TWI420801B - 用於驅動電子換向風扇馬達的電路單元及用於電子設備的風扇模組 - Google Patents

用於驅動電子換向風扇馬達的電路單元及用於電子設備的風扇模組 Download PDF

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Description

用於驅動電子換向風扇馬達的電路單元及用於電子設備的風扇模組
本發明關於一種用於驅動電子換向風扇馬達的電路單元，該電路單元具有用於驅動風扇馬達的線圈的功率單元和用於驅動功率單元的控制單元。本發明還關於一種用於冷卻具有電子換向風扇馬達的電子設備的部件的風扇模組。
為了冷卻電子設備(如電腦)的部件，這些部件通常安裝在散熱器(heat sink)上或者設置有散熱器，以便增加它們用於散熱的表面面積。通常，為了支持冷卻而使用風扇讓空氣流偏轉到溫度關鍵部件或者元件的散熱器上。通常不需要風扇以最高旋轉速度持續工作。例如在處理器的情况下，只有計算上非常密集的應用才要求風扇的最大旋轉速度。由於風扇的高旋轉速度在多數情况下與帶給用戶的較高噪音負荷關聯，所以希望使風扇的旋轉速度適應於條件並且盡可能多地減少速度。出於這一目的，通常使用例如根據被冷卻的部件的溫度來減少風扇旋轉速度的控制器。
為了驅動風扇，在電子設備中通常使用如下的電子換向風扇馬達，其相對於集電環-換向馬達允許無噪音操作並且以較高運行功率為特徵而且發射更少的電磁輻射。在此，市面上通常將用於驅動電子換向風扇馬達的電路單元與該馬達一起整合到一個風扇模組中，該風扇模組可以借助兩個端子接線供應以直流電壓以便進行工作。
第2圖示出了根據先前技術的這種市售的風扇模組的示意圖。風扇模組1包括具有線圈L1和L2的電子換向風扇馬達2，這些線圈代表風扇馬達2的固定驅動裝置，該固定驅動裝置用於提供機械能量，在此情況下用於提供旋轉能量。為了清楚起見，在附圖中示出，線圈L1和L2在風扇馬達2外部。線圈L1和L2由功率單元3驅動，該功率單元具有與線圈L1和L2分別串聯連接的電晶體T1和T2。功率單元3由控制單元4驅動，該控制單元4藉由交替開啟電晶體T1和T2來生成定子的旋轉磁場。在風扇馬達2中，具有永磁體的轉子隨著該磁場移動。風扇葉片由轉子驅動。控制單元4通常具有檢測轉子的旋轉位置的磁感應器，使得可以對應於轉子的檢測位置來驅動功率單元3。控制單元4經常以包括磁感應器的緊凑型配置的形式而構造為積體電路。此外已知的是，將功率單元3與控制單元4一起整合到共同殼體中。風扇模組1的其它部件通常具有：作為極性反轉保護的二極體D2，該二極體D2與功率單元和控制單元串聯；以及用於平滑工作電壓的電容器C2，該電容器與功率單元和控制單元並聯。
為了控制風扇模組1的風扇馬達2的旋轉速度，可以借助於縱向調節元件來減少風扇模組1的工作電壓。然而，當風扇模組1的電壓減少時縱向調節元件上的電壓降不利地導致縱向調節元件上的耗散損失，並且該耗散損失作為熱量被耗散。
因此，有利的是，借助於利用脈寬調變的低損耗直流轉換器來減少風扇電壓、例如，可能利用第3圖中所示的根據先前技術的電路。
在根據第3圖的電路中，第2圖的風扇模組1借助於直流轉換器被供應以電流，其中該直流轉換器具有開關電晶體T3、線圈L3、恢復二極體D3(有時也稱為續流二極體D3)和電容器C3。開關電晶體T3利用矩形脈寬調變信號PWM來驅動，藉由該信號來完全地接通或者完全地關斷開關電晶體T3，由此使開關電晶體T3中的耗散損失被最小化。脈寬調變的脈衝占空比(duty cycle)控制直流轉換器的輸出電壓並且也控制風扇馬達2的旋轉速度。
