TWI554024B

TWI554024B - Fan motor drive device and the use of its cooling device, electronic equipment

Info

Publication number: TWI554024B
Application number: TW101111531A
Authority: TW
Inventors: Toshiya Suzuki; Nobuo Komura; Shinsuke Sano
Original assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-10-11
Also published as: TW201304393A; JP2012217301A; US20120268047A1

Description

風扇馬達之驅動裝置及使用其之冷卻裝置、電子機器

本發明係關於馬達驅動技術。

為對LSI(Large Scale Integrated circuit，大規模積體電路)進行冷卻而利用具有風扇馬達之冷卻裝置。冷卻裝置包括三相無刷DC(Direct current，直流電)馬達、及用以驅動三相無刷DC馬達之驅動裝置。

驅動三相無刷DC馬達之方式大體上分為感測器驅動及無感測器驅動。於感測器驅動中，驅動電路使用霍爾元件或光學編碼器等感測器對轉子之位置即旋轉角進行檢測，並根據所檢測之轉子位置而依序切換供給電流之相(驅動相)。於無感測器驅動中，檢測於馬達之各相線圈產生之反電動勢零交叉之時序而依序切換驅動相。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平5-137379號公報

[專利文獻2]日本專利特開2008-022692號公報

圖1係表示本發明者等研究之具有感測器之冷卻裝置之構成例之圖。冷卻裝置1004包括三相無刷DC馬達(以下僅稱作馬達)6、驅動風扇馬達6之驅動裝置1100、及3個霍爾元件8a~8c。

霍爾元件8a~8c分別接近於風扇馬達6而配置，且產生與轉子位置對應之霍爾信號之配對(以下亦僅稱作霍爾信號)H+、H-。霍爾元件8a~8c之相對位置關係係以使電氣角成為120度之方式密切注意地加以調節。

驅動裝置1100包括霍爾信號檢測電路1010、PWM(Pulse Width Modulator，脈寬調變)信號產生電路1012、驅動信號合成電路1014、驅動電路1016、旋轉信號產生電路1020及霍爾元件用電源1022。

霍爾元件用電源1022對霍爾元件8a~8c供給偏壓信號。霍爾信號檢測電路1010接收3組霍爾信號，並根據其等而檢測切換驅動相之時序。例如霍爾信號檢測電路1010亦可包括對霍爾信號之配對進行比較之比較器，且將比較器之輸出信號作為表示切換驅動相之時序之信號而加以輸出。或者霍爾信號檢測電路1010亦可包括對霍爾信號之配對之差分進行放大之放大器。該情形時，驅動電路1016亦可根據放大器之輸出而對風扇馬達6進行BTL(Bridged Transless，橋接無變壓器)驅動(線性驅動)。

PWM信號產生電路1012產生具有與風扇馬達6之目標轉數對應之佔空比之脈衝信號。驅動信號合成電路1014對來自霍爾信號檢測電路1010之信號與來自PWM信號產生電路1012之信號進行合成而產生驅動信號。驅動電路1016根據來自驅動信號合成電路1014之驅動信號而驅動風扇馬達6。旋轉信號產生電路1020每次於轉子旋轉特定電氣角時產生有效之旋轉信號FG並向外部輸出。

對冷卻裝置4之小型薄型化之要求日益提高。圖1之構成中，3個霍爾元件8a~8c有助於驅動之穩定，但反之，會因霍爾元件8a~8c之厚度而限制冷卻裝置4小型化。又，亦要求削減驅動裝置之銷數(端子數)，但圖1之驅動裝置1100中，為接收霍爾信號而需要多個銷，因此限制小型化。

本發明係鑒於所述狀況而完成者，其一態樣之例示性之目的之一在於使風扇馬達之驅動電路小型化。

本發明之一態樣係關於驅動作為三相無刷直流馬達之風扇馬達之驅動裝置。該驅動裝置包括：一個內置霍爾元件，其接近於風扇馬達而配置，且產生與風扇馬達之轉子位置對應之霍爾信號之配對；內部電源，其對內置霍爾元件供給偏壓信號；霍爾信號處理部，其消除霍爾信號之配對之偏移，並且對霍爾信號進行放大；以及驅動處理電路，其根據自霍爾信號處理部輸出之霍爾信號而驅動風扇馬達；且一體地積體化於一個半導體基板。

