TWI381626B - 風扇控制電路 - Google Patents

Description

風扇控制電路

本發明是有關於一種風扇控制電路，且特別是有關於一種適用於伺服器的風扇控制電路。

伺服系統上通常會具有多組風扇來進行散熱，就目前的電腦系統而言，風扇控制主要是透過主機板(Mother Board)上之一嵌入式控制器(Embedded Controller，簡稱EC)來進行超溫保護。此嵌入式控制器會偵測電腦系統的溫度，並據以調整脈波寬度調變(pulse width modulation，簡稱PWM)信號的工作頻率來控制電腦系統之系統風扇的轉速，達到調節溫度的效果。

伺服系統中會具有多組的熱感測器以決定不同位置的風扇轉速，舉例而言，若二片伺服器的主機板共用一風扇板(fan board)，伺服器主機板會分別提供不同的脈波寬度調變信號至風扇板，在習知技術中會透過微控制晶片(micro-controller)來整合前述的不同脈波寬度調變信號，利用工作頻率最高的脈波寬度調變信號來驅動風扇板。

但是微控制晶片的價格昂貴且其使用的電壓與風扇不同，需要另外提供電壓源給微控制晶片使用，這不僅增加設計複雜度，同時也增加了設計成本。

本發明提供一種風扇控制電路，透過積分電路將脈波寬度調變信號轉換為電壓，然後進行比較以輸出工作頻率較大的脈波寬度調變信號來驅動多組風扇，由於其風扇控制電路可直接由離散元件(discrete component)來組成，並且可與風扇使用相同的電壓源，因此可降低設計成本與複雜度。

承上述，本發明提供一種風扇控制電路，用以控制一風扇之轉速，上述風扇控制電路包括一積分單元、一第一運算放大器以及一輸出單元。其中，積分單元接收第一脈波寬度調變信號與第二脈波寬度調變信號，並輸出對應於第一脈波寬度調變信號之工作頻率之第一電壓與對應於第二脈波寬度調變信號之工作頻率之第二電壓。第一運算放大器耦接於積分單元的輸出，用以比較第一電壓與第二電壓。輸出單元耦接於第一運算放大器的輸出、第一脈波寬度調變信號與第二脈波寬度調變信號，並根據第一運算放大器的輸出，輸出第一脈波寬度調變信號與第二脈波寬度調變信號其中之一以控制風扇。其中，積分單元包括第一積分電路，用以接收第一脈波寬度調變信號並輸出第一電壓至第一運算放大器的負輸入端。第一積分電路包括NMOS電晶體(n-channel金氧半導場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱MOSFET))以及第三電阻。NMOS電晶體的汲極(drain)耦接於第一電阻，NMOS電晶體的源極(source)耦接於接地端，且NMOS電 晶體的閘極耦接於第二電阻，第二電阻的另一端耦接於第一脈波寬度調變信號。第三電阻與電容串聯，第三電阻耦接於電壓源，電容耦接於接地端，且第一電阻的另一端耦接於第三電阻與電容的共用接點。其中，第三電阻與電容的共用接點輸出第一電壓。

在本發明一實施例中，積分單元包括一第二積分電路，其中第二積分電路用以接收第二脈波寬度調變信號並輸出第二電壓至第一運算放大器的正輸入端，其中第一電路與第二電路可以採用相同的電路結構。

在本發明一實施例中，上述輸出單元包括第二運算放大器、第五電阻、第一PMOS電晶體(p-channel MOSFET)與第二PMOS電晶體，其中第二運算放大器的負輸入端耦接一第四電阻，第四電阻的另一端耦接於第一運算放大器的輸出。第五電阻耦接於第二運算放大器的輸出端與負輸入端之間，第一PMOS電晶體的汲極耦接於第一脈波寬度調變信號，第一PMOS電晶體的源極耦接於輸出單元的輸出端，且第一PMOS電晶體的閘極耦接於第一運算放大器的輸出。第二PMOS電晶體的汲極耦接於第二脈波寬度調變信號，第二PMOS電晶體的源極耦接於輸出單元的輸出端，且第二P型電晶體的閘極耦接於第二運算放大器的輸出。其中，輸出單元中之第二運算放大器的正輸入端耦接於接地端。值得注意的是，輸出單元也可以改變接收第一脈波寬度調變信號與第二脈波寬度調變信號的端點以對應輸出不同的信號。

