TWI460987B

TWI460987B - 風扇之驅動電路與方法

Info

Publication number: TWI460987B
Application number: TW101125681A
Authority: TW
Inventors: Ching Feng Lai; Hung Chun Yeh; Kang Sheng
Original assignee: Anpec Electronics Corp
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-11-11
Also published as: US20140021899A1; US8884568B2; TW201406046A

Description

風扇之驅動電路與方法

本發明係指一種用於一風扇之驅動電路及方法，尤指一種利用脈衝頻率調變技術於複數個操作模式下驅動一風扇之驅動電路及方法。

馬達是一種將電能轉換為動能的電子裝置，常見有直流馬達、交流馬達及步進馬達等，其中直流馬達及交流馬達通常被用於不需精密控制的產品裝置上，例如風扇。一般而言，直流馬達的轉動係透過馬達定子上線圈的電流方向及電流大小，產生不同大小、極性的磁力，進而與馬達轉子上的永久磁鐵產生相吸或相斥的作用力，使得馬達轉動同時驅動風扇之轉動。

請參考第1圖，第1圖係為習知技術中一馬達驅動電路10之示意圖。如第1圖所示，馬達驅動電路10係透過一線性電壓驅動方式，對應驅動一風扇12之轉動。馬達驅動電路10接收一輸入電壓源VIN，於馬達驅動電路10產生一電壓壓降，以對應提供一輸出電壓VOUT至風扇12，其中電壓壓降係為輸入電壓源VIN與輸出電壓VOUT之差值。請再參考第2圖，第2圖為第1圖中馬達驅動電路10之溫度與轉速之示意圖，其中馬達驅動電路10為序號GR8030之電子晶片電路，圖中橫軸代表風扇12所處環境之溫度值(其可對應為風扇12之一導通電壓或導通電流)，至於縱軸代表風扇12所對應之一相對轉速(即對應風扇12最大轉速的百分比例)。如第2圖所示，馬達驅動電路10於啟動過程中，風扇12所對應的溫度雖然較低，但是馬達驅動電路10仍先驅動風扇12進行一較大之啟動速度，例如第2圖中所示從60%最大轉速遞增至超過80%最大轉速，經過一預設時間後再降回10%最大轉速，此時風扇12將維持10%最大轉速(即風扇12之最低轉速)的操作而不再變化。當風扇12的所處溫度增加至30度時，馬達驅動電路10則逐漸增加風扇12的相對轉速。較佳地，相對轉速的遞增係和驅動電壓的遞增為線性關係，換句話說，風扇12所對應的溫度愈大，其相對轉速也愈快，以使風扇12能有效地排除環境中所產生的熱能。當所處環境的溫度持續增加到100度時，風扇12將以最大轉速來進行轉動。當風扇12正以最大轉速進行轉動，而風扇12對應的溫度仍不減反增並超過一預設最大溫度115度時，馬達驅動電路10可能將判斷風扇12將過熱(或風扇12所對應之一電子系統係為工作超載)。然而，習知技術中的風扇12僅能隨輸入電壓VIN對應產生的驅動電壓之線性增加或減少，對應線性增加或減少風扇12的轉動速度，而無法藉由其他操作方式或控制訊號，於不同環境條件或使用者特定需求下適性地改變風扇12的操作模式，進而改變風扇12的轉動速度，此將限制馬達驅動電路10的適用範圍。

因此，提供一種用於一風扇之馬達驅動電路及方法，藉由不同的操作機制適性地改變風扇的操作模式，以配合不同環境條件或不同使用者特定需求，已成為本領域重要的議題之一。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於一風扇之馬達驅動電路及方法，於複數個驅動模式下驅動風扇進行轉動，以滿足不同環境條件或不同使用者的特定需求。

本發明揭露一種驅動電路，於複數個操作模式下驅動一風扇，該驅動電路包含有一啟動模組，用來根據一反饋訊號，產生一開關訊號；一控制模組，耦接於該啟動模組，用來根據該開關訊號以及一預設比較訊號，同時利用一脈衝頻率調變技術以產生一控制訊號，使該風扇進行一轉動操作；以及一反饋模組，耦接於該風扇，用來根據該風扇之一導通結果，產生該反饋訊號；其中，該轉動操作係包含有該複數個操作模式，而該風扇係根據不同之該導通結果，於該複數個操作模式中進行切換。

