TWI394361B

TWI394361B - 馬達驅動電路

Info

Publication number: TWI394361B
Application number: TW098143072A
Authority: TW
Inventors: Joji Noie
Original assignee: Sanyo Electric Co; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2013-04-21
Also published as: US8330406B2; JP2010206860A; KR20100098323A; CN101820243B; KR101069485B1; US20100219783A1; JP5337533B2; TW201032455A; CN101820243A

Description

馬達驅動電路

本發明係有關一種馬達驅動電路。

以H橋接電路(bridged circuit)驅動馬達時，需防止反衝(kickback：流通於感應體之電流中斷時產生於感應體兩端之電壓，本文中稱為反衝電壓)發生時的電壓上升導致MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金屬氧化物半導體場效電晶體)的破壞。

例如，在專利文獻1中，係使用曾納二極體(zener diode)抑制反衝發生時的電壓上升。然而，在該方法中，馬達的尺寸愈大曾納二極體的尺寸亦須加大，導致成本增加。

相對於此，在專利文獻2中，係揭示一種低成本、能抑制反衝發生時的電壓上升以防止MOSFET的破壞之發明。

以下，參照第3圖，具體說明專利文獻2的馬達驅動電路。馬達驅動電路係包含有P通道型MOSFET 11、12、N通道型MOSFET 13、14、電源線21、22、接地線23、二極體24、25、電容器26、27、電流源31、32、NPN型電晶體41至48、PNP型電晶體51、52、驅動電路60、以及連接器70而構成。於MOSFET 11至14分別設置有寄生二極體11d至14d，MOSFET 11、12的閘極分別經由電阻器33、34連接至電源線22。在此，電源線21、22係從產生電壓VA之電源80所分歧者，並經由連接器70而與電源80的正側連接。此外，接地線23係經由連接器70而與電源80的負側連接。

在此種構成中，在MOSFET 11、14導通(ON)、MOSFET 12、13切斷(OFF)的狀態下，從電源線21朝向MOSFET 11、馬達線圈10、MOSFET 14流通電流而使馬達旋轉。接著，以適當的時序使MOSFET 11及MOSFET 14變成切斷。此時，馬達線圈10係蓄積能量而持續流通電流。因此，通過寄生二極體13d、馬達線圈10、以及寄生二極體12d流通電流。亦即，產生反衝。當產生反衝時，反衝所產生的電流會因為有二極體24而無法返回至電源80，從而流入電容器26。如此，電源線21的電壓Vm會逐漸上升。當電源線21的電壓Vm上升，MOSFET 11、12的閘極/源極間的電壓超過臨限值電壓時，MOSFET 11、12導通。因此，從馬達線圈10輸出的電流係流通MOSFET 11、12返回至馬達線圈10。亦即，蓄積於馬達線圈10的能量係被馬達線圈10與MOSFET 12、11所構成的迴路(loop)消耗。

專利文獻1：日本特開2005-269885號公報

專利文獻2：日本特開2007-259657號公報

如上所述，在專利文獻2的馬達驅動電路中，不使用專利文獻1所揭示的曾納二極體即能抑制反衝發生時的電壓上升而防止MOSFET的破壞。

然而，在專利文獻2的馬達驅動電路中，即使在電源 80的電壓低於預定值時(亦包含電源80切斷時)，亦會形成上述馬達線圈10與MOSFET 12、11所構成的迴路。例如，即使在馬達旋轉時切斷電源80，馬達仍會因為慣性而暫時持續旋轉。如此，會因為磁通量通過馬達線圈10而產生感應電壓。在此情形中，由於電源線21的電壓係因應感應電壓而上升，因此MOSFET 11、12的源極電位上升。另一方面，MOSFET 11、12的閘極電位係在電源80切斷時以電源線22的電位為基準，故實質上變成相當於零電位。因此，儘管電源80切斷，MOSFET 11、12仍然導通。在此情形中，於馬達線圈10產生與馬達的旋轉方向相反方向的力量而成為制動(brake)力。