本發明提供還一種風扇控制電路，用以控制風扇之轉速。風扇控制電路包括積分單元、第一運算放大器以及輸出單元。積分單元，接收第一脈波寬度調變信號與第二脈波寬度調變信號，並輸出對應於第一脈波寬度調變信號之工作頻率之第一電壓與對應於第二脈波寬度調變信號之工作頻率之第二電壓。第一運算放大器耦接於積分單元的輸出，用以比較第一電壓與第二電壓。輸出單元耦接於第一運算放大器的輸出、第一脈波寬度調變信號與第二脈波寬度調變信號，並根據第一運算放大器的輸出，輸出第一脈波寬度調變信號與第二脈波寬度調變信號其中之一以控制風扇。其中，積分單元包括第二積分電路，用以接收第二脈波寬度調變信號並輸出第二電壓至第一運算放大器的正輸入端。第二積分電路包括NMOS電晶體以及第三電阻。NMOS電晶體的汲極耦接於第一電阻，NMOS電晶體的源極耦接於接地端，且NMOS電晶體的閘極耦接於第二電阻，第二電阻的另一端耦接於第二脈波寬度調變信號。第三電阻與電容串聯，第三電阻耦接於電壓源，電容耦接於接地端，且第一電阻的另一端耦接於第三電阻與電容的共用接點。其中，第三電阻與電容的共用接點輸出第二電壓。

在本發明一實施例中，上述積分單元包括第一積分電路，用以接收第一脈波寬度調變信號並輸出第一電壓至第一運算放大器的負輸入端。

在本發明一實施例中，上述輸出單元包括第二運算放大器、第五電阻、第一PMOS電晶體以及第二PMOS電晶 體。第二運算放大器的負輸入端耦接第四電阻，第四電阻的另一端耦接於第一運算放大器的輸出。第五電阻耦接於第二運算放大器的輸出端與負輸入端之間。第一PMOS電晶體的汲極耦接於第一脈波寬度調變信號，第一PMOS電晶體的源極耦接於輸出單元的輸出端，且第一PMOS型電晶體的閘極耦接於第一運算放大器的輸出。第二PMOS電晶體的汲極耦接於第二脈波寬度調變信號，第二PMOS電晶體的源極耦接於輸出單元的輸出端，且第二PMOS型電晶體的閘極耦接於第二運算放大器的輸出。其中，第二運算放大器的正輸入端耦接於接地端。

在本發明一實施例中，其中上述第一積分電路或第二積分電路可以由另一種電路架構來實現，其包括一NMOS電晶體、PNP電晶體與電阻、電容。NMOS電晶體的汲極耦接於一第一電阻，NMOS電晶體的源極耦接於一接地端，且NMOS電晶體的閘極耦接於一第二電阻，第二電阻的另一端耦接於第一脈波寬度調變信號。PNP電晶體(PNP雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，簡稱BJT))的射極(emitter)耦接於電壓源，而PNP電晶體的集極(collector)耦接於第三電阻，且PNP電晶體的基極(base)耦接於第一電阻的另一端。第四電阻與一電容並聯耦接於第三電阻的另一端與接地端之間，且第三電阻與第四電阻的共用接點輸出對應於脈波寬度調變信號的電壓。

基於上述，本發明利用離散元件所組成的電路來取代價格昂貴的微控制晶片，可依照PWM信號的工作頻率來 選擇相對頻率較高的PWM信號以驅動伺服器主機板共用之風扇。此外，本發明之風扇控制電路可與風扇使用相同的工作電壓，藉此簡化電路設計複雜度與設計成本。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

第一實施例

請參照圖1，圖1為根據本發明第一實施例之風扇控制電路圖，風扇控制電路100主要包括積分單元110、運算放大器120以及輸出單元130三個部分，積分單元110主要是將兩個脈波寬度調變信號PWM1、PWM2轉變為直流電壓PV1、PV2以進行比對。運算放大器120耦接於積分單元110與輸出單元130之間，用以比較直流電壓PV1、PV2以確定脈波寬度調變信號PWM1、PWM2何者的工作頻率較高。輸出單元130根據運算放大器120所輸出的比較結果，輸出脈波寬度調變信號PWM1、PWM2其中之一以驅動對應的風扇板。本發明可依照設計者需求輸出工作頻率較高或較低的脈波寬度調變信號，本實施例則以輸出工作頻率較高的脈波寬度調變信號來進行說明。