根據該態樣，將先前需要3個之霍爾元件削減為一個，進而將該霍爾元件內置於驅動裝置，由此可使裝置小型化。又，無感測器驅動方式中，為檢測零交叉時序而需要零交叉時序前後之期間、停止驅動之檢測期間，該態樣之驅動裝置無需檢測期間，因此可提高驅動效率。

一態樣之驅動裝置亦可進而包括對霍爾信號或者根據霍爾信號而產生之信號施加可調節之延遲之相位調整電路。

由於霍爾元件積體化於驅動裝置，因此風扇馬達與霍爾元件之位置關係受到限制。由此，會因驅動裝置之安裝位置而導致產生霍爾信號未表示轉子之正確位置之狀況。由此，藉由設置相位調整電路而能夠以使霍爾信號表示轉子之正確位置之方式進行調節，從而可使風扇馬達較佳地旋轉。

驅動處理電路亦可包括：驅動時序產生部，其根據霍爾信號處理部之輸出信號而產生表示切換風扇馬達之驅動相之時序之驅動時序信號；以及驅動電路，其根據驅動時序信號而驅動風扇馬達。

驅動處理電路亦可進而包括：驅動脈寬調變信號產生部，其根據霍爾信號處理部之輸出信號而產生佔空比隨時間變化之脈寬調變信號；以及驅動信號合成電路，其藉由對脈寬調變信號與驅動時序信號進行合成而產生驅動信號。驅動電路亦可根據驅動信號而對風扇馬達進行開關驅動。

驅動處理電路亦可根據霍爾信號處理部之輸出信號而對風扇馬達進行線性驅動。

本發明之另一態樣係一種冷卻裝置。該冷卻裝置包括：風扇馬達；以及上述任一態樣之驅動裝置，其驅動風扇馬達。

再者，以上構成要素之任意組合或將本發明之構成要素或表現於方法、裝置、系統等之間相互置換而得者作為本發明之態樣亦有效。

根據本發明，可實現具有風扇馬達之冷卻裝置之小型、薄型化。

以下，基於較佳實施形態並參照圖式對本發明進行說明。對各圖式所示之相同或同等之構成要素、構件、處理附上相同符號，並適當地省略重複之說明。又，實施形態並非係限定發明者而係例示，實施形態中記述的所有特徵及其組合未必係發明之本質。

本說明書中，「構件A與構件B連接之狀態」亦包含構件A與構件B物理上直接連接之情形、及構件A與構件B經由其他構件間接連接而又不會對其等之電性連接狀態造成實質上之影響或者不會損害藉由其等之結合而發揮之功能或效果之情形。

同樣地，「構件C設置在構件A與構件B之間之狀態」除構件A與構件C或者構件B與構件C直接連接之情形以外，亦包含經由其他構件間接連接而又不會對其等之電性連接狀態造成實質上之影響或者不會損害藉由其等之結合而發揮之功能或效果之情形。

圖2係表示包括實施形態之冷卻裝置4之電子機器1之構成之方塊圖。電子機器1為個人電腦、工作站等計算機、或者冰箱或電視等家電產品，包括冷卻對象即例如CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)2。冷卻裝置4藉由送風而對CPU 2進行冷卻。

冷卻裝置4包括驅動裝置100及風扇馬達6。風扇馬達6接近於作為冷卻對象之CPU 2而配置。驅動裝置100根據用以指示風扇馬達6之轉矩(轉數)之控制輸入信號(以下僅稱作控制信號)S1而驅動風扇馬達6。冷卻裝置4係加以模組化後市售、流通。