本發明乃為解決上述課題而研創者，其目的係提供一種低成本、抑制反衝發生時的電壓上升、避免電源電壓低於預定值時形成上述迴路、防止制動力的發生之馬達驅動電路。

為了達成上述目的，本發明的馬達驅動電路係包含有下述構件而構成：第一電源線及第二電源線，係從產生輸入電壓之電源分歧而連接；H橋接電路，係具有串聯連接的第一源電晶體(source transi stor)與第一汲電晶體(sink transistor)、串聯連接的第二源電晶體與第二汲電晶體、以及分別設置於前述第一及第二源電晶體與前述第一及第二汲電晶體各者的第一至第四回生二極體(regeneration diode)[regeneration-由於反衝而產生的反向電流，有稱為「再生電流」之情形，本文中簡稱為「回生電流」]，且於前述第一源電晶體與前述第二源電晶體的輸入電極連接有前述第一電源線，於前述第一源電晶體與前述第二源電晶體的輸出電極連接有馬達線圈；以及控制手段，係與前述第二電源線連接，互補性地切換(switching)前述第一源電晶體與前述第二汲電晶體以及前述第二源電晶體與前述第一汲電晶體；前述控制手段係以下述方式進行控制：因應前述第二電源線的電壓之電壓小於預定電壓時，不論前述第一電源線的電位為何，前述第一及第二源電晶體皆不會導通。

本發明能提供低成本、能抑制反衝發生時的電壓上升、避免電源電壓低於預定值時的制動之馬達驅動電路。

以下詳細說明本發明的實施形態。

第1圖係顯示本發明的實施形態的馬達驅動電路的構成例。馬達驅動電路係例如驅動風扇馬達等單相馬達之電路，控制流通於馬達線圈110之電流。馬達驅動電路係包含有P通道型MOSFET 111、112、N通道型MOSFET 113、114、電源線121、122、接地線123、二極體124、125、電容器126、127、NPN型電晶體142至144、146、PNP型電晶體145、151、控制電路160、比較器190、電阻器161、162、135、基準電壓源163、以及連接器170而構成。

首先，詳細說明本實施形態的馬達驅動電路的構成。

MOSFET 111至114係構成H橋接電路。具體說明H橋接電路，MOSFET 111、112的源極係連接至電源線121。此外，MOSFET 113、114的源極係連接至接地線123。MOSFET 111、113的汲極係彼此連接，MOSFET 112、114的汲極係彼此連接。於MOSFET 111、113的連接點與MOSFET 112、114的連接點之間連接馬達線圈110。在此，於MOSFET 111至114設置有寄生二極體111d至114d。

電源線121、122係從產生電壓VA之電源180所分歧者，經由連接器170而與電源180的正側連接。此外，接地線123係經由連接器170而與電源180的負側(接地側)連接。在此，為了防止從電源線121朝電源180的方向流通電流而破壞電路，於電源線121設置有二極體124。同樣地，亦於電源線122設置有二極體125。此外，為了吸收H橋接電路發生反衝時所產生的電流(回生電流)，於電源線121設置有電容器126。此外，為了使電源線122的電壓Vcc穩定化，於電源線122設置有電容器127。

比較器190、電阻器161、162、以及基準電壓源163係構成電源180的電位的監視電路。具體而言，監視電路係監視電源180的電壓是否為預定值以下。該比較器190的非反相輸入端子係輸入有以電阻器161、162將電源線122的電壓Vcc經過電阻器分壓的電壓。此外，於比較器190的反相輸入端子輸入有基準電壓源163所設定的電位。接著，當電源線122的電位Vcc經過電阻器分壓的電位大於基準電壓源163的電位時，輸出H(高)位準，當電源線122的電位經過電阻器分壓的電位小於基準電壓源163的電位時，輸出L(低)位準。

電晶體164、145、以及電阻器165係構成為即使電源180的電壓變成預定值以下時(亦包含電源180切斷時)，即使發生反衝亦可抑制MOSFET 111導通之電路。電晶體164的基極輸入有比較器190的輸出，射極連接至接地線123，集極與電阻器165的一端連接。電晶體145的射極係經由二極體而與MOSFET 111的閘極及電阻器135的另一端連接，集極與電晶體142、143的基極連接，基極與電阻器165的另一端連接。接著，當電源180為預定電壓以上時，電晶體164、145導通，當電源180為預定電壓以下時，電晶體164、145切斷(off)。

電晶體142、143、以及電阻器135係構成用以控制MOSFET 111之控制電路。電阻器135係一端與MOSFET 111的源極連接，另一端與MOSFET 111的間極連接。電晶體142、143的射極係與接地線123連接，電晶體142、143係連接成電流鏡。電晶體143的集極係與MOSFET 111的閘極及電阻器135的另一端連接。於電晶體142的集極與電晶體142、143的基極輸入有來自控制電路160的電流In。

