TWI556568B - A reversible drive control circuit for single - phase brushless DC fan motors - Google Patents

A reversible drive control circuit for single - phase brushless DC fan motors Download PDF

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用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路
本創作是關於一種正反轉驅動控制電路，特別是關於一種用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路。
無刷直流馬達目前已經被廣泛應用於各種電子設備的散熱風扇馬達中。正常情況下，只要控制風扇馬達正向轉動達到一定的轉速便能達到散熱效果。但是一旦馬達長時間固定正方向運轉後，會在電子設備和儀器的某些角落積累大量灰塵。例如在電腦中，通常會有採用三相直流無刷散熱電風扇或單相直流無刷散熱風扇。
以三相直流無刷散熱風扇為例，圖8為採用無感測器型的三相無刷直流風扇馬達70的結構示意圖，其結構上是全對稱的，且矽鋼片71也是對稱結構，無論該三相無刷直流風扇馬達70正方向還是反方向，其啟動力矩都是相等，因此能通過強制帶動的方式實現正反轉兩個方向的正常轉動。
圖9是該三相無刷直流風扇馬達70的正反轉驅動控制電路，該正反轉驅動控制電路包含一三相無感測器型邏輯電路72、一無感測器檢測模組73與一半橋電路單元74，如圖9所示，該半橋電路單元74具有三對半橋電路，每一對半橋電路是由兩個金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)(或者雙極性電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)以及兩個二極體所組成，半橋電路單元74中的六個金屬氧化物半導體場效電晶體都受該三相無感測器型邏輯電路72控制，每一對半橋電路分別構成驅動相U、V和W，用於驅動三相無刷直流風扇馬達70。三相無 感測器型邏輯電路72主要由端子DR輸入的信號DR、端子ST輸入的信號ST、端子PWM輸入的信號PWM以及無感測器檢測模組控制，其中信號PWM(Pulse Width Modulation)為脈衝寬度調變信號。信號DR以邏輯高低模式控制馬達的轉動方向；信號ST控制三相無感測器型無刷直流風扇馬達的正反轉啟動；信號PWM通過改變工作週期控制風扇馬達轉動速度；無感測器檢測模組73檢測馬達的反向電動勢過零等信號提供馬達換相信號。圖10為驅動相U、V和W的換相邏輯。一個驅動週期由三相六步構成：信號DR為邏輯高電位(H)時，三個驅動相U、V和W按照UV→UW→VW→VU→WU→WV週期性換相驅動；信號DR為邏輯低電位(L)時，三個驅動相U、V和W按照UW→UV→WV→WU→VU→VW週期性換相驅動。
前述中，由於三相無刷直流風扇馬達70在結構上是全對稱的，無論正方向還是反方向啟動能力都是一樣的，且都通過強制帶動的方式實現正反轉兩個方向的啟動，因此驅動散熱風扇馬達既能正轉又能控制其反轉，使其在正轉與反轉時具有自動除塵功能。
至於單相直流無刷散熱風扇，圖11為現有的單相無刷直流風扇馬達90結構示意圖，其矽鋼片91為有利於單相直流無刷風扇馬達轉子產生正向推力，將矽鋼片中每一極柱(pole)的兩側設計成非對稱結構，確保馬達正轉啟動有足夠大的轉力，克服靜摩擦力正向轉動。然而，由於單相無刷直流風扇馬達90的結構不對稱，靜摩擦阻力阻止單相風扇馬達無法實現反轉啟動及反向轉動，如果採用單相無刷直流風扇馬達90的風扇都只能沿某一固定方向運轉，長時間後必會在主機殼的某些固定位置積累大量灰塵，降低散熱能力。