風扇馬達6為三相無刷DC馬達，其包括星形連接之U相、V相、L相線圈L_U、L_V、L_W及未圖示之永久磁石。

驅動裝置100為積體化於一個半導體基板上之功能IC(Integrated Circuit，積體電路)。對電源端子ICVDD供給電源電壓V_DD，且對接地端子ICGND供給接地電壓V_SS。

驅動裝置100包括內置霍爾元件9、霍爾信號處理部11、外部PWM信號產生電路12、驅動處理電路13、旋轉信號產生電路20及內部電源21，且積體化於一個半導體基板上。

內置霍爾元件9積體化於驅動裝置100，且產生與風扇馬達6之轉子位置對應之霍爾信號之配對H+、H-。內部電源21對內置霍爾元件9供給偏壓信號。

外部PWM信號產生電路12為接收輸入信號S1之介面電路。對輸入端子PWM輸入來自外部之輸入信號S1。本實施形態中，輸入信號S1為根據馬達之目標轉矩而進行脈寬調變之PWM信號。再者輸入信號S1亦可為與利用熱敏電阻等獲得之周圍溫度Ta對應之類比電壓，亦可為來自CPU等主處理器之數位信號。外部PWM信號產生電路12產生與輸入信號S1對應之外部PWM信號S2。外部PWM信號S2為具有與輸入信號S1對應之佔空比之脈寬調變信號。

霍爾信號處理部11於偏移消除電路40中消除霍爾信號之配對H+、H-之偏移，並且於放大器42中對霍爾信號H+、H-進行放大。

驅動處理電路13根據自霍爾信號處理部11輸出之霍爾信號H+、H-而驅動風扇馬達6。本實施形態中，，驅動處理電路13對風扇馬達6進行PWM驅動(開關驅動)。驅動處理電路13對風扇馬達6進行BTL驅動(線性驅動)之變形例將於下文敍述。

驅動處理電路13包括驅動時序產生部30、驅動PWM信號產生部32、驅動信號合成電路34及驅動電路36。

驅動時序產生部30接收從霍爾信號處理部11輸出之信號S5，並根據信號S5而產生表示霍爾信號H+、H-交叉之時序之時序信號S6。

驅動PWM信號產生部32接收霍爾信號處理部11之輸出信號S5，並根據輸出信號S5而產生佔空比隨時間發生變化之內部PWM信號(S7，未圖示)。內部PWM信號S7之佔空比亦可以於零交叉之時序成為最小，而於零交叉與零交叉之正中間附近成為最大之方式變化。藉此，順利地進行相遷移。而且，驅動PWM信號產生部32藉由對該內部PWM信號S7與外部PWM信號S2進行合成而產生驅動PWM信號S8。

驅動處理電路13接收時序信號S6及驅動PWM信號S8，並根據其等而產生驅動信號S4。驅動電路36根據驅動信號S4而對風扇馬達6之線圈L_U~L_W供給電流。

旋轉信號產生電路20每次於轉子旋轉特定電氣角時產生有效之旋轉信號FG並向外部輸出。

以上為驅動裝置100之構成。繼而對其動作進行說明。

對驅動裝置100提供表示風扇馬達6之目標轉數之控制輸入信號S1。驅動裝置100執行特定之啟動順序而使停止狀態之風扇馬達6開始旋轉。當風扇馬達6開始旋轉時，藉由內置霍爾元件9而產生與轉子位置對應之霍爾信號H+、H-。

驅動時序產生部30根據與霍爾信號H+、H-對應之信號S5而檢測應切換U相、V相、W相之時序。驅動信號合成電路34及驅動電路36根據所檢測之時序而依序選擇線圈L_U、L_V、L_W中應通電之線圈並供給驅動電流。

對通電之線圈施加與根據自霍爾信號處理部11輸出之信號S5而進行了脈寬調變之內部PWM信號S7對應之間斷性之驅動電壓，由此，流過線圈之電流緩緩地變化，從而可減低雜訊而高效率地旋轉。