然而，市售的風扇模組1的風扇馬達2的這類旋轉速度控制的一個缺點在於，其除了需要開關電晶體T3和恢復二極體D3之外還需要使用由線圈L3和電容器C3組成的直流轉換器，這首先增加了驅動電路的成本，其次這與額外空間要求關聯，例如與電腦中的主電路板上的空間要求關聯。
作為用於風扇馬達的旋轉速度控制的另一可能，已知的是，將風扇模組的功率單元的電晶體用作用於脈寬調變的開關元件。在此情況下，針對功率單元的對應驅動而設計了風扇模組的控制單元，並且風扇模組除了具有用於提供工作電壓的端子之外還具有輸入端，在該輸入端上施加信號用於脈寬調變。然而，這種風扇模組由於更複雜的內部線路、額外端子接線以及具有數個端子的端子插頭而更為昂貴並且通用性較差。
因此，本發明的一個目的在於提供一種用於風扇模組的簡單構造和一種用於驅動電子換向風扇馬達的對應電路單元，該電路單元可以通用並且具有盡可能小數目的端子而且可以用簡單的方式藉由脈寬調變來控制旋轉速度。
此問題利用一種具有獨立請求項所述特徵的電路單元或者風扇模組來解決。在相應從屬請求項中具體說明了本發明的實施和有利改進。
根據本發明的第一態樣，該問題藉由一種用於驅動電子換向風扇馬達的電路單元來解決，該電路單元具有用於驅動風扇馬達的線圈的功率單元和用於驅動該功率單元的控制單元。該電路單元的特點在於：控制單元的工作電壓藉由二極體而與功率單元的工作電壓分離；以及提供用於平滑控制單元的工作電壓的裝置。
電路單元有利地可以用直流電壓並且也可以用脈衝(例如脈寬調變)直流電壓來操作。藉由二極體和用於平滑控制單元的工作電壓的裝置，在任何情況下都保證了控制單元不被供應以時脈控制的工作電壓，而取而代之被供應以直流式平滑工作電壓，並且控制單元的操作不受負面影響。功率單元和風扇馬達的線圈利用脈衝工作電壓的操作基本上對風扇馬達的功能無負面影響。由於控制單元相對於風扇馬達的線圈或者功率單元而言更低的電流要求，所以僅對控制單元的工作電壓進行平滑比根據先前技術已知的對整個電路單元的工作電壓進行平滑要求更少的成本。提供了一種更經濟並且占據更少空間的配置，然而該配置，特別是針對控制單元可以借助標準部件來實現。
較佳地，用於平滑控制單元的工作電壓的裝置具有電容器。以一種較佳的方式，該裝置也具有電阻器並且被配置為低通濾波器。在此配置中，相對於根據先前技術所使用的、藉由用於脈寬調變電流供應的直流轉換器對電路單元的工作電壓進行平滑而言，有利地實現顯著的空間和成本節省。
根據本發明的第二態樣，該問題藉由一種用於電子設備的風扇模組來解決，該風扇模組具有電子換向風扇馬達和根據本發明第一態樣的用於驅動風扇馬達的電路單元。優點對應於第一態樣的優點。
第1圖示出了用於電子設備如電腦的風扇模組1。風扇模組1包括風扇馬達2、功率單元3和控制單元4。風扇馬達2具有兩個線圈L1和L2，這些線圈分別與功率單元3的電晶體T1、T2的開關路徑串聯連接。電晶體T1和T2由控制單元4驅動。為了供應電流，風扇模組1具有兩個供電端子，在運作時，這些供電端子中的一個處於接地GND，而另一個被供應以工作電壓V。提供二極體D2，工作電壓V藉由該二極體饋送到功率單元3或者線圈L1和L2作為功率單元的工作電壓VL。另外，提供二極體D1和與該二極體D1串聯連接的電阻器R1，並且工作電壓VL藉由該二極體D1和電阻器R1饋送到功率單元3作為控制單元4的工作電壓VS。此外，功率單元3和控制單元4也連接到共同的接地GND。與控制單元4的供電端子並聯地提供電容器C1，該電容器C1藉由控制單元4的工作電壓VS來相應地充電。