本創作的主要目的是提供一種用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，透過此驅動控制電路可以讓單相無刷直流風扇馬達方便的 正反方向自由運轉，規避了設備和儀器長時間工作後某些固定位置灰塵的積累，實現了電子設備和儀器的自動清潔。
為達成前述目的，本創作揭露一種用於單相無刷直流風扇馬達的驅動控制電路，該馬達驅動控制電路包含：一指令判定電路，根據一正反轉指令判定該單相無刷直流風扇馬達正反轉，並輸出一判定結果；一控制時鐘與一啟動電路，分別電連接該指令判定電路，且根據該判定結果，該控制時鐘與該啟動電路共同產生至少一控制信號；一正反轉切換開關電路，接收該至少一控制信號與至少一第一位置感測器信號，並根據該至少一控制信號以處理該至少一第一位置感測器信號，進而輸出至少一第二位置感測器信號；一邏輯控制電路，接收該至少一控制信號與該至少一第二位置感測器信號；一選通電路，透過該邏輯控制電路控制該選通電路，以將一換方向軟切換電路與一PWM信號處理後輸出至該邏輯控制電路；及一功率驅動電路，透過該邏輯控制電路控制該功率驅動電路，以通過至少一輸出端子驅動該單相無刷直流風扇馬達運轉。
當前各種電子設備單相無刷直流風扇馬達，矽鋼片結構是有利於單相直流無刷風扇馬達轉子產生正向轉動推力，確保風扇馬達正向啟動有足夠大推力，克服靜摩擦力正向轉動，因此正向轉動時能夠正常啟動；但當單相無刷直流風扇馬達反轉啟動時，由於單相風扇馬達結構上的不對稱，尤其是矽鋼片結構的不對稱性，導致單相無刷直流風扇馬達無法實現反轉啟動及反向轉動。因此本創作的優點是：解決了傳統的帶感測器的單相無刷直流風扇馬達不能正常反轉啟動及運轉的技術問題，實現了單相無刷直流風扇馬達正反方向雙 方向自由運轉，規避了設備和儀器長時間工作後某些固定位置灰塵的積累，實現了電子設備和儀器的自動清潔。同時相較於傳統的三相無感測器型無刷直流風扇馬達正反轉控制方案成本更低。另外當無刷直流風扇馬達正反轉切換驅動控制時，為避免切換瞬間馬達上出現大電流，提高馬達正反轉工作的可靠性，本創作提出了換方向軟切換電路。馬達正轉切換成反轉或者反轉切換為正轉時，以PWM驅動信號工作週期(占空比在台灣稱工作週期)漸變或者PWM驅動信號工作週期固定的方式，可以有效抑制切換瞬間驅動電流過大現象發生，使正反轉切換過程保持平順。
1‧‧‧正反轉驅動控制電路
11‧‧‧切換開關電路
20‧‧‧換方向軟切換電路
21‧‧‧選通電路
22‧‧‧邏輯控制電路
30‧‧‧功率驅動電路
301‧‧‧線性功率放大器
3021,3022,3023,3024‧‧‧開關
40‧‧‧啟動電路
41‧‧‧正轉角度檢測單元
42‧‧‧正轉時間檢測單元
50‧‧‧指令判定電路
60‧‧‧控制時鐘
70‧‧‧三相無刷直流風扇馬達
71‧‧‧矽鋼片
72‧‧‧三相無感測器型邏輯電路
73‧‧‧無感測器檢測模組
74‧‧‧半橋電路單元
80‧‧‧單相無刷直流風扇馬達
90‧‧‧單相無刷直流風扇馬達
91‧‧‧矽鋼片
DR‧‧‧端子
ST‧‧‧端子
PWM‧‧‧端子
Vref‧‧‧電壓
H1+,H1-‧‧‧第一位置感測器信號
H2+,H2-‧‧‧第二位置感測器信號
clk1,clk1_‧‧‧正反轉時鐘控制信號
OUT1,OUT2‧‧‧端子
圖1是本創作提出單相無刷直流風扇馬達正反轉控制電路示意圖。
圖2是本創作之線性放大型功率驅動電路示意圖。
圖3是本創作之開關型功率驅動電路示意圖。
圖4a-4d是本創作正反轉控制指令實現方式示意圖。
圖5是本創作正反轉切換開關電路實現方式示意圖。
圖6是本創作電路啟動或者重啟時為正轉指令控制時序簡圖。
圖7是本創作電路啟動或者重啟時為反轉指令控制時序簡圖。
圖8是用於正反轉三相無感測器型無刷直流風扇馬達結構示意圖。
圖9是傳統實現無刷直流風扇馬達正反轉控制電路示意圖。
圖10是傳統的三相無感測器型無刷直流風扇馬達正反轉控制換相邏輯示意圖。
圖11是單相無刷直流風扇馬達結構示意圖。
以下配合圖式及本創作之較佳實施例，進一步闡述本創作為達成預定發明目的所採取的技術手段。