電晶體144、151係構成用以控制MOSFET 113的導通切斷(ON/OFF)之控制電路。電晶體144、151的射極彼此連接，電晶體144的集極與電源線122連接，電晶體151的集極與接地線123連接。於電晶體144的基極施加有控制電路160所輸出的電壓Vn1，於電晶體151的基極施加有控制電路160所輸出的電壓Vn2。電晶體144、151的連接點與MOSFET 113的閘極係連接。

此外，實際上MOSFET 112、114的控制電路係設置成與MOSFET 111、113的控制電路同樣，由於該構成並無實質上的差異，因此省略MOSFET 112、114的控制電路的圖式及其說明。

控制電路160係藉由電流In、電壓Vp1、Vp2進行MOSFET 111、113的導通切斷(on off)，以控制馬達的驅動。

接著詳細說明本實施形態的馬達驅動電路的動作。

首先，說明電源180的電壓為預定值以上的情形(例如通常動作模式的情形)。

在電源180導通，且電源180的電壓為預定值以上的情形，在比較器190中，輸入至非反相輸入端子的電壓係變成大於輸入至反相輸入端子的電壓。如此，由於比較器190係輸出H位準，因此電晶體164導通。

在該狀態下，從控制電路160輸出電流In，並輸出L位準的電壓Vn1、Vn2。如此，電流In係流入電晶體142，於連接成電流鏡的電晶體143亦流通因應電流鏡比之電流。如此，於電阻器135亦流通電流，使電源線121的電壓Vm下降之電壓係施加至MOSFET 111的閘極，藉此，MOSFET 111係導通。另一方面，由於電晶體144切斷、電晶體151導通，MOSFET 113係切斷。此外，藉由預定信號，MOSFET 112切斷，電晶體114導通。如此，從電源線121 朝向MOSFET 111、馬達線圈110、以及MOSFET 114流通電流，馬達朝某方向旋轉。

接著，以適當的時序使控制電路160停止電流In的輸出，並輸出L位準的Vn1、Vn2。如此，電流不流通於電阻器135，MOSFET 111切斷。另一方面，由於電晶體144切斷，電晶體151導通，因此MOSFET 113亦切斷。此外，藉由預定信號，MOSFET 112、114亦切斷。此時，於馬達線圈110蓄積能量，產生使電流持續流通之趨勢。亦即，發生反衝。反衝所產生的電流係因為存在二極體而無法返回至電源180，而流入電容器126。如此，電源線121的電壓Vm逐漸上升。接著，當電源線121的電壓Vm上升時，電晶體145導通，藉此電流流通於電阻器135，於MOSFET 111的閘極/源極間產生電位差。接著，當MOSFET 111、112的閘極/源極間的電壓超過臨限值電壓時，MOSFET 111、112係自動地變成導通的狀態。因此，馬達線圈110所輸出的電流係流通MOSFET 112、111而返回至馬達線圈110。亦即，蓄積於馬達線圈110的能量係被馬達線圈110、MOSFET 112、111所構成的H橋接電路的電源側的迴路消耗。接著，當蓄積於馬達線圈110的能量被消耗，MOSFET 111、112的閘極/源極間的電壓變成小於臨限值電壓時，MOSFET 111、112係自動地變成切斷。

之後，控制電路160停止電流In的輸出，並輸出H位準的Vn1、Vn2。如此，MOSFET 111切斷，電晶體144導通，電晶體151切斷，MOSFET113導通。此外，藉由預定的信號，MOSFET 112導通，MOSFET 114切斷。在此情形中，從電源線121朝向MOSFET 112、馬達線圈110、MOSFET 113流通電流。

接著，再次以適當的時序使控制電路160停止電流In的輸出，並輸出L位準的Vn1、Vn2。如此，電流未流通於電阻器135，MOSFET 111切斷。另一方面，由於電晶體144切斷、電晶體151導通，因此MOSFET 113亦切斷。此外，藉由預定的信號，MOSFET 112、114亦切斷。此時，於馬達線圈110蓄積能量，持續流通電流。因此，通過寄生二極體114d、馬達線圈110、P通道MOSFET 111的寄生二極體111d流通電流。亦即，在此情形中亦產生反衝。反衝所產生的電流係因為存在有二極體124而無法返回至電源180，從而流入電容器126，電源線121的電壓Vm逐漸上升。接著，當電源線121的電壓Vm上升時，由於電晶體145導通，因此於MOSFET的閘極/源極間產生電位差。接著，當MOSFET 111、112的閘極/源極間的電壓超過臨限值電壓時，MOSFET 111、112自動地變成導通的狀態。因此，馬達線圈110所輸出的電流係流通於MOSFET 111、MOSFET 112而返回至馬達線圈110。亦即，在此情形中，蓄積於馬達線圈110的能量係被H橋接電路的電源側的迴路消耗。接著，當蓄積於馬達線圈110的能量被消耗，MOSFET 111、112的閘極/源極間的電壓變成小於臨限值電壓時，MOSFET 111、112係自動地切斷。

