TWI539081B - 散熱風扇系統 - Google Patents

Description

散熱風扇系統

本發明係關於一種散熱風扇系統，詳而言之，係關於一種應用於電腦機殼零組件及電源供應器的散熱風扇系統。

隨著電腦技術的發展，不斷開發出各種高性能的電腦，而CPU運算速度的快速提昇、電源供應器的使用需求增加等，皆使得電腦系統需要更好的散熱裝置來提昇系統運作的穩定度。

在散熱裝置中，風扇是不可或缺的重要零件之一，其可將電腦系統內散熱片所吸取的熱源排至殼體外部，讓系統能夠正常運作而不會當機。另一方面，為了確保電源供應器運作的正常，電源供應器針對各種情況衍生出各種保護，如過電流(OCP)、過電壓(OVP)、(交流)低電壓(AC UVP)、(直流)低電壓(DC UVP)、過負載(OPP)、過溫度(OTP)、短路(SCP)、防突波湧浪(SIP)等保護機制。此外，散熱裝置也具有各種，如防鎖死、自動再啟動、過電流(OCP)、短路(SCP)…等保護機制，可避免散熱裝置故障，造成如風扇線圈損毀等情況。

習知電源供應器具有內部風扇，而為了因應使用者需求，電源供應器也會因不同散熱需求而增加外部風扇線路。內部風扇受控於電源內的IC，可依據主機負載狀況進行轉速調整；而外部風扇不受控於電源內IC，以使用固定電壓(如5V或12V)的方式運作，也因此外部風扇的轉速固定。如此一來，會造成不必要的電能耗損。

再者，習知常見的電源供應器的內部風扇雖具備如前述的各種保護機制，但外部風扇以使用固定電壓的方式運作，因此並無針對外部風扇進行保護機制的電路設計，此可能會導致外部風扇因異常運作而故障，進而導致電源供應器損壞。

本發明提供一種散熱風扇系統，能解決上述問題。

本發明之散熱風扇系統，係包括：一電源供應器，設置於一機殼；一控制器，係電性連接該電源供應器；一第一風扇，係電性連接該控制器，用以對該電源供應器進行散熱；一第二風扇，用以對該機殼之內部進行散熱；一連動電路，係電性連接該第一風扇與該第二風扇，使該第二風扇與該第一風扇產生連動，其中，該控制器透過該連動電路控制該第二風扇；以及一保護電路，係電性連接該第二風扇，俾當該保護電路發現異常時，該保護電路致使該第二風扇關閉，並發出一訊號至該控制器以關閉該電源供應器。

該連動電路包括一運算放大器，該第一風扇電性連接 該運算放大器之一輸入端，該第二風扇則電性連接該運算放大器之一另一輸入端。該連動電路可另包括至少一電性連接該運算放大器之該另一輸入端之二極體，且該第二風扇與該二極體串接。此外，該第二風扇的電壓大於該第一風扇的電壓。

在一實施方式中，該保護電路包括一感測模組及一第一開關模組，該感測模組電性連接一驅動電壓端，該第一開關模組電性連接該感測模組及該控制器，俾當流過該感測模組的電流過大而致能該第一開關模組後，該第一開關模組發出該訊號至該控制器以該關閉該電源供應器。

其中，該感測模組包括一電阻及一第一電晶體，以當流經該電阻的電流過大時，導通該第一電晶體。

其中，該第一開關模組包括一第二電晶體，該第二電晶體電性連接該控制器的一腳位及一大地，當該第一電晶體導通後，會連帶導通該第二電晶體，以使該腳位降至一低準位電壓，進而關閉該電源供應器。