積分單元110中包括兩個積分電路112、114，其電路結構相同。以積分電路112為例，積分電路112包括NMOS電晶體N10、電阻R11、R12、R13以及電容C10，其中NMOS電晶體N10的汲極耦接於電阻R11，NMOS電晶體 N10的源極耦接於接地端GND，且NMOS電晶體N10的閘極耦接於電阻R12，而電阻R12的另一端則耦接於脈波寬度調變信號PWM1。電容C10與電阻R13串聯耦接於電壓源VDD與接地端GND之間，電容C10耦接於接地端GND，電阻R13耦接於電壓源VDD，且電容C10與電阻R13的共用接點耦接於電阻R11的另一端，並用以輸出直流電壓PV1至運算放大器12O的負輸入端。積分電路114與積分電路112的電路結構相同，用來將脈波寬度調變信號PWM2轉換為直流電壓PV2，並輸出至運算放大器120的正輸入端。

輸出單元130包括運算放大器132、電阻R14、R15、PMOS電晶體P12、P14，其中電阻R14耦接於運算放大器132的負輸入端與運算放大器120的輸出端之間，電阻R15耦接於運算放大器132的負輸入端與其輸出端之間。PMOS電晶體P12的汲極耦接於脈波寬度調變信號PWM1，PMOS電晶體P12的源極耦接於輸出單元130的輸出端OUT，且PMOS電晶體P12的閘極耦接於運算放大器120的輸出。PMOS電晶體P14的汲極耦接於脈波寬度調變信號PWM2，PMOS電晶體P14的源極耦接於輸出單元130的輸出端OUT，且PMOS電晶體P14的閘極耦接於運算放大器132的輸出。運算放大器132的正輸入端耦接於接地端GND。

由於NMOS電晶體N10的導通時間與脈波寬度調變信號PWM1的工作頻率成正比，因此電容C10兩端的電壓 差(即直流電壓PV1)會隨著脈波寬度調變信號PWM1的工作頻率升高而上升。同理，直流電壓PV2也會隨著脈波寬度調變信號PWM2的工作頻率升高而上升。當直流電壓PV1大於直流電壓PV2時(表示脈波寬度調變信號PWM1的工作頻率大於脈波寬度調變信號PWM2的工作頻率)，運算放大器120的輸出為低電位(接地準位)，因此PMOS電晶體P12會導通以輸出脈波寬度調變信號PWM1。當直流電壓PV1小於直流電壓PV2時(表示脈波寬度調變信號PWM1的工作頻率小於脈波寬度調變信號PWM2的工作頻率)，運算放大器120的輸出為高電位，因此PMOS電晶體P14會導通以輸出脈波寬度調變信號PWM2。

換言之，藉由本實施例之風扇控制電路100，可以選擇性輸出工作頻率較大的脈波寬度調變信號(PWM1或PWM2)至風扇，以相對轉速較大的脈波寬度調變信號來驅動風扇。風扇控制電路100可以取代習知技術中的微控制器，用來決定所要輸出的脈波寬度調變信號為何。此外，值得注意的是，風扇控制電路100中所使用的電壓源VDD例如是12伏特(voltage)，其與一般伺服器中的風扇所使用的電壓相等，因此風扇控制電路100的電源不需另外設計，可降低設計的複雜度與成本支出。

第二實施例

為增強積分單元110的電壓轉換特性，積分單元110中的積分電路112、114可利用不同的積分電路來達成。請參照圖2，圖2為根據本發明第二實施例之風扇控制電路 圖。風扇控制電路200與風扇控制電路100的主要差異在於積分單元210，積分單元210同樣由兩個電路結構相同的積分電路212、214所組成。積分電路212耦接於運算放大器120的負輸入端與脈波寬度調變信號PWM1之間，用以將脈波寬度調變信號PWM1轉換為直流電壓PV1；積分電路214耦接於運算放大器120的正輸入端與脈波寬度調變信號PWM2之間，用以將脈波寬度調變信號PWM2轉換為直流電壓PV2。

