電動馬達的旋轉。根據對理解本發明的一個方面有用的實施例，一種用以驅動電動馬達的馬達驅動電路包含複數驅動器電路，該複數驅動器電路中的每一個包括以半橋配置耦接到低側電晶體的高側電晶體，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個具有各別的控制節點和各別的第一和第二電流通過節點，其中，每個該高側電晶體中的該第二電流通過節點在各別的接面節點處耦接到該低側電晶體中的各別的一個的該第一電流通過節點，其中，該複數驅動器電路中的每一個能夠操作以將各別的電流從各別的接面節點驅動到該電動馬達的各別的繞組中。該馬達驅動電路更包含電容器，耦接到該高側電晶體中的每一個的該第一電流通過節點，該電容器能夠操作以保持電容器電壓。該馬達驅動電路進一步包含電力損耗制動控制電路，耦接以從該電容器接收該電容器電壓且能夠操作以感測到該馬達驅動電路的電力供應電壓何時低於臨界值電壓以及，在制動操作模式中，該高側電晶體是關閉的，以及還在該制動操作模式中，當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時，該電力損耗制動控制電路能夠操作以產生具有至少二狀態轉換的至少一脈衝信號以及能夠操作以將該至少一脈衝信號通訊到該低側電晶體中的各別的至少一個中的該控制節點中的各別的至少一個，導致該低側電晶體中的該至少一個的開啟和關閉情況，其中，該低側電晶體中的該至少一個的該開啟情況在該開啟情況的期間導致該制動操作模式，以及其中，該至少二狀態轉換導致電壓升壓操作，使得該電容器電壓是升壓的電壓，該升壓的電壓高於沒有該至少二狀態轉換時將獲得的電壓。在實施方式中，該上述馬達驅動電路可以以任何組合包含以下態樣中的一個或多個。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，電力供應包括在馬達驅動電路的外側的DC電力供應。在上述馬達驅動電路的一些實施方式中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個為N通道場效電晶體(NFET)。在以上馬達驅動電路的一些實施方式中，當脈衝時，該至少一脈衝信號能夠操作以當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時以及當該電動馬達轉動時在該電容器處產生電壓。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，該至少一脈衝信號具有複數脈衝能夠操作以開啟和關閉該低側電晶體中的該至少一個。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，當該馬達轉動且該電力供應電壓低於該臨界值電壓時藉由該馬達產生的反EMF電壓、該電動馬達的電感、用作開關的該低側電晶體中的該至少一個、該高側電晶體中的各別的至少一個的寄生二極體、和該電容器，結合在一起形成升壓開關調節器結構，從而當該電動馬達轉動時在該電容器上產生該電壓。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，當該電力供應電壓高於該臨界值電壓時，該至少一脈衝信號沒有脈衝。根據對理解本發明的一個態樣有用的實施例，一種用馬達驅動電路驅動電動馬達的方法包含複數驅動器電路，該複數驅動器電路中的每一個包括以半橋配置耦接到低側電晶體的高側電晶體，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個具有各別的控制節點和各別的第一和第二電流通過節點，其中，每個該高側電晶體中的該第二電流通過節點在各別的接面節點處耦接到該低側電晶體中的各別的一個的該第一電流通過節點，其中，該複數驅動器電路中的每一個能夠操作以將各別的電流從各別的接面節點驅動到該電動馬達的各別的繞組中。該方法還包含提供耦接到該高側電晶體中的每一個的該第一電流通過節點的電容器。該方法進一步包含在該電容器上保持電容器電壓。該方法進一步包含感測到該馬達驅動電路的電力供應電壓何時低於臨界值電壓以辨識制動操作模式，以及當在該制動操作模式中時，該方法進一步包含：關閉該高側電晶體；產生具有至少二狀態轉換的至少一脈衝信號；以及將該至少一脈衝信號通訊到該低側電晶體中的各別的至少一個中的該控制節點中的各別的至少一個，導致該低側電晶體中的該至少一個的開啟和關閉情況，其中，該低側電晶體中的該至少一個的該開啟情況在該開啟情況的期間導致該制動操作模式，以及其中，該至少二狀態轉換導致電壓升壓操作，使得該電容器電壓是升壓的電壓，該升壓的電壓高於沒有該至少二狀態轉換時將獲得的電壓。在實施方式中，該上述方法可以以任何組合包含以下態樣中的一個或多個。在該上述方法的一些實施方式中，電力供應包括在馬達驅動電路的外側的DC電力供應。在該上述方法的一些實施方式中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個為N通道場效電晶體(NFET)。在該上述方法的一些實施方式中，當脈衝時，該至少一脈衝信號能夠操作以當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時以及當該電動馬達轉動時在該電容器處產生電壓。在該上述方法的一些實施方式中，該至少一脈衝信號具有複數脈衝能夠操作以開啟和關閉該低側電晶體中的該至少一個。在該上述方法的一些實施方式中，當該馬達轉動且該電力供應電壓低於該臨界值電壓時藉由該馬達產生的反EMF電壓、該電動馬達的電感、用作開關的該低側電晶體中的該至少一個、該高側電晶體中的各別的至少一個的寄生二極體、和該電容器，結合在一起形成升壓開關調節器結構，從而當該電動馬達轉動時在該電容器上產生該電壓。在該上述方法的一些實施方式中，當該電力供應電壓高於該臨界值電壓時，該至少一脈衝信號沒有脈衝。根據對理解本發明的另一個方面有用的實施例，一種用以驅動電動馬達的馬達驅動電路包含複數驅動器電路，該複數驅動器電路中的每一個包括以半橋配置耦接到低側電晶體的高側電晶體，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個具有各別的控制節點和各別的第一和第二電流通過節點，其中，每個該高側電晶體中的該第二電流通過節點在各別的接面節點處耦接到該低側電晶體中的各別的一個的該第一電流通過節點，其中，該複數驅動器電路中的每一個能夠操作以將各別的電流從各別的接面節點驅動到該電動馬達的各別的繞組中。該馬達驅動電路更包含電容器，耦接到該高側電晶體中的每一個的該第一電流通過節點，該電容器能夠操作以保持電容器電壓。該馬達驅動電路進一步包含用以感測到該馬達驅動電路的電力供應電壓何時低於臨界值電壓以辨識制動操作模式的構件，以及當在該制動操作模式中時，該馬達驅動電路進一步包含用以關閉該高側電晶體的構件；用以產生具有至少二狀態轉換的至少一脈衝信號的構件；以及用以將該至少一脈衝信號通訊到該低側電晶體中的各別的至少一個中的該控制節點中的各別的至少一個構件，導致該低側電晶體中的該至少一個的開啟和關閉情況，其中，該低側電晶體中的該至少一個的該開啟情況在該開啟情況的期間導致該制動操作模式，以及其中，該至少二狀態轉換導致電壓升壓操作，使得該電容器電壓是升壓的電壓，該升壓的電壓高於沒有該至少二狀態轉換時將獲得的電壓。在實施方式中，該上述馬達驅動電路可以以任何組合包含以下態樣中的一個或多個。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，電力供應包括在馬達驅動電路的外側的DC電力供應。在上述馬達驅動電路的一些實施方式中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個為N通道場效電晶體(NFET)。在以上馬達驅動電路的一些實施方式中，當脈衝時，該至少一脈衝信號能夠操作以當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時以及當該電動馬達轉動時在該電容器處產生電壓。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，該至少一脈衝信號具有複數脈衝能夠操作以開啟和關閉該低側電晶體中的該至少一個。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，當該馬達轉動且該電力供應電壓低於該臨界值電壓時藉由該馬達產生的反EMF電壓、該電動馬達的電感、用作開關的該低側電晶體中的該至少一個、該高側電晶體中的各別的至少一個的寄生二極體、和該電容器，結合在一起形成升壓開關調節器結構，從而當該電動馬達轉動時在該電容器上產生該電壓。在該上述馬達驅動電路的一些實施方式中，當該電力供應電壓高於該臨界值電壓時，該至少一脈衝信號沒有脈衝。