該保護電路可另包括一第二開關模組，該第二開關模組電性連接該第二風扇及該感測模組，當流經該電阻的電流過大時，導通該第一電晶體，而致能該第二開關模組關閉該第二風扇。

其中，該第二開關模組包括一第三電晶體、一第四電晶體及一第五電晶體，該第三電晶體電性連接該第一電晶體，該第四電晶體電性連接該驅動電壓端，該第五電晶體電性連接該第四電晶體、該第二風扇及該電阻，當流經該 電阻的電流過大而導通該第一電晶體導通，且該第三電晶體及該第四電晶體依序導通後，會截止該第五電晶體而關閉該第二風扇。該第五電晶體較該第二電晶體快導通。

另外，該第二開關模組可再包括一第六電晶體，該第六電晶體電性連接該第五電晶體、該電阻及該第二風扇，當該第一電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體依序導通後，會截止該第五電晶體及該第六電晶體而關閉該第二風扇。該第六電晶體較該第二電晶體快導通。

本發明之散熱風扇系統設計了連動電路和保護電路，故能避免不必要的電能浪費，更能避免第二風扇因無保護機制或原有的保護機制異常而損壞。

1‧‧‧電源供應器

2‧‧‧控制器

3‧‧‧第一風扇

4‧‧‧第二風扇

5‧‧‧連動電路

6‧‧‧保護電路

61‧‧‧感測模組

62‧‧‧第一開關模組

63‧‧‧第二開關模組

+12VI‧‧‧驅動電壓端

D1、D2、D3‧‧‧二極體

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7‧‧‧電阻

Q1‧‧‧第一電晶體

Q2‧‧‧第二電晶體

Q3‧‧‧第三電晶體

Q4‧‧‧第四電晶體

Q5‧‧‧第五電晶體

Q6‧‧‧第六電晶體

LM1、LM2‧‧‧運算放大器

第1圖係本發明之散熱風扇系統之構件示意圖；第2圖係本發明之散熱風扇系統之風扇曲線圖；第3圖係本發明之散熱風扇系統中連動電路的示意圖；第4圖係本發明之散熱風扇系統中第一道保護機制的示意圖；第5圖係本發明之散熱風扇系統中第二道保護機制的示意圖；第6圖係本發明之散熱風扇系統中第三道保護機制的示意圖；以及第7圖係本發明之散熱風扇系統之電路之示意圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此項技藝之人士可由本文所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。

請參閱第1至2圖，其中，第1圖為本發明之散熱風扇系統之構件示意圖，第2圖為本發明之散熱風扇系統之風扇曲線圖。本發明之散熱風扇系統包括一設置於一機殼內之電源供應器1、一電性連接該電源供應器1之控制器2、一第一風扇3、一第二風扇4、一電性連接該第一風扇3和該第二風扇4之連動電路5及一保護電路6。

該第一風扇3電性連接該控制器2並對該電源供應器1進行散熱，以避免該電源供應器1因過熱而運作異常。在本實施方式中，該第一風扇3可視為一般業界所謂的內部風扇。值得一提的是，該控制器2會依據負載變化進行第一風扇3的轉速調整，意即該第一風扇3的轉速隨負載變化，如第2圖所示，該第一風扇3的啟動電壓約10V，啟動之後在負載約60%之下維持4.3V~4.5V之怠速電壓，負載超過60%之後，隨著負載越高，該第一風扇3的電壓越高，進而轉速越快。另一方面，當負載超過120%或環溫 過熱以至於第一風扇3電壓即使到12V(最大轉速)電源供應器1內還是過熱時，便會啟動電源供應器1本身的保護機制，以關閉電源供應器1運作。

該第二風扇4對該機殼之內部進行散熱，即對該機殼內的其他零組件，如主機板、CPU等進行散熱，如此可提昇電腦系統的整體散熱效果。在本實施方式中，該第二風扇4可視為一般業界所謂的外部風扇。需說明的是，該第二風扇4的數量可以同時並聯多個運作，一切端看使用者需求決定。