在本申請的範圍中，功率單元3的工作電壓VL對應於向功率單元3的電晶體或者向線圈L1和L2施加的電壓。在所有描述的實施例中，各線圈L1、L2的一個端子被供應以工作電壓VL，並且各電晶體的一個端子處於接地。然而，如果由電晶體T1和T2分別與對應線圈L1和L2組成的串聯電路的順序反過來，則這些條件可以反過來。這與工作電壓V相對於表示為接地GND的電勢是正還是負無關。
除了二極體D1、電阻器R1和電容器C1之外，第1圖的風扇模組1的配置對應於第2圖中所示的配置並且根據先前技術而已知。與第2圖的電路布局相對照，控制單元4的工作電壓VS藉由根據第1圖的風扇模組中的二極體D1與功率單元3的工作電壓VL去耦合(decouple)。電阻器R1和電容器C1也形成用於平滑工作電壓VS的低通濾波器。示出了其中在正電流供應支路中提供二極體的情形。可替選地，二極體D1也可以布置在負電流供應支路中。在第1圖的實施例中，可以將根據先前技術所使用的市售的部件用作風扇馬達2、功率單元3和控制單元4。如果第1圖的風扇模組1用直流電壓來操作，則未形成與根據先前技術的風扇模組的功能差異。由於控制單元4通常被設計為僅以低的工作電壓VS操作，所以二極體D1上的電壓降對風扇模組1的操作沒有限制。然而，如果希望在特別低的工作電壓V的情況下操作，則也可以使用第5圖中所示實施例。在一個可替選的實施形式中，如果不要求對功率單元4的極性反轉保護則可以去掉二極體D2，因為例如在非驅動狀態下的電晶體T1和T2阻擋相反方向上的電流。根據本申請，通常對極性反轉敏感的控制單元4在任何情況下都受二極體D1保護。
根據第1圖的電路裝置的優點在提供風扇馬達2的旋轉速度的脈寬調變控制的情況下將變得清楚。
第4圖示出了根據第1圖的風扇模組1，該風扇模組具有用於風扇馬達2的旋轉速度的脈寬調變控制的附加外部電路。在此，風扇模組1與開關電晶體T3的開關路徑串聯連接。在與風扇模組1的工作電壓並聯的反向偏壓上提供有恢復二極體D3。恢復二極體D3在用於脈寬調變的信號的關閉階段(off-phase)過程中也允許電流流過線圈L1和L2。為了供電，用工作電壓V0對電晶體T3充電。用於脈寬調變的控制信號饋送到開關電晶體T3的控制輸入端。
在工作過程中，V0是為了向該裝置供電而供應的直流電壓。作為用於脈寬調變PWM的控制信號，提供周期性的矩形信號，使得開關電晶體T3完全地導通或者非導通。作為控制信號時脈頻率，有利地選擇在超聲範圍中的頻率，也就是例如在從30kHz到40kHz範圍中的頻率。藉由脈衝占空因數(也就是開關電晶體T3在周期內導通的時間與開關電晶體T3在周期內非導通的時間之比)的變化來實現風扇馬達2的旋轉速度改變。
為了開關電晶體T3的脈寬調變驅動，因此用脈衝工作電壓V來操作風扇模組1。利用工作電壓V來對向功率單元3或者向線圈L1和L2施加的工作電壓VL進行脈衝控制。然而，這對於風扇模組的工作並無不利、特別是當脈寬調變的頻率並不在風扇馬達2的電子換向的開關頻率以上時並無不利。風扇馬達2的典型最大旋轉速度在約3000l/min(轉/分)的範圍中，這導致用於開關電晶體T1和T2的電子換向的開關頻率為3000l/min×2/60s/min=100Hz。藉由例如在超聲範圍(見上文)中進行的示例性脈寬調變的時脈因此比電子換向的時脈頻率高300至400倍，其中電子換向不受脈寬調變的負面影響。