圖1是本創作提出的單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路1，正反轉驅動控制電路1包括換方向軟切換電路20、選通電路21、切換開關電路11、邏輯控制電路22、功率驅動電路30、啟動電路40、指令判定電路50、控制時鐘60以及單相無刷直流風扇馬達80。其中啟動電路40包括了正轉角度檢測單元41和正轉時間檢測單元42。正反轉指令控制端子DR提供正反轉指令；第一位置感測器信號H1+和H1-是位置感測器提供的單相無刷直流風扇馬達轉子位置資訊；端子OUT1和OUT2是輸出驅動端子。
在本創作的實施例中，切換開關電路11較佳為正反轉切換開關電路，啟動電路40較佳為反轉啟動電路，指令判定電路50較佳為正反轉指令判定電路，控制時鐘60較佳為正反轉控制時鐘，但在此並不局限。啟動電路40產生一反轉啟動信號，確保單相無刷直流風扇馬達在反轉模式能正常啟動運轉；進一步來說，在本創作的較佳實施例中，單相無刷直流風扇馬達反轉啟動及運轉時，通過反轉啟動電路帶動單相無刷直流風扇馬達先正向運轉一定角度或者正向運轉一定時間，再切回反轉轉動。指令判定電路50用於接收正反轉指令並判定是正轉還是反轉。指令判定電路50的輸入端子電連接端子DR，其輸出端子電連接啟動電路40和控制時鐘60。指令判定電路50根據端子DR所接收的正反轉指令判定風扇馬達正轉還是反轉，以輸出一判定結果，並將判定結果提供給控制時鐘60以及啟動電路40。控制時鐘60的兩個輸入端子電連接啟動電路40的輸出端子和指令判定電路50的輸出端子，控制時鐘60的輸出端子電連接正反轉切換開關電路11的輸入端子和邏輯控制電路22的輸入端子。控制時鐘60和啟動電路40根據指令判定電路50的判定結果共同處理會產生至少一控制信號。在此實施例中，控制信號為兩個正反轉時鐘控制信號clk1和clk1_。反轉切換開關電路 11的兩個輸入端子輸入信號clk1和clk1_，也將信號clk1和clk1_提供給邏輯控制電路22。
切換開關電路11根據正反轉控制時鐘信號切換風扇馬達位置感測器信號；換方向軟切換電路20在轉動方向切換時產生控制信號降低換向尖峰電流和換向雜訊。當風扇馬達轉動時，啟動正反轉切換，由於馬達電感效應，會出現換相尖峰大電流。因此為避免切換瞬間馬達上出現過大電流燒毀馬達，本創作設計有換方向軟切換電路20：馬達正轉切換成反轉或者反轉切換為正轉時，設置一定時間以驅動工作週期變化或者固定工作週期模式驅動，可以有效抑制切換瞬間驅動電流過大現象發生，使整個切換過程平順。正反轉切換開關電路11的輸入端子電連接至少一第一位置感測器信號以及正反轉控制時鐘輸出端子。在此實施例中，第一位置感測器信號為兩個第一位置感測器信號H1+和H1-。切換開關電路11根據正反轉時鐘控制信號clk1和clk1_處理第一位置感測器信號H1+和H1-，將至少一第二位置感測器信號處理後傳遞給邏輯控制電路22和啟動電路40。在此實施例中，第二位置感測器信號為兩個第二位置感測器信號H2+、H2-。邏輯控制電路22根據控制時鐘60提供的正反轉時鐘控制信號clk1、clk1_以及切換開關電路11處理結果控制功率驅動電路30和選通電路21。選通電路21會將換方向軟切換電路20和PWM信號處理後提供給邏輯控制電路22。換方向軟切換電路20在轉動方向切換時產生控制信號降低換向尖峰電流和換向雜訊。功率驅動電路30通過兩個輸出端子OUT1、OUT2驅動單相無刷直流風扇馬達80運轉。
圖2是圖1之功率驅動電路30的等效電路圖。功率驅動電路做為線性功率放大器301。它將切換開關電路11和邏輯控制電路22處理後的第二感測器信號H2+和H2-用線性功率放大器301放大後直接驅動單相無刷直流風扇馬達80。
圖3是圖1之功率驅動電路30的另一等效電路圖。功率驅動電路做為驅動開關302，其包含有開關3021，3023，3022，3024。邏輯控制電路22對感測器提供的單相無刷直流風扇馬達轉子的位置感測器信號進行處理後，產生cp1、cp2、cn1以及cn2四個開關控制信號，直接控制上下兩端的四個開關3021，3023，3022，3024開啟、關閉。