該連動電路5電性連接該第一風扇3和該第二風扇4以使該第二風扇4與該第一風扇3產生連動，則該控制器2可透過該連動電路5來控制該第二風扇4。因此，藉由該連動電路5，該第一風扇3和該第二風扇4皆受控於該控制器2。如第2圖所示，該第二風扇4的啟動電壓與該第一風扇3同為10V，此圖係舉例以該第二風扇4比該第一風扇3高1V的電壓連動方式來說明，即於負載在10%~60%的範圍間，該第二風扇4的怠速電壓約為5.5V上下，而於負載超過60%之後，視需求調整提高該第一風扇3的電壓，連動地亦提高該第二風扇4的電壓，以使該第一風扇3和該第二風扇4的轉速增加，藉此提昇散熱效果。當負載過載時則啟動保護機制，此部份將於後詳述。

請一併參照第3圖及第7圖，第3圖係本發明之散熱風扇系統中連動電路的示意圖，第7圖係本發明之散熱風扇系統之電路之示意圖。該連動電路5包括一電阻R1、一 運算放大器LM1、及二個二極體D1和D2。該電阻R1電性連接該運算放大器LM1的一反向輸入端(-)並藉由PIN電性連接該第一風扇3，該二極體D1和D2電性連接該運算放大器LM1的一非反向輸入端(+)及該第二風扇4，其中，該二極體D1和D2係與該第二風扇4串接。

該運算放大器LM1具有輸入阻抗大、輸出電壓增益大之特性，且該非反向輸入端的電壓訊號相當於該反向輸入端的電壓訊號。因為輸入阻抗大，從PIN流經該電阻R1到該運算放大器LM1的反向輸入端之電流很小，該運算放大器LM1的反向輸入端的輸入電壓訊號可視為該第一風扇3的電壓訊號。當該電源供應器1運作時，該二極體D1和D2導通，該第二風扇4的電壓相當於運算放大器LM1非反向輸入端的電壓加上該二極體D1和D2導通的順向偏壓，該二極體D1或D2的導通順向偏壓大約0.6V~0.7V，故該第二風扇4的電壓相當於該第一風扇3的電壓再加上1.2V~1.4V。

因此，透過該連動電路5中的運算放大器LM1，該第一風扇3和該第二風扇4可皆受控於該控制器2，且透過該連動電路5中的二極體D1和D2，該第二風扇4的電壓和第一風扇3的電壓連動，在本實施方式中，該第二風扇4的電壓高於該第一風扇3的電壓約1V。具體來說，當該第一風扇3的轉速依據負載狀況進行調整時，在該第二風扇4透過該連動電路5而與該第一風扇3連動的情況下，該第二風扇4的轉速同樣也是依據負載狀況進行調整，如 此可避免習知外部風扇以固定轉速運作而造成電能浪費的問題。需說明的是，該連動電路5亦可僅設計有一個二極體、兩個以上二極體或無須設計有二極體等，以該連動電路5設計成無二極體為例，該第二風扇4直接電性連接該運算放大器LM1，即可達到連動之目的，也就是說，讓該第一風扇3的電壓與該第二風扇4的電壓相同，即該第一風扇3的轉速跟該第二風扇4的轉速相同。因此，該連動電路5如何設計端視需求而定，不以本實施方式為限。

回到第1圖，該保護電路6電性連接該第二風扇4，其中，該保護電路6包括一感測模組61、一第一開關模組62及一第二開關模組63。當該保護電路6發現異常(即過電流或短路)時，該保護電路6關閉該第二風扇4，並發出一訊號至該控制器2以關閉該電源供應器1，其中，本發明具有三道保護機制，第一道保護機制用來關閉該電源供應器1，第二道及第三道保護機制則是用以關閉該第二風扇4，以下將分別針對三道保護機制進行詳述。