然而藉由二極體D1和由電阻器R1和電容器C1構造的低通濾波器，同時保證了控制單元4沒有供應以時脈控制的工作電壓VS而是代之供應以平滑的直流電壓。這之所以重要是因為控制單元4的功能否則可能受影響。相對於第3圖中所示和根據先前技術已知的風扇模組的脈寬調變驅動，在第4圖中所示電路裝置中，由於風扇模組1的改變的布局，所以可以去掉由線圈L3和電容器C3構造的直流轉換器對工作電壓V的平滑。
根據第4圖的實施例，由於僅對控制單元4的工作電壓而不對功率單元3的工作電壓進行平滑，所以可以去掉電容器C2和C3。代之以使用的電容器C1由於控制單元4與功率單元3相比更低的功率消耗而可以具有比電容器C2和C3明顯更低的電容。相對於根據先前技術對風扇模組的脈寬調變驅動(如第3圖中所示)，產生一種更經濟並且占據更少空間的布局。
第5圖示出了風扇模組的另一實施例，該風扇模組具有電子換向風扇馬達和用於驅動該電子換向風扇馬達的電路單元，以及用於風扇模組工作電流的測量和脈寬調變旋轉速度控制的驅動電路。
與第1圖中所示風扇模組1相對照，在第5圖的實施例中，二極體D1被供應以工作電壓V而不是藉由二極體D2上的電壓降來供應以工作電壓VL。然而類似地提供工作電壓VS與工作電壓V和VL的去耦合。
與第4圖的實施例相對照，對於用於脈寬調變旋轉速度控制的驅動電路，可以使用場效電晶體T4而不是雙極電晶體作為開關電晶體。作為另一差異，在風扇模組的接地電源線路中提供該開關電晶體。就場效電晶體的使用而言，這之所以有益是因為可以使用較便宜的n通道型並且這比p通道型更有利。因而在此組件中，向該電路施加的接地GND0不同於向風扇模組1施加的電壓GND，而外部供應的工作電壓V與風扇模組1的工作電壓V相匹配。
此外，電流測量電阻器RS(分流)與開關電晶體T4的開關路徑(在此為源極-汲極路徑)串聯布置，其中跨電流測量電阻器RS的電壓降經由電阻器R2饋送到電容器C4。向電容器C4施加的電壓VI是對風扇模組1所消耗的電流I的測量。
在第6圖中示出了用於風扇模組1的風扇馬達2的脈寬調變驅動的另一電路裝置。
與第5圖中所示的實施例相對照，對於第6圖的例子將去掉二極體D2。D2上的電壓降的消除在給定工作電壓V的情況下造成風扇馬達2更高的輸出。這也產生成本節省。
與第5圖的實施例的另一差異在於電流測量。用來將電容器C4連接到測量電阻器RS的電阻器R2在此被場效電晶體T5的源極-汲極路徑所取代。電晶體T5也由用於脈寬調變PWM的信號驅動，該信號也控制電晶體T4。藉由電晶體T5實現僅當風扇模組1被通電時電容器C4才連接到電阻器RS。以此方式，在第6圖的實施例中防止電容器C4在電晶體T4為非導通的時間過程中放電。因而，向電容器C4施加的電壓與在電晶體T4被接通時流動的電流I成比例，而不是如第5圖的實施例中那樣的時間平均電流。因此，排除在電流測量時對脈寬調變信號PWM的脈衝占空比的影響。
在第4圖至第6圖中所示實施例中，在風扇模組1之外提供用於脈寬調變的裝置以及可選地提供用於電流測量的裝置。特別是，由於可以去掉複雜的直流轉換器，所以用於脈寬調變和/或用於電流測量的裝置也可以被設置於風扇模組1內，該風扇模組於是具有對應較大數目的端子接線。
1．．．風扇模組
2．．．風扇馬達
3．．．功率單元
4．．．控制單元
C1至C3．．．電容器
D1至D3．．．二極體
GND．．．接地
L1、L2．．．線圈
L3．．．線圈
R1、R2．．．電阻器
RS．．．電流測量電阻器
T1至T3．．．雙極電晶體
T4、T5．．．場效電晶體
V．．．工作電壓
VL．．．工作電壓