本發明另揭露一種驅動方法，透過一驅動電路於複數個操作模式下驅動一風扇，該驅動方法包含有根據一反饋訊號，產生一開關訊號；根據該開關訊號以及一預設比較訊號，同時利用一脈衝頻率調變技術以產生一控制訊號，使該風扇進行一轉動操作；以及根據該風扇之一導通結果，產生該反饋訊號；其中，該轉動操作係包含有該複數個操作模式，而該風扇係根據不同之該導通結果，於該複數個操作模式中進行切換。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一驅動電路30之示意圖，其中驅動電路30之一控制模組302係利用脈衝頻率調變技術(Pulse Frequency Modulation，PFM)，對應產生可調變的輸出電壓VOUT，同時搭配驅動電路30之一啟動模組300預設有驅動電壓值V1~VN，進而控制一風扇12的轉動操作。如第3圖所示，驅動電路30除了包含有啟動模組300以及控制模組302外，更包含有一反饋模組304、一電壓調整模組306以及一開關電晶體308。驅動電路30利用電壓調整模組306接收一輸入電壓VIN，對應產生一調整輸入電壓S_VIN至啟動模組300和控制模組302。啟動模組300耦接於反饋模組304，其可根據反饋模組304所產生之一反饋訊號S_FB，同時比較反饋訊號S_FB與驅動電壓值V1~VN間之差值，對應產生一開關訊號S_ST。控制模組302預設有一預設比較訊號S_PC，其可根據開關訊號S_ST以及調整輸入電壓S_VIN，比較預設比較訊號S_PC以及反饋訊號S_FB之差值，以對應輸出一控制訊號S_C。開關電晶體308根據控制訊號S_C以對應導通，至於電壓轉換模組310係根據開關電晶體308之導通情形，對應輸出輸出電壓VOUT至風扇12與一穩壓電容C，俾使風扇12於輸出電壓VOUT驅動下進行轉動操作。在此同時，反饋模組304適性地根據風扇12的導通結果，對應產生反饋訊號S_FB，進而動態地控制啟動模組300與控制模組302之操作。

在本實施例中，風扇12的導通結果可藉由一電壓型式或一電流型式來表達，且兩者滿足歐姆定律可相互替代。若風扇12的導通結果係對應為一較小數值的電壓型式(或電流型式)，係表示風扇12的操作於一較大的溫度；反之，若風扇12的導通結果係對應為一較大數值的電壓型式(或電流型式)，係表示風扇12的操作於一較小的溫度。據此，使用者可根據風扇12的導通結果，建立溫度(即風扇12的導通電壓或導通電流)相對於風扇12轉動速度的關係，以提供為後續操作的比較依據。

請參考第4圖，第4圖為第3圖中驅動電路30於複數個操作模式下驅動風扇12之溫度相對於轉速之示意圖。如第4圖所示，驅動電路30中的啟動模組300可根據上述溫度(或導通電壓/電流)與轉動速度的關係，預設有驅動電壓值V1~VN代表參考溫度T1~T5且對應為操作模式M1~M5，其中參考溫度T1~T5係透過一電壓/電流之形式呈現，且操作模式分別為一休眠模式M1、一啟動模式M2、一第一驅動模式M3、一第二驅動模式M4以及一高溫保護模式M5。其中休眠模式M1係用來節省驅動電路30之能量損耗，啟動模式M2係用來啟動驅動電路30，第一驅動模式M3係對應為第一轉動速度，第二驅動模式M4係對應為第二轉動速度，且第二轉動速度大於第一轉動速度(例如第一轉動速度為600轉/每秒，而第二轉動速度為900轉/每秒)，至於高溫保護模式M5係用來保護一周邊系統避免其進入過高溫度而致損毀。