先說明第一道保護機制，請參照第4圖，第4圖係本發明之散熱風扇系統中第一道保護機制的示意圖。該保護電路6包括一感測模組61及一第一開關模組62，該感測模組61電性連接一驅動電壓端+12VI，該第一開關模組62電性連接該感測模組61及該控制器2。其中，該感測模組61包括一電阻R2及一第一電晶體Q1，而該第一開關模組62包括一第二電晶體Q2及一電阻R3。於該感測模組61中，該電阻R2電性連接一驅動電壓端+12VI及該第一電晶 體Q1的基極，該第一電晶體Q1的射極電性連接該驅動電壓端+12VI，而於該第一開關模組62中，該第二電晶體Q2的基極透過該電阻R3電性連接至第一電晶體Q1的集極，該第二電晶體Q2的集極電性連接該控制器2的一腳位，且第二電晶體Q2的射極電性連接一大地。當該保護電路6發現異常(即過電流或短路)時，即流經該電阻R2之電流會增加，使得該電阻R2的跨壓大於該第一電晶體Q1的順向偏壓，以使該第一電晶體Q1導通，該驅動電壓端+12VI的電壓經過該第一電晶體Q1後，且流經該電阻R3的分壓大於該第二電晶體Q2的順向偏壓，使得該第二電晶體Q2導通，以使該控制器2的腳位降至一低準位電壓，觸發欠電壓保護，進而關閉該電源供應器1，待過電流或短路的異常狀況除去之後，該電源供應器1才能重啟運作。

接著說明第二道保護機制，請同時參照第5圖及第7圖，第5圖係本發明之散熱風扇系統中第二道保護機制的示意圖。該保護電路6另包括一第二開關模組63，該第二開關模組63電性連接該第二風扇4及該感測模組61。其中，該第二開關模組63包括一第三電晶體Q3、一第四電晶體Q4、一第五電晶體Q5及一第六電晶體Q6。該第三電晶體Q3的基極透過電阻R4電性連接該第一電晶體Q1的集極，該第四電晶體Q4的射極電性連接該驅動電壓端+12VI，該第五電晶體Q5的基極電性連接該第四電晶體Q4的集極，該第五電晶體Q5的集極電性連接該第二風扇4，該第六電晶體Q6的基極電性連接該第五電晶體Q5的射 極，該第六電晶體Q6的射極電性連接該電阻R2，該第六電晶體Q6的集極電性連接該第二風扇4。

當該保護電路6發現異常(即過電流或短路)時，流經該電阻R2之電流會增加，使得該電阻R2的跨壓大於該第一電晶體Q1的順向偏壓，以使該第一電晶體Q1導通，該第一電晶體Q1導通之後，電流流經電阻R4和電阻R5，此時，電阻R5分壓會大於第三電晶體Q3的順向偏壓，使得第三電晶體Q3導通。接著，電流流經電阻R6和電阻R7，且電阻R6分壓會大於該第四電晶體Q4的順向偏壓，以使第四電晶體Q4導通。接著，第五電晶體Q5的基極電壓訊號被拉高至12V(即驅動電壓端+12VI的電壓)，導致驅動第五電晶體Q5的順向偏壓不足，使得第五電晶體Q5和第六電晶體Q6截止，進而關閉該第二風扇4。如此一來，當有過電流或短路發生時，意即流經該電阻R2之電流會急速上升，本實施方式的第二道保護機制可迅速的關閉該第二風扇4，以避免該第二風扇4的電路因運作異常而損壞。需說明的是，在其他的實施方式中，第五電晶體Q5和第六電晶體Q6為一達靈頓對(Darlington pair)，亦可僅設置第五電晶體Q5而第六電晶體Q6為選擇性設置，或僅設置第六電晶體Q6而第五電晶體Q5為選擇性設置。當然，選擇性設置或客製化設計常會伴隨線路上的小修改，但一切仍不脫離本發明的基本精神。

此外，本實施方式的感測模組61、第一開關模組62及第二開關模組63係由電晶體及電阻所組成，但在其他實 施方式中，各模組內的電晶體及電阻的個數，或使用的元件種類，皆可依實際需求進行調整。