VS．．．工作電壓
下文將借助附圖參照實施例更具體地說明本發明。其中：
第1圖示出了具有電子換向風扇馬達和用於驅動該電子換向風扇馬達的電路單元的風扇模組，
第2圖示出了根據先前技術的風扇模組，
第3圖示出了根據第2圖的、具有用於脈寬調變旋轉速度控制的驅動電路的風扇模組，
第4圖示出了根據第1圖的、具有用於脈寬調變旋轉速度控制的風扇模組，
第5圖示出了具有電子換向風扇馬達和用於驅動該電子換向風扇馬達的電路單元的風扇模組，以及也示出了用於風扇模組工作電流的測量和脈寬調變旋轉速度控制的驅動電路，以及
第6圖示出了根據第5圖的、具有用於風扇模組工作電流的測量和脈寬調變旋轉速度控制的可替選的驅動電路的風扇模組。
1．．．風扇模組
2．．．風扇馬達
3．．．功率單元
4．．．控制單元
C1．．．電容器
D1、D2．．．二極體
GND．．．接地
L1、L2．．．線圈
R1．．．電阻器
T1、T2．．．雙極電晶體
V．．．工作電壓
VL．．．工作電壓
VS．．．工作電壓

Claims (12)

  1. 一種用於驅動電子換向風扇馬達(2)的電路單元，包括：用於提供脈衝工作電壓的兩個端子，用於驅動風扇馬達(2)的線圈(L1，L2)的功率單元(3)，用於驅動該功率單元(3)的控制單元(4)，二極體(D1)，由該兩個端子提供且由該控制單元(4)使用的脈衝工作電壓(VS)藉由該二極體(D1)與該功率單元(3)的工作電壓(VL)分離，以及裝置，用於平滑該控制單元(4)的工作電壓(VS)。
  2. 如申請專利範圍第1項的電路單元，其中用於平滑控制單元(4)的工作電壓(VS)的裝置具有電容器(C1)。
  3. 如申請專利範圍第2項的電路單元，其中用於平滑控制單元(4)的工作電壓(VS)的裝置還具有電阻器(R1)並且被構造為是低通濾波器。
  4. 如申請專利範圍第1項的電路單元，其中另一二極體(D2)作為在功率單元(3)的工作電壓(VL)與該電路單元的工作電壓(V)之間的極性反轉保護。
  5. 如申請專利範圍第1項的電路單元，其中功率單元具有作為元件的雙極電晶體(T1，T2)或者場效電晶體。
  6. 一種用於電子設備的風扇模組(1)，包括：電子換向風扇馬達(2)，以及如申請專利範圍第1至5項中之任一項的用於驅 動該風扇馬達(2)的電路單元。
  7. 如申請專利範圍第6項的風扇模組(1)，其中用於驅動風扇馬達(2)的電路單元串聯連接的用於風扇馬達(2)的脈寬調變旋轉速度控制的開關元件(T3，T4)以及在與該電路單元的工作電壓(V)或者功率單元(3)的工作電壓(VL)並聯的反向偏壓方向上提供另一二極體(D3)作為恢復二極體。
  8. 如申請專利範圍第7項的風扇模組，其中開關元件(T3，T4)是雙極電晶體或者場效電晶體。
  9. 如申請專利範圍第6項的風扇模組，其中用於測量風扇馬達(2)的電流的、與該電路單元串聯連接的測量電阻器(RS)。
  10. 如申請專利範圍第9項的風扇模組，其中用於平滑電阻器上的電壓(VI)的電容器(C4)。
  11. 如申請專利範圍第10項的風扇模組，其中用於將該電容器(C4)連接到該測量電阻器(RS)的電阻器(R2)。
  12. 如申請專利範圍第10項的風扇模組，其中用於將該電容器(C4)連接到該測量電阻器(RS)的另一開關元件(T5)，其中該開關元件(T4)和該另一開關元件(T5)被共同地驅動。
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