在描述本發明之前，先解釋一些介紹性的概念和用語。如本文所使用的，用語「處理器」用於描述執行功能、操作或操作順序的電子電路。可以將功能、操作或操作順序硬編碼到電子電路中，或經由保持在記憶體裝置中的指令來被軟編碼。「處理器」可以使用數位值或類比信號執行功能、操作或操作順序。在一些實施方式中，「處理器」可以體現在專用積體電路(ASIC)中，該專用積體電路可以是類比ASIC或數位ASIC。在一些實施方式中，「處理器」可以體現在具有相關程式記憶體的微處理器中。在一些實施方式中，「處理器」可以實現在分散的電子電路中，其可以是類比的或數位的。如本文所使用的，用語「模組」用於描述「處理器」。處理器可以含有內部處理器或內部模組，其執行處理器的部分功能、操作或操作順序。類似地，模組可以包含內部處理器或內部模組，其執行模組的部分功能、操作或操作順序。儘管本文圖中所示的電子電路可以以類比方塊或數位方塊的形式示出，但是應該理解，類比方塊可以由執行相同或相似功能的數位方塊代替，並且數位方塊可以由執行相同或相似功能的類比方塊代替。類比數位或數位類比轉換可能未在圖式中明確顯示，但應理解。如本文所用，用語「預定」在指稱值或信號時，用於指稱在製造時在工廠或之後藉由外部構件(例如程式化)設置或固定的值或信號。如本文所用，當提及值或信號時，用語「確定的」用於提及製造後在操作期間由電路辨識的值或信號。如本文所用，用語「主動電子組件」用於描述具有至少一個pn接面的電子組件。電晶體、二極體和邏輯閘是主動電子組件的實施例。相反，如本文所使用的，用語「被動電子組件」用於描述不具有至少一個pn接面的電子組件。電容器和電阻器是被動電子組件的實施例。如本文所使用的，用語「線」和「線性」用於描述直線或曲線。該線可以由具有小於無限的任何階的函數來描述。參照圖1，電子電路100可以用於接收驅動信號104以在節點110、112、114處產生驅動信號以驅動馬達122。馬達122可以是被模組化為在接面節點129處耦接的三個電路腳的三相馬達122。可以將這三個腳模組化為具有對應的三個反電動勢(BEMF)電壓源124、126、128(AC電源)，其與對應的三個電阻器130、132、134串聯耦接，並且與對應的三個電感器136、138、140串聯耦接。電子電路100可以兩種模式操作。在第一操作模式中，在本文中也稱為「運行」模式，出現在節點110、112、114處的驅動信號可以是相對高電力的PWM信號，以轉動馬達122。在該運行操作模式下，電子電路100接收輸入電壓116，其可以導致電壓118保持在電容器120上。電壓118可以是例如十二伏、二十四伏或六伏。出現在節點110、112、114處的PWM信號可以具有等於或接近電壓118的高狀態和等於或接近零伏的低狀態。為此，出現在節點110、112、114處的信號可以由電晶體的圖騰柱(totem poles)對產生，每對電晶體具有接面節點。這裡示出了三對電晶體，其中具有接面節點109的電晶體106、108只是一個實施例。電晶體，例如106、108，可以是例如N通道MOSFET(金屬氧化物矽場效電晶體)。其他類型的電晶體也是可能的，例如P通道MOSFET或p或n型雙極電晶體。在此不敘述驅動信號104的產生，但是將被理解。這裡足以說，對於三相馬達122，節點110、112、114處的驅動信號104和所得信號可以相隔一百二十度。在第二操作模式中，在本文中也稱為「制動(braking)」模式，電力供應電壓116被斷開並且驅動信號104被控制，使得六個驅動器MOSFET是不導電的。斷開連接可以例如由斷開失靈馬達的人員手動進行。但是，斷開也可能用斷開電子電路自動發生。在該制動操作模式中，例如，如果馬達122機械地耦接到風扇並且空氣藉由其他構件吹過風扇，則馬達仍可以轉動。當轉向並處於制動操作模式時，會產生BEMF電壓124，並且電流142流過本徵MOSFET體二極體144，從而充當整流器並為電容器120充電。BEMF電壓124的幅度和出現在電容器120上的電壓可以與馬達122的旋轉的速率成比例。如果馬達122的旋轉的速率足夠高並且電容器120上的電壓足夠高，則該電壓可以開啟(接通)兩個用於制動的電晶體152、154。當馬達122的旋轉的速率足夠高並且電容器120上的電壓足夠高時，可以產生電流150。將理解的是，電流150可以操作以阻止馬達122的旋轉的速率。具有兩個電晶體152、154的制動裝置取決於馬達122的旋轉的速率是足夠高並且電容器120上的電壓是足夠高。制動操作模式可以將馬達的旋轉的速率僅減小到預定速率。應當理解，在運行操作模式中，儘管未示出用於創造所述非導通狀態的電路構件，但是電子電路100的其餘部分可以使電晶體152、154不導通。現在參考圖2，升壓開關調節器200可以被耦接以接收輸入電壓202，並且可以可操作以產生和輸出高於輸入電壓的電壓214。在習用使用中，輸入電壓202是DC電壓。然而，結合圖3，敘述了輸入電壓202可以替代地是AC電壓。升壓開關調節器200可以包含電感器204，該電感器204的第一端被耦接以接收輸入電壓202，並且第二端被耦接至二極體210的陽極。二極體210的陰極端可以被耦接到輸出電壓214。電容器212可以被耦接在輸出電壓214和參考電壓(例如接地)之間。開關208也可以被耦接在電感器的第二端與參考電壓(例如接地)之間。在一些實施方式中，脈衝控制器218可以被耦接在輸出電壓214和開關的控制節點之間。在操作中，開關208的閉合隨後開關的斷開可以在電感器第二端處的信號206中引起正電壓瞬變。正電壓瞬變可迫使電荷通過二極體210並進入電容器212。開關208的閉合的更快的脈衝寬度調變(例如，脈衝寬度和占空比)可以導致更多的電荷進入電容器212和更高的輸出電壓214。從輸出電壓214到脈衝控制器218的回授信號216可以導致對開關208的閉合的脈衝寬度調變的控制，並且因此可以將輸出電壓214控製到調節的輸出電壓。