較佳地，隨著驅動電路30所產生的輸出電壓VOUT遞增過程中，風扇12所對應的溫度亦同步增加，在此情況下，當本實施例分別滿足不同的參考溫度時(即參考溫度T1~T5中任一者)，啟動模組300將對應產生開關訊號S_ST來切換風扇12於操作模式M1~M5中之任一者，使風扇12所對應的轉度速度發生變化，其中風扇12的轉動速度將操作於最小轉速S_MIN與最大轉速S_MAX之間。在本實施例中，第一驅動模式M3到第二驅動模式M4之間更包含有一轉折點P1，其係用來提供風扇12切換於不同的轉動速度(即第一轉動速度以及第二轉動速度)。在此情況下，本領域具通常知識者係可根據不同需求，對應改變參考溫度T4的數值大小，或是提供複數個轉折點於第一驅動模式M3與第二驅動模式M4之間(即插入更多的參考溫度值)，進而提供風扇12產生更多的線段以產生更多的轉動速度者，亦為本發明之範疇。

請參考第5圖，第5圖為第3圖中啟動模組300實現電路之示意圖。如第5圖所示，啟動模組300包含有五個比較器C_1~C_5，對應預設有參考電壓為1.5伏特、4.5伏特、5.8伏特、6.0伏特以及6.4伏特，藉由比較反饋訊號S_FB和上述參考電壓之間的差值，分別送出切換模式訊號S_M5、S_M4、S_M3、S_M2或S_M1來對應為操作模式M5、M4、M3、M2或M1。最後，再由一切換模式模組500對應輸出開關訊號S_ST。上述挑選的比較器個數以及參考電壓的數值大小，在此僅為示範性說明，本領域具通常知識者係可根據不同需求來適性地修改，俾使複數個參考電壓透過一遞增操作之電壓範圍來切換風扇12於更多的操作模式間者，亦為本發明之範疇。另外，本實施例之切換模式模組500的實現方式，係可透過複數個邏輯電路結合複數個開關電晶體，以將比較器C_1~C_5的比較結果，對應輸出為開關訊號S_ST，進而控制開關電晶體308之導通情形。

請繼續參考第3圖，驅動電路30的控制模組302利用脈衝頻率調變技術且預設有預設比較訊號S_PC，藉由控制模組302比較預設比較訊號S_PC以及反饋訊號S_FB之差值，以產生控制訊號S_C來對應控制風扇12的轉動操作。值得注意地，預設比較訊號S_PC係可為一限制電流訊號S_CL或是一固定時間訊號S_FT，且限制電流訊號S_CL或固定時間訊號S_FT皆可透過一電流/電壓型式來實現，根據不同使用者需求或風扇12所使用的環境條件，將預設比較訊號S_PC預設於一比較器中，以作為控制模組302進行脈衝頻率調變技術時的判斷依據，其中固定時間訊號S_FT更可區分為一固定開啟時間訊號S_FXON或一固定關閉時間S_FXOFF訊號來實現，即控制控制模組302何時啟動及何時關閉的依據。至於脈衝頻率調變技術，係於一固定時間內判斷反饋訊號S_FB(即對應為風扇12的導通情形)和預設比較訊號S_PC(即限制電流訊號S_CL或固定時間訊號S_FT)之間的大小差值，以判斷流經風扇12的能量多寡，進而決定於固定時間內是否需增加流經風扇12的能量或減少流經風扇12的能量。在此情況下，使用者可適性地於控制模組302中加入限制電流訊號S_CL、固定開啟時間訊號S_FXON或固定關閉時間訊號S_FXOFF，以和反饋訊號S_FB進行比較，進而觀察反饋訊號S_FB係先滿足限制電流訊號S_CL之條件，或是先滿足固定開啟時間訊號S_FXON或固定關閉時間訊號S_FXOFF之條件，才對應輸出控制訊號S_C。當然，本領域具通常知識者亦可任意組合上述所有用來比較的參考訊號值，對應提供使用者更多元的操作方式，同時達到判斷流經風扇12的能量多寡者，皆為本發明之範疇。

請再參考第6圖，第6圖為第3圖中電壓轉換模組310以及反饋模組304實現電路之示意圖。如第6圖所示，電壓轉換模組310係可為一靴帶電路且透過一穩定電壓源12*VIN、一二極體D以及一電感L來實現，對應根據導通後之開關電晶體308來輸出輸出電壓VOUT，以驅動風扇12於不同輸出電壓VOUT下產生不同的轉動速度。當然，本領域具通常知識者亦將電壓轉換模組310設計為不同型式的升壓/降壓電路，以提供風扇12不同的非線性且可轉換之輸出電壓者，皆為本發明之範疇。另外，反饋模組304係由分壓電阻R4、R5所組成，根據不同的輸出電壓VOUT，對應產生不同的反饋訊號S_FB。至於電壓調整模組306轉換輸入電壓VIN為調整輸入電壓S_VIN，據以提供彈性之調整輸入電壓S_VIN來分別驅動啟動模組300與控制模組302，應為本領域具通常知識者所熟知之技術，在此不贅述。