以上，在本實施形態的馬達驅動電路中，即使在電源 180的電壓為預定值以上而發生反衝時，反衝發生所導致的電源線121的電壓Vm的上升係被抑制成與MOSFET 111、112的臨限值電壓相同的位準。

接著，說明電源180的電壓為預定值以下的情形(例如電源切斷時和待機模式的情形)。

在電源180的電壓為預定值以下之情形，由於電源線122的電位Vcc下降，因此在比較器190中，輸入至非反相輸入端子的電壓係變成小於輸入至反相輸入端子的電壓。如此，由於比較器190輸出L位準，因此電晶體164切斷。

在該狀態下，例如當電源180的電壓變成預定值以下但馬達因為慣性仍然繼續旋轉時，會因為磁通量通過馬達線圈110而產生感應電壓。在此情形，與習知技術的馬達驅動器同樣，由於電源線121的電壓係因應感應電壓而上升，因此MOSFET 111、112的源極電位上升。然而，在本實施形態的馬達驅動器中，在電源180的電壓變成預定值以下時，電晶體145變成切斷。如此，於電阻器135不流通電流，未實質性地產生MOSFET 111的閘極/源極間的電位差。同樣地，亦未實質性地產生MOSFET 112的閘極/源極間的電位差。亦即，即使在電源180的電壓為預定值以下而發生反衝時，由於MOSFET 111、112不會導通，因此不會於馬達線圈110產生制動力。

此外，當電源180切斷時，由於比較器190切斷，因此電晶體164係切斷。結果，與電源180的電壓為預定值以下的情形同樣，即使在電源180切斷時發生反衝，由於MOSFET 111、112不會導通，因此不會於馬達線圈110產生制動力。

以上，已詳細說明本發明的實施形態的馬達驅動電路。在本實施形態的馬達驅動器中，由於即使在電源180的電壓為預定值以上而發生反衝時，亦能抑制電源線121的電位Vm的上升，因此無須使用大尺寸的曾納二極體等，即能避免反衝發生導致元件破壞。此外，在電源180的電壓為預定值以上的情形，即使於馬達線圈110產生感應電壓，MOSFET 111、112亦不會導通，而能避免制動力的產生。

此外，上述實施形態係用以容易理解本發明，並非用以限定本發明者。在未逸離本發明的意旨之範圍內，可將本發明變更或改良，其等效物亦包含在本發明的範圍內。

例如，在本實施形態中，雖構成為使用H橋接電路來控制流通於單相風扇馬達的馬達線圈之電流，但所應用的馬達並未限定於風扇馬達，亦未限定於單相。

此外，在本實施形態中，雖使用P通道MOSFET作為H橋接電路中的源電晶體，但亦可使用PNP型電晶體作為源電晶體。亦即，H橋接電路中的源電晶體只要為因應電源線121側的電極與控制電極的電壓差予以導通切斷之電晶體即可。此外，在使用PNP型電晶體作為源電晶體時，亦可將回生用的二極體與PNP型電晶體並聯設置。

此外，在本實施形態中，雖使用N通道MOSFET作為H 橋接電路中的汲電晶體，但並未限定於此，亦可使用P通道MOSFET或雙極性電晶體(bipolar transistor)。例如，可使用NPN型電晶體作為汲電晶體。此外，在使用雙極性電晶體作為汲電晶體時，只要將回生用的二極體與雙極性電晶體並聯設置即可。

此外，在本實施形態中，電源線122雖然從同一個電源180所分歧，但並未限定於此，電源線121與電源線122亦可作成連接至其他的電源。在電源線121與電源線122連接至其他的電源之情形，電源線122的電壓只要為從MOSFET 111朝MOSFET 114流通電流時MOSFET 112會變成切斷的電壓即可。例如，能作成於產生電壓VA之兩個電源的一方連接電源線121，於另一方連接電源線122。