在一些實施方式中，可以省略回授信號216，在這種情況下，脈衝控制器218可以產生具有固定脈衝持續時間的固定速率的脈衝，在這種情況下，輸出電壓214是不受調節的。參照圖3，說明性電子電路300可以用於接收驅動信號304以在節點310、312、314處產生驅動信號以驅動馬達322。電子電路300可以設置在基板302上。馬達322可以是被模組化為在接面節點329處耦接的三個電路腳的三相馬達322。可以將這三個腳模組化為具有對應的三個反電動勢(BEMF)電壓源324、326、328(AC電源)，其與對應的三個電阻器330、332、334串聯耦接，並且與對應的三個電感器336、338、340串聯耦接。電子電路300可以操作在兩種模式中。在第一操作模式中，在本文中也稱為「運行」模式，出現在節點310、312、314處的驅動信號可以是相對高電力的PWM信號，以轉動馬達322。在運行操作模式下，電子電路300接收輸入電壓316，其可以導致電壓318保持在電容器320上。電壓318可以是例如十二伏、二十四伏或六伏。出現在節點310、312、314處的PWM信號可以具有等於或接近電壓318的高狀態和等於或接近零伏的低狀態。為此，出現在節點310、312、314處的信號可以由電晶體的圖騰柱(totem poles)對(半橋)產生，每對電晶體具有接面節點。這裡示出了三對電晶體，其中具有接面節點349的電晶體348、350只是一個實施例。電晶體，例如348、350，可以是例如N通道MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)。其他類型的電晶體也是可能的，例如P通道MOSFET或p或n型雙極電晶體。在此不敘述驅動信號304的產生，但是將被理解。這裡足以說，對於三相馬達322，節點310、312、314處的驅動信號304和所得信號可以相隔一百二十度。在一些實施方式中，驅動信號可以類似於2014年5月20日授權的美國專利第8,729,841號中描述的驅動信號，該專利的全部內容藉由引用合併於此。在一些實施方式中，也可以將用於產生驅動信號304的電路設置在基板302上。然而，在其他實施方式中，驅動電路未設置在基板上。在第二操作模式(本文中也稱為「制動」模式)中，電力供應電壓316斷開連接(或以其他方式低於臨界值電壓，例如1伏或0.5伏)，並且將驅動信號304設置為使上MOSFET 346、347、348不導通(即關閉)的電壓，同時保留電力損耗制動控制電路362以控制下MOSFET 350、352和354的驅動信號A、B和C。在制動操作模式下，例如，如果馬達322機械地耦接到風扇並且空氣吹過風扇，則馬達仍可以轉動。在制動操作的第一部分中，會產生BEMF電壓324、326，並且電流342、344流過本徵MOSFET體二極體346、348，從而充當整流器並為電容器320充電。BEMF電壓324、326的幅度和出現在電容器320上的電壓可以與馬達322的旋轉的速率成比例。如果馬達322的旋轉的速率足夠高並且電容器320上的電壓足夠高，則電容器320上的電壓可以向電力損失制動控制電路362提供電力。電力損失制動控制電路362也可以被耦接以接收輸入電壓316。在制動操作的第二部分中，輸入電壓316仍然斷開(或低於該上述臨界值電壓)，並且驅動信號304仍然設置為使上MOSFET 346、347、348不導通的電壓，同時使電力損耗制動控制電路362控制MOSFET 350、352和354的驅動信號A、B和C。首先，當在制動操作的第一部分中電容器320上的電壓足夠高以開啟電力損耗制動控制電路362時，電力損耗制動控制電路362可以產生信號，例如三個信號A、B、C。這三個信號A、B、C可以被耦接到下電晶體350、352、354的控制節點，例如閘極。三個信號A，B，C通常可以在大多數情況下為高以開啟三個下電晶體350、352、354，但是也可以在短期間負脈衝中再次被拉低然後再次拉高。三個下電晶體350、352、354中的一個或多個的開啟(接通)情況導致馬達322上的斷開操作，特別是當到上三個電晶體346、347、348的控制信號無效時使其關閉。信號A，B，C的實施例在下面的圖4和4A中顯示出。從下面的討論中將顯而易見的是，脈衝信號A、B、C可導致升壓開關調節器操作，以將電容器320上的電壓驅動至比僅藉由上述制動操作的第一部分原本獲得的更高的電壓。因此，與其他方式相比，制動功能可以使馬達322的旋轉的速率降低。在操作中，現在轉向升壓開關調節器之一，與圖2的升壓開關調節器200相比，應注意BEMF電壓324，其是馬達322轉動時的交流電壓。可以將該交流電壓與圖2的DC(或AC)輸入電壓202相比較。可以將電感器336與圖2的電感器204進行比較。電晶體350可以與圖2的開關208進行比較。二極體346可以與圖2的二極體210進行比較。電容器320可以與圖2的電容器212進行比較。當通常在制動操作模式下閉合的開關350瞬間斷開然後藉由信號A再次閉合時，在電感器336處出現正電壓瞬變，導致電流流過二極體346並流入電容器320。在電容器320處產生的電壓高於在圖1的電容器120上原本將獲得的電壓。在如圖4A所示的一些實施方式中，信號A、B、C依序地被脈衝化，其中負脈衝組一次僅在電晶體350、352、354中的一個中發生，並且在信號A、B、C之間具有一百二十度的相差。因此，電晶體350、352、354中的所有三個都可以在電容器320處貢獻較高電壓。在其他實施方式中，例如，如圖4所示，信號A、B、C可以基本上同時被脈衝化。顯然，依次打開開關350、352、354會導致電流脈衝依序通過二極體346、347、348，從而在電容器320處產生升壓的電壓。替代地，同時打開開關350、352、354導致電流脈衝同時流過二極體346、347、348，從而在電容器320處產生升壓的電壓。儘管三個信號A、B、C導致三個升壓調節器結構，但在其他實施例中，僅使用信號A、B或C中的一個或兩個，並且僅使用電晶體350、352、354中的一個或兩個在升壓開關調節器結構中。