值得一提的是，由於執行第一道保護機制需耗時約幾十毫秒(ms)，在這期間，第二道保護機制中的第五電晶體Q5或第六電晶體Q6很可能已經因導通電流過大而發熱損壞。因此，本實施方式將第二道保護機制中的第五電晶體Q5或第六電晶體Q6設計成較第一道保護機制中的第二電晶體Q2快導通，藉此可避免第五電晶體Q5或第六電晶體Q6因大電流而過熱燒毀。總言之，當該保護電路6發現異常時，會同時啟動第一和第二道保護機制，以迅速關閉該第二風扇4並發出訊號至該控制器2以令該電源供應器1關閉，藉此先關閉該第二風扇4再關閉該電源供應器1，不僅可避免該第二風扇4因沒有保護機制而損壞，或者命令該電源供應器1關閉的訊號反應時間太長而導致該保護電路6內部元件損壞的問題。

應注意到，本實施方式的第一電晶體Q1到第六電晶體Q6皆使用雙極性接面電晶體(BJT)，然而，這僅是其中一種實施方式，在其他實施方式中，也可以其他種類的電晶體來替代雙極性接面電晶體(BJT)，如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、閘極絕緣雙極性電晶體(IGBT)…等，一切端視實際需求而設計，並不受限於本實施方式。

除此之外，在實際的電路設計上，考慮到第二開關模組63內的電晶體有可能發生失效/故障的情形，使得第二道保護機制雖已啟動，但因電晶體失效/故障，導致第二道 保護機制沒有達成保護第二風扇4的效果。藉此，本實施方式還設置第三道保護機制，具體而言，請同時參照第6圖及第7圖，第6圖係本發明之散熱風扇系統中第三道保護機制的示意圖。當運算放大器LM2的反向輸入端(-)分壓大於運算放大器LM2的非反向輸入端(+)分壓時，運算放大器LM2的輸出準位為低準位，進而使二極體D3導通，如此一來，運算放大器LM1的反向輸入端(-)為低準位，又運算放大器LM1的非反向輸入端(+)相當於反向輸入端(-)，此時，第二風扇4的驅動電壓會不足，進而使第二風扇4停止運轉，以達成保護第二風扇4的效果。

綜上所述，本發明透過連動電路使第一和第二風扇皆受控於與電源供應器電性連接之控制器，藉此控制器可依負載狀況對第一風扇進行轉速調整，而第二風扇藉由與第一風扇的電壓連動，其轉速亦隨第一風扇的轉速調整來變化，如此可避免不必要的電能浪費。此外，保護電路設計有過流或短路之保護機制，當電流太大或短路時，先關閉第二風扇後再使電源供應器停止運轉，以避免電源供應器、第一或第二風扇或保護電路本身發生不可逆的損害。再者，本發明之保護機制為三重保護機制，在第一道保護機制來不及反應、反應時間過長或故障的情況下，仍有第二道保護機制，在第二道保護機制故障的情況下，亦有第三道保護機制，如此可有效避免第二風扇的電路因運作異常而損壞。

上述實施樣態僅例示性說明本發明之功效，而非用於 限制本發明，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述該些實施態樣進行修飾與改變。此外，在上述該些實施態樣中之結構的數目僅為例示性說明，亦非用於限制本發明。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧電源供應器

2‧‧‧控制器

3‧‧‧第一風扇

4‧‧‧第二風扇

5‧‧‧連動電路

6‧‧‧保護電路

61‧‧‧感測模組

62‧‧‧第一開關模組

63‧‧‧第二開關模組

Claims (16)