進而，對通電之線圈施加與根據控制輸入信號S1而進行了脈寬調變之外部PWM信號S2對應之間斷性之驅動電壓，因此，可將風扇馬達6之轉矩即轉數控制為與控制輸入信號S1對應之值。

以上為電子機器1之冷卻裝置4之動作。

根據該驅動裝置100，將先前需要3個之霍爾元件削減為一個，進而將霍爾元件內置於驅動裝置100中，藉此可使裝置小型化、薄型化。

針對裝置之小型化、薄型化，存在無感測器驅動方式之其他方法，但無感測器驅動方式中為了檢測零交叉時序，需要零交叉時序前後之一期間、及停止驅動之檢測期間，從而導致驅動效率惡化。相對於此，根據圖2之驅動裝置100，無需檢測期間，因此可改善無感測器驅動方式之缺點而效率佳地驅動風扇馬達6。

以上，根據實施形態而對本發明進行了說明。熟悉此技藝者當知道該實施形態為例示，其等之各構成要素或各處理過程之組合可有各種變形例，又該變形例亦屬於本發明之範圍內。以下，對該變形例進行說明。

圖3係表示變形例之驅動裝置100a之構成之電路圖。圖3之驅動裝置100a除圖2之驅動裝置100以外，還包括相位調整電路38。

相位調整電路38對自內置霍爾元件9輸出之霍爾信號H+、H-或者根據其而產生之信號S5、或者時序信號S6施加可調節之延遲。延遲量即可藉由自驅動裝置100a外部輸入至相位調節端子PHADJ之相位調整信號S9而進行控制。或者亦可以使延遲量成為最佳值之方式由相位調整電路38自動調節。

相位調整電路38亦可相應於所設定之延遲量而使驅動信號合成電路34之信號處理延遲。或者相位調整電路38亦可設置於霍爾信號處理部11之前段而對霍爾信號H+、H-施加延遲，亦可設置於霍爾信號處理部11之信號路徑上，亦可對信號S5施加延遲。即相位調整電路38之位置並未特別限定，只要可改變驅動信號S4與轉子位置之相對性之相位差即可。

圖1之冷卻裝置1004外置有霍爾元件8，因此風扇馬達6與霍爾元件8之位置關係可自由調節。另一方面，圖2之驅動裝置100中，霍爾元件內置於半導體晶片，因此內置霍爾元件9與風扇馬達6之位置關係受驅動裝置100與風扇馬達6之位置關係限制。其結果，霍爾信號H+、H-表示零交叉點之相位([0046]L5)，有可能與風扇馬達6之實際零交叉點之相位發生偏移。因該相位偏移而有導致風扇馬達6之驅動效率降低或者雜訊增大之顧慮。

圖3之驅動裝置100a中，可藉由相位調整電路38而虛擬性地改變風扇馬達6與內置霍爾元件9之位置關係，藉此，可實現與風扇馬達6之正確之轉子位置對應之驅動。

實施形態中，以對風扇馬達6進行PWM驅動之情形為例進行了說明，但驅動信號合成電路34及驅動電路36亦可對風扇馬達6進行線性驅動。該情形時，於驅動處理電路13中產生與霍爾信號H+、H-同步之驅動波形信號，且施加至風扇馬達6之線圈之驅動電壓根據該驅動波形信號而發生變化。

實施形態中，對將冷卻裝置4搭載於電子機器而對CPU進行冷卻之情形進行了說明，但本發明之用途並非限定於此，可用於對發熱體進行冷卻之各種用途。

根據實施形態並使用具體用語而對本發明進行了說明，但實施形態只不過表示本發明之原理、應用，實施形態當然可在不脫離申請專利範圍中所規定之本發明思想之範圍內有多個變形例或配置之變更。