在一些實施方式中，電力損耗控制電路可以使用電容器320上的感測電壓來控制信號A、B、C的開關速率及/或脈衝寬度(即，脈衝寬度調變，PWM)。因此可以控制開關速率，以在電容器320上產生穩定的電壓。電子電路的制動操作模式可以將馬達322的旋轉的速率降低到低於圖1的馬達122的預定旋轉的速率的速率。應當理解，在運行操作模式中，儘管未示出用於重新連接的構件，但是電晶體350、352、354可以連接至驅動信號而不是信號A、B、C。在一些實施方式中，數位閘(例如，或閘)可以用於該目的。下面結合圖6描述進一步的細節。電晶體350、352、354可具有所謂的「增強電壓」Ve，例如，各別的閘極-源極電壓，在該閘極-源極電壓之上，電晶體350、352、354基本上完全開啟至電阻R_DSe 。由於電容器320處的較高電壓，信號A、B、C可以具有高於增強電壓Ve的高狀態。在較低的閘極電壓下，電晶體350、352、354僅部分地開啟。在一些實施方式中，電晶體350、352、354的增強電壓高於約五伏。下面結合圖5更全面地描述增強電壓。在一些實施方式中，可以包括另一電晶體366，其可以被耦接到低側電晶體350、352、354中的一個。電晶體366可以具有比電晶體350、352、354低的增強電壓，例如兩伏。因此，電晶體366可以在其他電晶體350、352、354之前在信號C'的電壓下開啟和關閉(截止)。因此，升壓可以在較低的電壓下發生。在一些實施方式中，電晶體366可以與其他MOSFET電晶體350、352、354、346、347、348被包含在同一半導體基板上。在一些實施方式中，三個低側電晶體350、352、354是外部電晶體並且不在同一半導體基板上。電晶體346、347、348、350、352、354、366的任何組合可以被包含在共同的半導體基板上，而其他的可以是外部分開的電晶體。現在參考圖4和4A，曲線圖400、420每個具有三個水平軸，其具有在任意單位中的時間標度，以及一個共用垂直軸，其具有在任意單位中的伏(volt)單位的標度。信號402、404、406可以對應於圖3的信號A、B、C。在替代實施方式中，信號422、424、426可以對應於圖3的信號A、B、C。信號A、B、C的高值分別指示電晶體350、352、354的開啟狀態，而低狀態則指示電晶體關閉。指示脈衝組可以具有一個或多個脈衝，每個脈衝具有兩個狀態轉換。脈衝組402、404、406可以同時發生。脈衝組422、424、426可以彼此分開一百二十度(或另一關係)。在一些實施方式中，信號402、404、406中的脈衝組的速率比AC BEMF電壓324、326、328的循環的速率高得多，例如，十倍以上。在一些實施方式中，脈衝組的速率為大約二十五赫茲，並且負過渡脈衝寬度為大約一微秒長(或更短)，並且可以藉由圖3的電力損耗制動控制電路316進行改變以控制電容器320上的電壓。下面結合圖7敘述電力損耗制動控制電路316的改變。在一些實施方式中，脈衝組402、404、406、422、424、426與AC BEMF電壓324、326、328的周期不同步。在其他實施例中，脈衝組402、404、406、422、424、426與AC BEMF電壓324、326、328的周期同步。在一些實施方式中，脈衝組422、424、426彼此之間在大約九十度與大約一百五十度之間。現在參考圖5，曲線圖具有水平軸和垂直軸，水平軸具有在任意單位中的電壓單位的標度，垂直軸具有在任意單位中的電流單位的標度。水平軸表示MOSFET的閘極-源極電壓，垂直軸表示MOSFET的汲極-源極電壓。轉移特性曲線502具有區域504和區域506。高於臨界值閘極源極電壓Vth時，MOSFET開始導通。高於增強型閘極-源極電壓Ve時，MOSFET達到高電導和低電阻RDSe。高於增強電壓Ve時，MOSFET基本處於完全開啟狀態。可以實現具有不同的增強電壓Ve和不同的臨界值電壓Vt的MOSFET。現在參考圖6，顯而易見的是，說明性的馬達驅動電路600可以包含圖3的元件。這裡，電力損耗制動控制電路602可以與圖3的電力損耗制動控制電路362相同或相似。電力損耗制動控制電路602可以用於產生圖4的曲線圖400的信號。其他類似的電路可以用來產生圖4A的曲線圖420的信號。電阻器604、606、607可以串聯被耦接在電容器640處的該電壓與參考電壓(例如，地)之間。電阻器604、606、607的兩個接面節點可以被耦接到第一和第二各別的比較器612、614的輸入節點。另外兩個電阻器608、610可以被串聯耦接在輸入電壓642和參考電壓(例如，接地)之間。電阻器608、610的接面節點可以被耦接到第三比較器616的輸入節點。延遲模組622可以被耦接以從比較器616接收輸出信號。參考電壓發生器620可以被耦接到第一、第二和第三比較器612、614、616的輸入節點。第一或閘619可以具有兩個輸入端子，其被耦接以接收來自第二比較器614的輸出信號和由振盪器618產生的時脈信號。三輸入及閘624可被耦接以接收由第一比較器612產生的輸出信號、由或閘619產生的輸出信號、以及由延遲模組622產生的輸出信號。可以耦接二輸入及閘626以接收來自第一或閘619的輸出信號和來自延遲模組622的輸出信號。來自二輸入及閘626的輸出信號C'可以類似於圖3的信號C'。在制動操作模式中，第二或閘628可以被耦接以從三輸入及閘624接收輸出信號。第三或閘630也可以被耦接以從三輸入及閘624接收輸出信號。第四或閘632可以被耦接以從二輸入及閘626接收輸出信號。在運行操作模式中，第二或閘628可以被耦接以從運行模式控制電路638接收第一輸出信號。第三或閘630可以被耦接以從運行模式電路638接收第二輸出信號。第四或閘632可以被耦接以從運行模式電路638接收第三輸出信號。利用上述配置，當處於制動操作模式時，低側MOSFET閘極驅動器634可以由來自三輸入及閘624和來自二輸入及閘626的信號控制。