更進一步，上述驅動電路30之驅動操作可歸納為一驅動流程70，如第7圖所示。驅動流程70包含有以下步驟：

步驟700：開始。

步驟702：電壓調整模組306接收輸入電壓VIN，以產生調整輸入電壓S_VIN。

步驟704：啟動模組300用來根據調整輸入電壓S_VIN、反饋訊號S_FB以及複數個預設參考溫度(或複數個參考電壓)，比較反饋訊號S_FB與複數個預設參考溫度(或複數個參考電壓)間之差值，以產生開關訊號S_ST。

步驟706：控制模組302根據調整輸入電壓S_VIN、開關訊號S_ST以及預設比較訊號S_PC，並利用脈衝頻率調變技術來比較預設比較訊號S_PC以及反饋訊號S_FB之差值，對應產生控制訊號S_C。

步驟708：根據控制訊號S_C，對應控制開關電晶體308之導通情形。

步驟710：根據開關電晶體308之導通情形，電壓轉換模組310產生輸出電壓VOUT以驅動風扇12進行轉動，進而切換風扇12於不同的操作模式間。

步驟712：結束。

驅動流程70之詳細操作可參考驅動電路30之相關段落與第3圖到第6圖所示，在此不贅述。值得注意地，本領域具通常知識者可新增/修改步驟704中的預設參考溫度(或參考電壓)之個數及其對應的絕對數值，以產生開關訊號S_ST，亦可結合其他的判斷機制以對應提供更多的操作模式者，皆為本發明之範疇。再者，本領域具通常知識者亦可新增/修改步驟706中所使用的預設比較訊號S_PC(即限制電流訊號S_CL、固定開啟時間訊號S_FXON或是固定關閉時間訊號S_FXOFF)，作為控制模組302進行脈衝頻率調變技術的參考依據，進而產生非線性可轉換的驅動電壓且能切換風扇12於不同操作模式間，來滿足使用者之不同需求或是不同負載情形，俾使驅動電路30具備更大的應用範圍及更好的能量轉換效率。

請參考第8圖，第8圖為第3圖中驅動電路30於複數個操作模式下驅動風扇12之電壓相對於轉速之示意圖，其中第8圖的橫軸係對應為不同的電壓值而單位為伏特(V)，縱軸係對應為風扇12的轉動速度。請同時參考第4圖、第5圖以及第8圖所示，第8圖所示的電壓係可對應為第4圖中的溫度，而兩者間僅為水平鏡射(即左右相反)的圖形。在此情況下，驅動電路30隨著不同的電壓變化，使用者即可切換風扇12於不同的操作模式，詳細操作流程可參考第4圖、第5圖及其對應的段落所述，在此不贅述。值得注意地，第8圖更包含預設有一過熱參考電壓V_OTP，當風扇12之反饋訊號S_FB係小於過熱參考電壓V_OTP時，驅動電路30將被強制關閉以停止風扇12的轉動操作。另外，當電壓超過6.4伏特時，驅動電路30亦可提供風扇12進行一防錯模式M_ER，在此情況下，防錯模式M_ER將會持續開啟/關閉風扇12來進行轉動操作，據此提供使用者一偵錯機制，或防錯模式M_ER亦可對應為風扇12正處於一極低溫的使用環境，進而提供使用者另一保護機制。

請參考第9圖，第9圖為本發明實施例與習知技術之比較示意圖，圖中的橫軸係對應為風扇12的導通電流值而單位為毫安培(mA)，左邊的縱軸係對應為驅動風扇12轉動過程中能量損耗值而單位為毫瓦特(mW)，而右邊的縱軸係對應為驅動風扇12轉動的電壓值而單位為伏特(V)。如第9圖所示，隨著風扇12的驅動的電壓值(對應為圖中的實線部分)增加而導通電流亦對應遞增下，習知技術利用線性電壓驅動風扇12轉動(對應為圖中的菱形虛線部分)相較於本發明利用複數個比較參數及脈衝頻率調變技術來驅動風扇12(對應為圖中的矩形虛線部分)，將產生較大的能量損耗，特別於導通電流大小為100毫安培左右，兩者之能量損耗值可達近500毫瓦特。在此情況下，此能量損耗值將於風扇12或驅動電路30中產生不必要之熱量，進而減少驅動消耗同時提高系統的整體效率。