端子DR可以通過四種模式控制馬達的正反轉：圖4a是端子DR控制正反轉切換所加的控制信號，在端子DR上直接施加邏輯高低電位信號501，在任意時刻分別通過高電位或者低電位控制馬達正方向或者反方向轉動；圖4b是在端子DR外接電容(C1)502，在電路每次啟動或者風扇馬達重啟時通過電容(C1)大小控制反轉或者正轉時間長短；圖4c是在端子DR外接電阻(R1)503，在電路每次啟動或者風扇馬達重啟時藉由電阻(R1)阻值大小控制反轉或者正轉時間長短；圖4d是在端子DR通過電阻(R2)和(R3)504對電壓Vref分壓控制反轉或者正轉時間長短，電壓Vref可以是基準電壓或者電路電源電壓。
圖5是切換開關電路11，在此實施例中，切換開關電路11為正反轉切換開關電路，其包含四個開關111。四個開關111可採用N型場效電晶體實現或採用N型場效電晶體和P型場效電晶體實現。第一位置感測器信號H1+、H1-、正反轉時鐘控制信號clk1及clk1_電連接切換開關電路11輸入端子，正反轉切換開關電路11輸出第二位置感測器信號H2+、H2-電連接邏輯控制電路(未圖示)。在正反轉時鐘控制信號clk1和clk1_控制下，正反轉切換開關電路11將第一位置感測器信號H1+和H1-處理後傳遞第二位置感測器信號H2+和H2-。
圖6為本創作啟動或者風扇馬達重啟時為正轉指令控制時序簡圖。圖6中電路啟動或者風扇馬達重啟後，指令判定電路50會根據端子DR電位資訊控制馬達是正轉還是反轉。圖6中端子DR首先為高電位信號，在此實施例中高電位信號為正轉指令，反之，低電位信號為反轉指令；位置感測器提供的 第一位置感測器信號H1+和H1-經過控制時鐘60處理後提供給邏輯控制電路22運算處理，然後再傳遞給功率驅動電路30，從而通過端子OUT1(OUT2)或OUT2(OUT1)驅動單相無刷直流風扇馬達80正轉或者反轉。在每次轉動方向控制指令改變時，換方向軟切換電路20會在設定的時間範圍t1內以驅動工作週期變化或者固定工作週期模式控制端子OUT1(OUT2)或者OUT2(OUT1)驅動工作週期，抑制馬達轉動方向切換時產生尖峰電流。
圖7顯示本創作的啟動或者風扇馬達重啟時為反轉指令控制時序圖。圖7中啟動或者風扇馬達重啟後，指令判定電路50會根據端子DR電位資訊控制馬達是正轉還是反轉。圖7中端子DR首先為低電位信號，在此實施例中低電位信號為反轉指令，而高電位信號為正轉指令，因此反轉啟動電路40工作，為便於啟動其首先產生正轉控制信號，讓風扇馬達正向轉動克服靜摩擦力，一旦正向轉動一定時間或者角度後，迅速切回反轉模式，正轉帶動的時間t2可通過正轉角度檢測單元41或者正轉時間檢測單元42電路確定；位置感測器提供的第一位置感測器信號H1+和H1-經過控制時鐘60處理後提供給邏輯控制電路22運算處理，然後再傳遞給功率驅動電路30，從而通過端子OUT1(OUT2)和OUT2(OUT1)驅動單相無刷直流風扇馬達80正轉或者反轉。在每次轉動方向控制指令改變時，換方向軟切換電路20會在設定的時間範圍內以驅動工作週期變化或者固定工作週期模式控制OUT1(OUT2)或者OUT2(OUT1)端子驅動工作週期，抑制馬達轉動方向切換時產生尖峰電流。
以上該僅是本創作的較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是 未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。
1‧‧‧正反轉驅動控制電路
11‧‧‧切換開關電路
20‧‧‧換方向軟切換電路
21‧‧‧選通電路
22‧‧‧邏輯控制電路
30‧‧‧功率驅動電路
40‧‧‧啟動電路
41‧‧‧正轉角度檢測單元
42‧‧‧正轉時間檢測單元
50‧‧‧指令判定電路
60‧‧‧控制時鐘
80‧‧‧單相無刷直流風扇馬達

Claims (9)