相反，當處於運行操作模式時，低側MOSFET閘極驅動器634可以由來自運行模式控制電路638的信號所控制。參考電壓產生器620可以是主電路600的一部分，或者可以是專用於電力損耗制動功能的低電力和低淨空設計。在操作中，第三比較器616檢測輸入電壓642的損失，並將信號提供給運行模式控制電路638以停用低側源極驅動器。第三比較器616的典型臨界值可以是大約兩伏，具有一些磁滯以防止顫動(例如200mV)。在啟用電力損耗模式改變之前，延遲模組622可以延遲來自第三比較器616的輸出信號，以使任何主動源極驅動器有時間關閉。典型的延遲可能是一微秒。在操作中，第二比較器614可以檢測電容器640上的電壓VBB是高於還是低於調節水平並且還具有磁滯現象。典型的上升臨界值可以約為六伏，典型的下降臨界值可以約為5.5伏。當VBB大於六伏時，第二比較器614的輸出可以為高，這會迫使第一或閘619的輸出為高，從而阻止來自振盪器618的信號。振盪器618可以具有大約三十八微秒的典型高狀態持續時間和大約兩微秒的典型低脈衝寬度。振盪器618可以連續運行，但是可以由第二比較器614的輸出進行閘控，使得當電容器640上的該電壓高於六伏調節水平時，不存在由兩個及閘形成的關閉狀態(即，及閘624、626的輸出為高)(即，關閉升壓)。在操作中，第一比較器612可以檢測何時電容器640上的電壓足夠高以使得上述所有升壓電路正確地操作。第一比較器612的典型臨界值可以在大約兩伏的情況下具有一些磁滯以防止顫動(例如200mV)。參照圖7以及還參照圖6，曲線圖700具有共用水平軸和共用垂直軸，共用水平軸具有以在任意單位中的時間標度，共用垂直軸在任意單位中的伏(volt)單位的標度。信號706、708、710可以對應於圖6的信號A、B、C。信號702表示電容器640上的VBB電壓。信號704指示來自第二比較器614的輸出信號。信號706指示來自第一比較器612的輸出信號。在時間t0和t1之間，在以上結合圖3所述的制動操作模式的第一部分中，電容器640上的VBB電壓可以經由上和下驅動器MOSFET的體二極體進行整流來充電。從時間t1到t2，當VBB電壓足以開啟低側MOSFET中的一個時，電容器上的VBB電壓會繼續以增加的速率上升。此行為將在以下進一步敘述。這裡足以說這是個重點，有足夠的VBB電壓來開啟一個驅動器(DC)，但不足以完全發揮作用。藉由開啟一個驅動器，僅用高側二極體壓降而不是高側和低側二極體壓降即可實現VBB整流的電壓。從時間t2開始，輸出脈衝出現在A、B和C信號中，導致在上面結合圖3所述的制動模式的第二部分期間，電容器640上的VBB電壓升壓。為此，在時間t2和t3之間在信號708、710、712中可以存在第一組脈衝。在時間t3，VBB電壓可以達到穩定狀態，在這種情況下，信號708、710、712可以具有各自具有更少脈衝的脈衝組，並且VBB電壓可以在穩定狀態周圍波動。再次參考圖6，在非常低的馬達速度旋轉期間，並且在斷開馬達電力的情況下，當整流的VBB電壓足以為邏輯電路供電時，當來自振盪器618的信號為高並且輸入電壓642為低時二輸入及閘626可以致能A通道的MOSFET驅動器(在634之內)。這並不取決於是否有足夠的電壓來使所有電力損耗制動功能運行，因為它僅用於接地端子OUTA，這有助於從時間t1到時間t2初為電容器電壓640供電。本質上，如果可以使端子OUTA處的信號開啟，則僅需藉由頂側體二極體對BEMF電壓進行整流，即可從時間t1到時間t2對電容器640進行充電。可以將振盪器618設計為對於電容器640上的任何電壓值永遠不會保持低位。如VBB進一步增加(即，在電容器640的電壓)，作為上述接地端子OUTA，或增加馬達旋轉速率，當第二比較器614的輸出為低，指示有足夠VBB電壓操作所有的電力損耗制動控制電路602時，經由邏輯閘和低側MOSFET閘極驅動電路634所耦接的振盪器信號可以在從t2到t3的時間開始向低側MOSFET施加短關閉脈衝(short off pulses)。在每個關閉脈衝期間，儲存在馬達的電感中的一些能量將傳遞電流以對VBB電容器640充電。當VBB電容器640在時間t3達到期望的調節水平時，第二比較器614的輸出可以進一步阻擋短關閉脈衝，直到VBB電壓702已經減小到由第二比較器614的磁滯(hysteresis)所設定的前述水平為止，此時，再次施加所述短關閉脈衝，以便重複磁滯控制週期。因為該調節水平可能高於馬達的BEMF電壓，所以驅動馬達繞組的低(汲入(sink))側MOSFET可能會完全開啟，並且制動作用可以保持在低旋轉的速率下。再者，由於所有三個汲入側(sink side)MOSFET均以高佔空比導通，因此與僅使用兩個MOSFET來制動馬達的圖1的現有技術相比，制動效率得以提高。再者，由於汲入側MOSFET完全導通，因此MOSFET的電力消耗得以降低，從而避免了這些組件的過度發熱。應該認識到，電力損耗制動控制電路602的所有元件可以由電容器640上的電壓供電，該電容器可以藉由上述的升壓操作來升壓。因此，電力損耗制動控制電路602可以操作以將馬達的旋轉速度低於其他可能者。雖然特定的閘和電路用於形成電力損耗制動控制電路602，但是其他電路也可以用於產生相同或相似的信號。雖然整個馬達驅動電路600被顯示出為設置在共用半導體基板601上，但是在其他實施方式中，馬達驅動電路600的任何部分可以設置在一個或多個其他半導體基板上。本文引用的所有參考文獻通過引用整體併入本文。已經敘述了用於說明作為本專利主題的各種概念、結構和技術的較佳實施方式，現在將變得顯而易見的是，可以使用包含這些概念、結構和技術的其他實施方式。因此，認為專利的範圍不應限於所敘述的實施方式，而應該僅由下面的申請專利範圍的精神和範圍來限制。本文敘述的實施方式的元件可以組合以形成以上未具體闡述的其他實施方式。也可以單獨地或以任何合適的子組合來提供在單個實施方式的上下文中描述的各種元件。本文未具體描述的其他實施方式也在所附請求項的範圍內。