此外，在本實施形態中，使用比較器190、電阻器161、162、基準電壓源163監視電源180的電位。然而，本發明並未限定於此，例如亦可如第2圖所示，將以電阻器161、162將電壓Vcc經過電阻器分壓後的電壓直接輸入至電晶體164的基極。然而，在此情形中，與第1圖所示的實施形態相比，須注意電阻器161、162的溫度特性的影響會變大。

10‧‧‧馬達線圈

11、12、111、112‧‧‧P通道型MOSFET

11d至14d、111d至114d‧‧‧寄生二極體

13、14、113、114‧‧‧N通道型MOSFET

21、22、121、122‧‧‧電源線

23、123‧‧‧接地線

24、25、124、125‧‧‧二極體

26、27、126、127‧‧‧電容器

31、32‧‧‧電流源

41至48、142至144‧‧‧NPN型電晶體

51、52、145、151‧‧‧PNP型電晶體

60‧‧‧驅動電路

70、170‧‧‧連接器

80、180‧‧‧電源

110‧‧‧馬達線圈

135、161、162、165‧‧‧電阻器

142、143、164‧‧‧電晶體

160‧‧‧控制電路

163‧‧‧基準電壓源

190‧‧‧比較器

第1圖係顯示本發明實施形態的馬達驅動電路的構成例之圖。

第2圖係顯示本發明另一實施形態的馬達驅動電路的構成例之圖。

第3圖係顯示專利文獻2的實施形態的馬達驅動電路的構成例之圖。

110‧‧‧馬達線圈

111、112‧‧‧P通道型MOSFET

111d至114d‧‧‧寄生二極體

113、114‧‧‧N通道型MOSFET

121、122‧‧‧電源線

123‧‧‧接地線

124、125‧‧‧二極體

126、127‧‧‧電容器

135、161、162、165‧‧‧電阻器

142至144‧‧‧NPN型電晶體

145、151‧‧‧PNP型電晶體

160‧‧‧控制電路

163‧‧‧基準電壓源

164‧‧‧電晶體

170‧‧‧連接器

180‧‧‧電源

190‧‧‧比較器

Claims

一種馬達驅動電路，係包含有下述構件而構成：第一電源線及第二電源線，係從產生輸入電壓之電源分歧而連接；H橋接電路，係具有串聯連接的第一源電晶體與第一汲電晶體、串聯連接的第二源電晶體與第二汲電晶體、以及分別設置於前述第一及第二源電晶體與前述第一及第二汲電晶體各者的第一至第四回生二極體，且於前述第一源電晶體與前述第二源電晶體的輸入電極連接有前述第一電源線，於前述第一源電晶體與前述第二源電晶體的輸出電極連接有馬達線圈；以及控制手段，係與前述第二電源線連接，互補性地切換前述第一源電晶體與前述第二汲電晶體以及前述第二源電晶體與前述第一汲電晶體；前述控制手段係以下述方式進行控制：因應前述第二電源線的電壓之電壓小於預定電壓時，不論前述第一電源線的電位為何，使前述第一及第二源電晶體皆不會導通(on)。
如申請專利範圍第1項之馬達驅動電路，其中，又包含有下述構件而構成：第一電阻器，一端與前述第一源電晶體的輸入電極連接，另一端與前述第一源電晶體的控制電極連接；以及回生停止手段，係以下述方式進行控制：在因應前述第二電源線的電壓之電壓小於預定電壓時，不會使前述第一電阻器實質上流通電流，藉此使產生於前述第一電阻器的電位差小於前述第一源電晶體的臨限值電壓。
如申請專利範圍第2項之馬達驅動電路，其中，前述回生停止手段係含有下述構件而構成：比較器，於一方的輸入端子輸入有將前述第二電源線的電壓經過電阻器分壓之電壓，於另一方的輸入端子輸入有前述預定電壓；以及控制電晶體，於控制電極輸入有前述比較器的輸出，以控制流通於前述第一電阻器的電流。
如申請專利範圍第1至3項中任一項之馬達驅動電路，其中，前述電源與前述第一電源線係經由第一二極體而連接，前述電源與前述第二電源線係經由第二二極體而連接。
如申請專利範圍第1至3項中任一項之馬達驅動電路，其中，前述第一至第四回生二極體係寄生二極體。
如申請專利範圍第1至3項中任一項之馬達驅動電路，其中，前述預定電位係相當於前述電源變成切斷時之前述第二電源線的電位。