相較於習知技術中的風扇12僅能隨輸入電壓VIN對應產生的驅動電壓之線性增加或減少，對應線性增加或減少風扇12的轉動速度，本發明之實施例係透過啟動模組300預設有複數個參考溫度或參考電壓來對應複數個操作模式，同時搭配控制模組302利用脈衝頻率調變技術以進一步比較預設比較訊號S_PC以及反饋訊號S_FB之差值，對應切換風扇12於複數個操作模式以進行轉動操作。當然，本領域具通常知識者亦可利用本案之驅動電路30以及驅動流程70的概念，對應結合另一脈衝寬度調變技術(Pulse Width Modulation，PWM)，再藉由增設其他的邏輯比較電路或軟韌體的搭配使用，以提供使用者能適性地切換風扇12的驅動方式於脈衝寬度調變技術或脈衝頻率調變技術所對應之不同條件者，皆為本發明之範疇。

綜上所述，本發明係提供一種用於一風扇之驅動電路及方法，於一啟動模組中預設有複數個參考溫度或參考電壓來對應複數個操作模式，再利用一控制模組根據脈衝頻率調變技術且預設有一預設比較訊號，進而比較於風扇導通時之一反饋訊號與預設比較訊號之間的差值，對應切換風扇於複數個操作模式以進行轉動操作，已可適性地改變通過風扇之能量多寡，進而控制風扇之一轉動速度。相較於習知技術僅能產生一線性的驅動電壓，本實施例已提供非線性且可調整的驅動電壓來對應操作風扇於不同的操作模式，可滿足不同使用者於不同負載情況或不同操作環境之操作，同時也提供較佳的能量轉換效率，大幅提高驅動電路的產品應用範圍。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧馬達驅動電路

12‧‧‧風扇

30‧‧‧驅動電路

300‧‧‧啟動模組

302‧‧‧控制模組

304‧‧‧反饋模組

306‧‧‧電壓調整模組

308‧‧‧開關電晶體

310‧‧‧電壓轉換模組

500‧‧‧切換模式模組

70‧‧‧驅動流程

700、702、704、706、708、710、712‧‧‧步驟

C‧‧‧穩壓電容

C_1、C_2、C_3、C_4、C_5‧‧‧比較器

D‧‧‧二極體

L‧‧‧電感

M1‧‧‧休眠模式

M2‧‧‧啟動模式

M3‧‧‧第一驅動模式

M4‧‧‧第二驅動模式

M5‧‧‧高溫保護模式

M_ER‧‧‧防錯模式

R4、R5‧‧‧分壓電阻

P1‧‧‧轉折點

S_VIN‧‧‧調整輸入電壓

S_FB‧‧‧反饋訊號

S_ST‧‧‧開關訊號

S_PC‧‧‧預設比較訊號

S_C‧‧‧控制訊號

S_MIN‧‧‧最小轉速

S_MAX‧‧‧最大轉速

S_M1、S_M2、S_M3、S_M4、S_M5‧‧‧切換模式訊號

T1~T5‧‧‧參考溫度

V1~VN‧‧‧驅動電壓值

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

V_OTP‧‧‧過熱參考電壓

第1圖係為習知技術中一馬達驅動電路之示意圖。

第2圖為第1圖中馬達驅動電路之詳細示意圖。

第3圖為本發明實施例一驅動電路之示意圖。

第4圖為第3圖中驅動電路於複數個操作模式下驅動風扇之溫度相對於轉速之示意圖。

第5圖為第3圖中啟動模組實現電路之示意圖。

第6圖為第3圖中電壓轉換模組以及反饋模組實現電路之示意圖。

第7圖為本發明實施例一驅動流程之流程圖。

第8圖為第3圖中驅動電路於複數個操作模式下驅動風扇之電壓相對於轉速之示意圖。

第9圖為本發明實施例與習知技術之比較示意圖。