100:電子電路 102:基板 104:驅動信號 106:電晶體 108:電晶體 109:接面節點 110:節點 112:節點 114:節點 116:電力供應電壓 118:電壓 120:電容器 122:馬達 124:BEMF電壓 126:BEMF電壓 128:BEMF電壓 129:接面節點 130:電阻器 132:電阻器 134:電阻器 136:電感器 138:電感器 140:電感器 142:電流 144:本徵MOSFET體二極體 150:電流 152:電晶體 154:電晶體 200:升壓開關調節器 202:輸入電壓 204:電感器 206:信號 208:開關 210:二極體 212:電容器 214:電壓 216:回授信號 218:脈衝控制器 300:電子電路 302:基板 304:驅動信號 310:節點 312:節點 314:節點 316:輸入電壓 318:電壓 320:電容器 322:馬達 324:BEMF電壓 326:BEMF電壓 328:BEMF電壓 329:接面節點 330:電阻器 332:電阻器 334:電阻器 336:電感器 338:電感器 340:電感器 342:電流 344:電流 346:本徵MOSFET體二極體 347:本徵MOSFET體二極體 348:本徵MOSFET體二極體 349:接面節點 350:電晶體 352:電晶體 354:電晶體 356:電流 358:電流 360:電流 362:電力損耗制動控制電路 366:電晶體 400:曲線圖 402:信號 404:信號 406:信號 420:曲線圖 422:信號 424:信號 426:信號 500:曲線圖 502:轉移特性曲線 504:區域 506:區域 600:馬達驅動電路 601:共用半導體基板 602:電力損耗制動控制電路 604:電阻器 606:電阻器 607:電阻器 608:電阻器 610:電阻器 612:比較器 614:比較器 616:比較器 618:振盪器 619:或閘 620:參考電壓產生器 622:延遲模組 624:及閘 626:及閘 628:或閘 630:或閘 632:或閘 634:低側MOSFET閘極驅動器 638:運行模式控制電路 640:電容器 642:輸入電壓 700:曲線圖 702:信號 704:信號 706:信號 708:信號 710:信號 712:信號 A:信號 B:信號 C:信號 C’:信號 D:信號 E:信號 F:信號 OUTA:接地端子 t0:時間 t1:時間 t2:時間 t3:時間 VBB:電壓 Vbemf:電壓