1. 一種散熱風扇系統，係包括：一電源供應器，設置於一機殼；一控制器，係電性連接該電源供應器；一第一風扇，係電性連接該控制器，用以對該電源供應器進行散熱；一第二風扇，用以對該機殼之內部進行散熱；一連動電路，係電性連接該第一風扇與該第二風扇，使該第二風扇與該第一風扇產生連動，其中，該控制器透過該連動電路控制該第二風扇；以及一保護電路，係電性連接該第二風扇，俾當該保護電路發現異常時，該保護電路致使該第二風扇關閉，並發出一訊號至該控制器以關閉該電源供應器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱風扇系統，其中，該連動電路包括一運算放大器，該第一風扇電性連接該運算放大器之一輸入端，該第二風扇則電性連接該運算放大器之一另一輸入端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之散熱風扇系統，其中，該連動電路還包括至少一二極體，該二極體電性連接該運算放大器之該另一輸入端，且該第二風扇與該二極體串接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之散熱風扇系統，其中，該第二風扇的電壓大於該第一風扇的電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之散熱風扇系統，其中，該 保護電路包括一感測模組及一第一開關模組，該感測模組電性連接一驅動電壓端，該第一開關模組電性連接該感測模組及該控制器，俾當流過該感測模組的電流過大而致能該第一開關模組後，該第一開關模組發出該訊號至該控制器以該關閉該電源供應器。
6. 如申請專利範圍第5項所述之散熱風扇系統，其中，該感測模組包括一電阻及一第一電晶體，以當流經該電阻的電流過大時，導通該第一電晶體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之散熱風扇系統，其中，該第一開關模組包括一第二電晶體，該第二電晶體電性連接該控制器的一腳位及一大地，當該第一電晶體導通後，會連帶導通該第二電晶體，以使該腳位降至一低準位電壓，進而關閉該電源供應器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之散熱風扇系統，其中，該保護電路還包括一第二開關模組，該第二開關模組電性連接該第二風扇及該感測模組，當流經該電阻的電流過大時，導通該第一電晶體，而致能該第二開關模組關閉該第二風扇。
9. 如申請專利範圍第8項所述之散熱風扇系統，其中，該第二開關模組包括一第三電晶體、一第四電晶體及一第五電晶體，該第三電晶體電性連接該第一電晶體，該第四電晶體電性連接該驅動電壓端，該第五電晶體電性連接該第四電晶體、該第二風扇及該電阻，當流經該電阻的電流過大而導通該第一電晶體，且該 第三電晶體及該第四電晶體依序導通後，會截止該第五電晶體而關閉該第二風扇。
10. 如申請專利範圍第9項所述之散熱風扇系統，其中，該第五電晶體較該第二電晶體快導通。
11. 如申請專利範圍第9項所述之散熱風扇系統，其中，該第二開關模組還包括一第六電晶體，該第六電晶體電性連接該第五電晶體、該電阻及該第二風扇，當該第一電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體依序導通後，會截止該第五電晶體及該第六電晶體關閉該第二風扇。
12. 如申請專利範圍第11項所述之散熱風扇系統，其中，該第六電晶體較該第二電晶體快導通。
13. 如申請專利範圍第1項所述之散熱風扇系統，其中，該保護電路包括一感測模組及一第二開關模組，該感測模組電性連接一驅動電壓端，該第二開關模組電性連接該第二風扇及該感測模組，俾當流過該感測模組的電流過大時，會致能該第二開關模組關閉該第二風扇。
14. 如申請專利範圍第13項所述之散熱風扇系統，其中，該感測模組包括一電阻及一第一電晶體，當流經該電阻的電流過大時，導通該第一電晶體。
15. 如申請專利範圍第14項所述之散熱風扇系統，其中，該第二開關模組包括一第三電晶體、一第四電晶體及一第五電晶體，該第三電晶體電性連接該第一電晶 體，該第四電晶體電性連接該驅動電壓端，該第五電晶體電性連接該第四電晶體、該第二風扇及該電阻，當流過該電阻的電流過大時，會導通該第一電晶體，且該第三電晶體及該第四電晶體依序導通後，該第五電晶體截止而關閉該第二風扇。
16. 如申請專利範圍第15項所述之散熱風扇系統，其中，該第二開關模組還包括一第六電晶體，該第六電晶體電性連接該第五電晶體、該電阻及該第二風扇，當該第一電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體依序導通後，會截止該第五電晶體及該第六電晶體而關閉該第二風扇。