  1. 一種用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該正反轉驅動控制電路包含：一正反轉指令判定電路，根據一正反轉指令判定該單相無刷直流風扇馬達正反轉，並輸出一判定結果；一正反轉控制時鐘與一反轉啟動電路，該正反轉控制時鐘的兩個輸入端子電連接該反轉啟動電路的輸出端子和該正反轉指令判定電路的輸出端子，該反轉啟動電路在該單相無刷直流風扇馬達反轉啟動及運轉時，會帶動該單相無刷直流風扇馬達先正向運轉一定角度或者正向運轉一定時間，再切回反轉轉動，且根據該判定結果，該控制時鐘與該啟動電路共同產生至少一控制信號；一正反轉切換開關電路，接收該至少一控制信號與至少一第一位置感測器信號，並根據該至少一控制信號以處理該至少一第一位置感測器信號，進而輸出至少一第二位置感測器信號，且該正反轉切換開關電路的輸入端子電連接至少一第一位置感測器信號以及該正反轉控制時鐘的輸出端子；一邏輯控制電路，接收該至少一控制信號與該至少一第二位置感測器信號，且該正反轉控制時鐘的輸出端子電連接該正反轉切換開關電路的輸入端子和該邏輯控制電路的輸入端子，該邏輯控制電路的輸入端子進一步電連接該正反轉切換開關電路的輸出端子；一選通電路，透過該邏輯控制電路控制該選通電路，以將一換方向軟切換電路與一PWM信號處理後輸出至該邏輯控制電路；及一功率驅動電路，透過該邏輯控制電路控制該功率驅動電路，以通過至少一輸出端子驅動該單相無刷直流風扇馬達運轉。
  2. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該功率驅動電路為一線性功率放大器，將該正反轉切換開關電路和 該邏輯控制電路處理後的該至少一第二感測器信號的差值線性放大直接驅動該單相無刷直流風扇馬達。
  3. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該功率驅動電路為一驅動開關，通過該正反轉切換開關電路和該邏輯控制電路對該至少一第二感測器信號處理後，產生開關控制信號，直接驅動其四個開關，再通過該四個開關直接驅動該單相無刷直流風扇馬達。
  4. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該正反轉指令判定電路的輸入端子電連接一正反轉指令控制端子，該正反轉指令是直接在該正反轉指令控制端子施加邏輯高低電位信號，通過該邏輯高低電位信號的時間長短控制正反轉時間。
  5. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該正反轉指令判定電路的輸入端子電連接一正反轉指令控制端子，該正反轉指令是在該正反轉指令控制端子外接電容，通過該電容值控制反轉時間。
  6. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該正反轉指令判定電路的輸入端子電連接一正反轉指令控制端子，該正反轉指令是在該正反轉指令控制端子外接電阻，通過該電阻阻值控制反轉時間。
  7. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該正反轉指令判定電路的輸入端子電連接一正反轉指令控制端子，該正反轉指令是在該正反轉指令控制端子通過複數個電阻對一參考電壓分壓以控制反轉或正轉時間長短，該參考電壓是一基準電壓或者一電路電源電壓。
  8. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該正反轉切換開關電路由四個相同的開關組成，且四個相同的該開 關為N型場效電晶體或四個相同的該開關為N型場效電晶體和P型場效電晶體所構成。
  9. 如請求項1所述之用於單相無刷直流風扇馬達的正反轉驅動控制電路，其中該換方向軟切換電路在換方向軟切換時間範圍內採用驅動工作週期變化或固定工作週期模式控制其輸出端子驅動工作週期，以抑制馬達轉動方向切換時產生的尖峰電流。
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