從以下圖式的詳細描述中，可以更充分地理解本發明的前述特徵以及本發明本身，其中：圖1是一個方塊圖，示出了可用於阻止電動馬達旋轉的現有技術制動電路。圖2是示出升壓開關調節器的方塊圖。圖3是示出具有制動電路的說明性電子電路(馬達驅動電路)的方塊圖，該制動電路可用於阻止電動馬達的旋轉。圖4和4A是示出圖3的制動電路中的說明性信號的曲線圖；圖5是示出N型FET的轉移特性的曲線圖；圖6是示出具有圖3的說明性制動電路的進一步細節的說明性電子電路的方塊圖；以及圖7是示出與圖6的電子電路相關的信號的說明性啟動(start-up)的曲線圖。

600:馬達驅動電路

601:共用半導體基板

602:電力損耗制動控制電路

604:電阻器

606:電阻器

607:電阻器

608:電阻器

610:電阻器

612:比較器

614:比較器

616:比較器

618:振盪器

619:或閘

620:參考電壓產生器

622:延遲模組

624:及閘

626:及閘

628:或閘

630:或閘

632:或閘

634:低側MOSFET閘極驅動器

638:運行模式控制電路

640:電容器

642:輸入電壓

C’:信號

VBB:電壓

Vbemf:電壓

Claims

一種用於驅動電動馬達的馬達驅動電路，包括：複數驅動器電路，該複數驅動器電路中的每一個包括以半橋配置耦接到低側電晶體的高側電晶體，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個具有各別的控制節點和各別的第一和第二電流通過節點，其中，每個該高側電晶體中的該第二電流通過節點在各別的接面節點處耦接到該低側電晶體中的各別的一個的該第一電流通過節點，其中，該複數驅動器電路中的每一個能夠操作以將各別的電流從各別的接面節點驅動到該電動馬達的各別的繞組中；電容器，耦接到該高側電晶體中的每一個的該第一電流通過節點，該電容器能夠操作以保持電容器電壓；以及電力損耗制動控制電路，耦接以從該電容器接收該電容器電壓且能夠操作以感測到該馬達驅動電路的電力供應電壓何時低於臨界值電壓以及，在制動操作模式中，該高側電晶體是關閉的，以及還在該制動操作模式中，當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時，該電力損耗制動控制電路能夠操作以產生具有至少二狀態轉換的至少一脈衝信號以及能夠操作以將該至少一脈衝信號通訊到該低側電晶體中的各別的至少一個中的該控制節點中的各別的至少一個，導致該低側電晶體中的該至少一個的開啟和關閉情況，其中，該低側電晶體中的該至少一個的該開啟情況在該開啟情況的期間導致該制動操作模式，以及其中，該至少二狀態轉換導致電壓升壓操作，使得該電容器電壓是升壓的電壓，該升壓的電壓高於沒有該至少二狀態轉換時將獲得的電壓。
如請求項1之馬達驅動電路，其中，該電力供應包括在該馬達驅動電路的外側的DC電力供應。
如請求項1之馬達驅動電路，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個為N通道場效電晶體(NFET)。
如請求項1之馬達驅動電路，其中，當脈衝時，該至少一脈衝信號，能夠操作以當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時以及當該電動馬達轉動時在該電容器處產生電壓。
如請求項4之馬達驅動電路，其中，該至少一脈衝信號具有複數脈衝能夠操作以開啟和關閉該低側電晶體中的該至少一個。
如請求項5之馬達驅動電路，其中，當該馬達轉動且該電力供應電壓低於該臨界值電壓時藉由該馬達產生的反EMF電壓、該電動馬達的電感、用作開關的該低側電晶體中的該至少一個、該高側電晶體中的各別的至少一個的寄生二極體、和該電容器，結合在一起形成升壓開關調節器結構，從而當該電動馬達轉動時在該電容器上產生該電壓。
如請求項5之馬達驅動電路，其中，當該電力供應電壓高於該臨界值電壓時，該至少一脈衝信號沒有脈衝。