積分電路212包括NMOS電晶體N20、PNP電晶體B20、電阻R21、R22、R23、R24以及電容C20，其中NMOS電晶體N20的汲極耦接於電阻R21，NMOS電晶體N20的源極耦接於與接地端GND，且NMOS電晶體N20的閘極耦接於電阻R22，電阻R22的另一端耦接於脈波寬度調變信號PWM1。PNP電晶體B20的射極耦接於電壓源VDD，PNP電晶體B20的集極耦接於電阻R23，且PNP電晶體B20的基極耦接於電阻R21的另一端。電阻R24與電容C20並聯耦接於電阻R23的另一端與接地端GND之間，且電阻R23與電阻R24的共用接點輸出直流電壓PV1。積分電路214的電路結構與積分電路212相同，請參照圖2所示，在此不再贅述。值得注意的是，本實施例中之積分電路214與積分電路212雖然電路結構相同，但若使用者有特殊設計考量，也可以採用不同的電路結構，本實施例並不受限。

在本實施例中，由於NMOS電晶體N20導通時，其 電容C20才會進行充電，因此直流電壓PV1、PV2會隨著脈波寬度調變信號PWM1、PWM2的工作頻率上升而上升。風扇控制電路200會輸出工作頻率較高的脈波寬度調變信號來驅動後端的風扇。若使用者需要輸出工作頻率較低的脈波寬度調變信號，只要對應將接收脈波寬度調變信號的端點調換即可。

上述實施例中所述的電晶體(包括NMOS、PMOS、BJT)主要是作為開關使用，因此本發明並不限定於圖1與圖2的電路架構或其使用的元件。同理，積分電路主要是將脈波寬度調變信號轉換為直流電壓以進行比對，輸出單元主要是根據比較結果來選擇所欲輸出的脈波寬度調變信號，本技術領域具有通常知識者在經由本發明之揭露後應可輕易推知其餘可行的實施電路，在此不加贅述。

綜上所述，本發明以離散電路來取代習知的微控制器，讓風扇控制電路與後端的風扇可以使用相同的電壓源，不僅降低電路的設計成本，同時也降低風扇控制電路的設計複雜度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100、200‧‧‧風扇控制電路

110、210‧‧‧積分單元

112、114、212、214‧‧‧積分電路

120、132‧‧‧運算放大器

130‧‧‧輸出單元

N10、N20‧‧‧NMOS電晶體

P12、P14‧‧‧PMOS電晶體

B20‧‧‧PNP電晶體

R11、R12、R13、R14、R15‧‧‧電阻

R21、R22、R23、R24‧‧‧電阻

C10、C20‧‧‧電容

PWM1、PWM2‧‧‧脈波寬度調變信號

PV1、PV2‧‧‧直流電壓

OUT‧‧‧輸出端

VDD‧‧‧電壓源

GND‧‧‧接地端

圖1為根據本發明第一實施例之風扇控制電路圖。

圖2為根據本發明第二實施例之風扇控制電路圖。

100‧‧‧風扇控制電路

110‧‧‧積分單元

112、114‧‧‧積分電路

120、132‧‧‧運算放大器

130‧‧‧輸出單元

N10‧‧‧NMOS電晶體

P12、P14‧‧‧PMOS電晶體

R11、R12、R13、R14、R15‧‧‧電阻

R21、R22、R23、R24‧‧‧電阻

C10‧‧‧電容

PWM1、PWM2‧‧‧脈波寬度調變信號

PV1、PV2‧‧‧直流電壓

OUT‧‧‧輸出端

VDD‧‧‧電壓源

GND‧‧‧接地端

Claims (6)