1‧‧‧電子機器

2‧‧‧CPU

4‧‧‧冷卻裝置

6‧‧‧風扇馬達

8‧‧‧霍爾元件

9‧‧‧內置霍爾元件

11‧‧‧霍爾信號處理部

12‧‧‧外部PWM信號產生電路

13‧‧‧驅動處理電路

20‧‧‧旋轉信號產生電路

21‧‧‧內部電源

22‧‧‧霍爾元件用電源

30‧‧‧驅動時序產生部

32‧‧‧驅動PWM信號產生部

34‧‧‧驅動信號合成電路

36‧‧‧驅動電路

38‧‧‧相位調整電路

100‧‧‧驅動裝置

S1‧‧‧控制輸入信號

S2‧‧‧外部PWM信號

S4‧‧‧驅動信號

S6‧‧‧時序信號

S7‧‧‧內部PWM信號

S8‧‧‧驅動PWM信號

圖1係本發明者等研究之具有感測器之冷卻裝置之構成例之圖。

圖2係表示包括實施形態之冷卻裝置之電子機器之構成之方塊圖。

圖3係表示變形例之驅動裝置之構成之電路圖。

1‧‧‧電子機器

2‧‧‧CPU

4‧‧‧冷卻裝置

6‧‧‧風扇馬達

9‧‧‧內置霍爾元件

11‧‧‧霍爾信號處理部

12‧‧‧外部PWM信號產生電路

13‧‧‧驅動處理電路

20‧‧‧旋轉信號產生電路

21‧‧‧內部電源

30‧‧‧驅動時序產生部

32‧‧‧驅動PWM信號產生部

34‧‧‧驅動信號合成電路

36‧‧‧驅動電路

40‧‧‧偏移消除電路

42‧‧‧放大器

100‧‧‧驅動裝置

FG‧‧‧旋轉信號

ICGND‧‧‧接地端子

ICVDD‧‧‧電源端子

L_U、L_V、L_W‧‧‧線圈

S1‧‧‧控制輸入信號

S2‧‧‧外部PWM信號

S4‧‧‧驅動信號

S5‧‧‧輸出信號

S6‧‧‧時序信號

S8‧‧‧驅動PWM信號

V_DD‧‧‧電源電壓

V_SS‧‧‧接地電壓

Claims

一種驅動裝置，其特徵在於，其係驅動作為三相無刷直流馬達之風扇馬達者，且包括：一個內置霍爾元件，其接近於上述風扇馬達而配置，且產生與上述風扇馬達之轉子位置對應之霍爾信號之配對；內部電源，其對上述內置霍爾元件供給偏壓信號；霍爾信號處理部，其消除上述霍爾信號之配對之偏移，並且對上述霍爾信號進行放大；及驅動處理電路，其根據上述霍爾信號處理部之輸出信號而驅動上述風扇馬達；且一體地積體化於一個半導體基板；該驅動裝置進而包括對上述霍爾信號或者根據上述霍爾信號而產生之信號施加可調節之延遲之相位調整電路；上述可調節之延遲的延遲量係藉由輸入至相位調整端子之相位調整信號來控制。
如請求項1之驅動裝置，其中上述驅動處理電路包括：驅動時序產生部，其根據上述霍爾信號處理部之輸出信號而產生表示切換上述風扇馬達之驅動相之時序之驅動時序信號；及驅動電路，其根據上述驅動時序信號而驅動上述風扇馬達。
如請求項2之驅動裝置，其中上述驅動處理電路包括：驅動脈寬調變信號產生部，其根據上述霍爾信號處理部之輸出信號而產生佔空比隨時間變化之脈寬調變信號；以及驅動信號合成電路，其藉由對上述脈寬調變信號與上述驅動時序信號進行合成而產生驅動信號；且上述驅動電路根據上述驅動信號而對上述風扇馬達進行開關驅動。
如請求項1之驅動裝置，其中上述驅動處理電路根據上述霍爾信號處理部之輸出信號而對上述風扇馬達進行線性驅動。
一種冷卻裝置，其特徵在於包括：風扇馬達；及如請求項1至4中任一項之驅動裝置，其驅動上述風扇馬達。
一種電子機器，其特徵在於包括：處理器；如請求項5之冷卻裝置，其對上述處理器進行冷卻。