一種用馬達驅動電路驅動電動馬達的方法，包括：提供複數驅動器電路，該複數驅動器電路中的每一個包括以半橋配置耦接到低側電晶體的高側電晶體，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個具有各別的控制節點和各別的第一和第二電流通過節點，其中，每個該高側電晶體中的該第二電流通過節點在各別的接面節點處耦接到該低側電晶體中的各別的一個的該第一電流通過節點，其中，該複數驅動器電路中的每一個能夠操作以將各別的電流從各別的接面節點驅動到該電動馬達的各別的繞組中；提供耦接到該高側電晶體中的每一個的該第一電流通過節點的電容器；在該電容器上保持電容器電壓；感測到該馬達驅動電路的電力供應電壓何時低於臨界值電壓以辨識制動操作模式，以及當在該制動操作模式中時，該方法進一步包括：關閉該高側電晶體；產生具有至少二狀態轉換的至少一脈衝信號；以及將該至少一脈衝信號通訊到該低側電晶體中的各別的至少一個中的該控制節點中的各別的至少一個，導致該低側電晶體中的該至少一個的開啟和關閉情況，其中，該低側電晶體中的該至少一個的該開啟情況在該開啟情況的期間導致該制動操作模式，以及其中，該至少二狀態轉換導致電壓升壓操作，使得該電容器電壓是升壓的電壓，該升壓的電壓高於沒有該至少二狀態轉換時將獲得的電壓。
如請求項8之方法，其中，該電力供應包括在該馬達驅動電路的外側的DC電力供應。
如請求項8之方法，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個為N通道場效電晶體(NFET)。
如請求項8之方法，其中，當脈衝時，該至少一脈衝信號，能夠操作以當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時以及當該電動馬達轉動時在該電容器處產生電壓。
如請求項11之方法，其中，該至少一脈衝信號具有複數脈衝能夠操作以開啟和關閉該低側電晶體中的該至少一個。
如請求項12之方法，其中，當該馬達轉動且該電力供應電壓低於該臨界值電壓時藉由該馬達產生的反EMF電壓、該電動馬達的電感、用作開關的該低側電晶體中的該至少一個、該高側電晶體中的各別的至少一個的寄生二極體、和該電容器，結合在一起形成升壓開關調節器結構，從而當該電動馬達轉動時在該電容器上產生該電壓。
如請求項12之方法，其中，當該電力供應電壓高於該臨界值電壓時，該至少一脈衝信號沒有脈衝。
一種用於驅動電動馬達的馬達驅動電路，包括：複數驅動器電路，該複數驅動器電路中的每一個包括以半橋配置耦接到低側電晶體的高側電晶體，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個具有各別的控制節點和各別的第一和第二電流通過節點，其中，每個該高側電晶體中的該第二電流通過節點在各別的接面節點處耦接到該低側電晶體中的各別的一個的該第一電流通過節點，其中，該複數驅動器電路中的每一個能夠操作以將各別的電流從各別的接面節點驅動到該電動馬達的各別的繞組中；電容器，耦接到該高側電晶體中的每一個的該第一電流通過節點，該電容器能夠操作以保持電容器電壓；用以感測到該馬達驅動電路的電力供應電壓何時低於臨界值電壓以辨識制動操作模式的構件，以及當在該制動操作模式中時，該馬達驅動電路進一步包含；用以關閉該高側電晶體的構件；用以產生具有至少二狀態轉換的至少一脈衝信號的構件；以及用以將該至少一脈衝信號通訊到該低側電晶體中的各別的至少一個中的該控制節點中的各別的至少一個構件，導致該低側電晶體中的該至少一個的開啟和關閉情況，其中，該低側電晶體中的該至少一個的該開啟情況在該開啟情況的期間導致該制動操作模式，以及其中，該至少二狀態轉換導致電壓升壓操作，使得該電容器電壓是升壓的電壓，該升壓的電壓高於沒有該至少二狀態轉換時將獲得的電壓。
如請求項15之馬達驅動電路，其中，該電力供應包括在該馬達驅動電路的外側的DC電力供應。
如請求項15之馬達驅動電路，其中，該高側電晶體中的每一個和該低側電晶體中的每一個為N通道場效電晶體(NFET)。
如請求項15之馬達驅動電路，其中，當脈衝時，該至少一脈衝信號，能夠操作以當該電力供應電壓低於該臨界值電壓時以及當該電動馬達轉動時在該電容器處產生電壓。
如請求項18之馬達驅動電路，其中，該至少一脈衝信號具有複數脈衝能夠操作以開啟和關閉該低側電晶體中的該至少一個。
如請求項19之馬達驅動電路，其中，當該馬達轉動且該電力供應電壓低於該臨界值電壓時藉由該馬達產生的反EMF電壓、該電動馬達的電感、用作開關的該低側電晶體中的該至少一個、該高側電晶體中的各別的至少一個的寄生二極體、和該電容器，結合在一起形成升壓開關調節器結構，從而當該電動馬達轉動時在該電容器上產生該電壓。
如請求項19之馬達驅動電路，其中，當該電力供應電壓高於該臨界值電壓時，該至少一脈衝信號沒有脈衝。