1. 一種風扇控制電路，用以控制一風扇之轉速，該風扇控制電路包括：一積分單元，接收一第一脈波寬度調變信號與一第二脈波寬度調變信號，並輸出對應於該第一脈波寬度調變信號之工作頻率之一第一電壓與對應於該第二脈波寬度調變信號之工作頻率之一第二電壓；一第一運算放大器，耦接於該積分單元的輸出，用以比較該第一電壓與該第二電壓；以及一輸出單元，耦接於該第一運算放大器的輸出、該第一脈波寬度調變信號與該第二脈波寬度調變信號，並根據該第一運算放大器的輸出，輸出該第一脈波寬度調變信號與該第二脈波寬度調變信號其中之一以控制該風扇；其中，該積分單元包括一第一積分電路，用以接收該第一脈波寬度調變信號並輸出該第一電壓至該第一運算放大器的一負輸入端，且該第一積分電路包括：一NMOS電晶體，該NMOS電晶體的汲極耦接於一第一電阻，該NMOS電晶體的源極耦接於一接地端，且該NMOS電晶體的閘極耦接於一第二電阻，該第二電阻的另一端耦接於該第一脈波寬度調變信號；以及一第三電阻，與一電容串聯，該第三電阻耦接於一電壓源，該電容耦接於該接地端，且該第一電阻的另一端耦接於該第三電阻與該電容的一共用接點；其中，該第三電阻與該電容的該共用接點輸出該 第一電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之風扇控制電路，其中該積分單元包括：一第二積分電路，用以接收該第二脈波寬度調變信號並輸出該第二電壓至該第一運算放大器的一正輸入端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之風扇控制電路，其中該輸出單元包括：一第二運算放大器，該第二運算放大器的一負輸入端耦接一第四電阻，該第四電阻的另一端耦接於該第一運算放大器的輸出；一第五電阻，耦接於該第二運算放大器的一輸出端與該負輸入端之間；一第一PMOS電晶體，該第一PMOS電晶體的汲極耦接於該第一脈波寬度調變信號，該第一PMOS電晶體的源極耦接於該輸出單元的輸出端，且該第一PMOS電晶體的閘極耦接於該第一運算放大器的輸出；以及一第二PMOS電晶體，該第二PMOS電晶體的汲極耦接於該第二脈波寬度調變信號，該第二PMOS電晶體的源極耦接於該輸出單元的輸出端，且該第二PMOS型電晶體的閘極耦接於該第二運算放大器的輸出；其中，該第二運算放大器的一正輸入端耦接於該接地端。
4. 一種風扇控制電路，用以控制一風扇之轉速，該風扇控制電路包括： 一積分單元，接收一第一脈波寬度調變信號與一第二脈波寬度調變信號，並輸出對應於該第一脈波寬度調變信號之工作頻率之一第一電壓與對應於該第二脈波寬度調變信號之工作頻率之一第二電壓；一第一運算放大器，耦接於該積分單元的輸出，用以比較該第一電壓與該第二電壓；以及一輸出單元，耦接於該第一運算放大器的輸出、該第一脈波寬度調變信號與該第二脈波寬度調變信號，並根據該第一運算放大器的輸出，輸出該第一脈波寬度調變信號與該第二脈波寬度調變信號其中之一以控制該風扇；其中，該積分單元包括一第二積分電路，用以接收該第二脈波寬度調變信號並輸出該第二電壓至該第一運算放大器的一正輸入端，且該第二積分電路包括：一NMOS電晶體，該NMOS電晶體的汲極耦接於一第一電阻，該NMOS電晶體的源極耦接於一接地端，且該NMOS電晶體的閘極耦接於一第二電阻，該第二電阻的另一端耦接於該第二脈波寬度調變信號；以及一第三電阻，與一電容串聯，該第三電阻耦接於一電壓源，該電容耦接於該接地端，且該第一電阻的另一端耦接於該第三電阻與該電容的一共用接點；其中，該第三電阻與該電容的該共用接點輸出該第二電壓。
5. 如申請專利範圍第4項所述之風扇控制電路，其中該積分單元包括一第一積分電路，用以接收該第一脈波寬 度調變信號並輸出該第一電壓至該第一運算放大器的一負輸入端。
6. 如申請專利範圍第4項所述之風扇控制電路，其中該輸出單元包括：一第二運算放大器，該第二運算放大器的一負輸入端耦接一第四電阻，該第四電阻的另一端耦接於該第一運算放大器的輸出；一第五電阻，耦接於該第二運算放大器的一輸出端與該負輸入端之間；一第一PMOS電晶體，該第一PMOS電晶體的汲極耦接於該第一脈波寬度調變信號，該第一PMOS電晶體的源極耦接於該輸出單元的輸出端，且該第一PMOS型電晶體的閘極耦接於該第一運算放大器的輸出；以及一第二PMOS電晶體，該第二PMOS電晶體的汲極耦接於該第二脈波寬度調變信號，該第二PMOS電晶體的源極耦接於該輸出單元的輸出端，且該第二PMOS型電晶體的閘極耦接於該第二運算放大器的輸出；其中，該第二運算放大器的一正輸入端耦接於該接地端。