TWI753499B

TWI753499B - 風扇煞車電路

Info

Publication number: TWI753499B
Application number: TW109124617A
Authority: TW
Inventors: 黃柏勝
Original assignee: 大陸商奇宏電子（深圳）有限公司
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-01-21
Also published as: TW202205799A

Abstract

本發明提供一種風扇煞車電路，包括一半導體開關單元、一馬達、一馬達驅動電路、一隔離單元、一充放電單元及一控制單元，該馬達與該半導體開關單元及該控制單元的一端係接收一輸入電源，該馬達驅動電路電性連接該馬達與該控制單元的另一端，該隔離單元電性連接該半導體開關單元的另一端與該馬達驅動電路及該充放電單元，當該風扇斷電時，該半導體開關單元斷開其與該馬達的連接，該馬達驅動電路接收到該充放電單元提供的該操作電壓傳送該驅動訊號至該馬達，令該馬達形成一短路迴路而煞車，透過本發明此設計，使得有效達到風扇斷電快速煞停及降低成本的效果。

Description

風扇煞車電路

本發明有關於一種風扇煞車電路，尤指一種可達到風扇斷電快速煞停及降低成本的風扇煞車電路。

請參閱第1A圖，習知風扇斷電煞車電路1，主要透過一電容器11(常用為鋁電解電容)係電性連接一輸入電源Vin，該電容器11是用以接收儲存該輸入電源Vin，並在風扇斷電時該電容器11釋放所儲存的電壓直接給該馬達12內的上橋(上臂)MOS電晶體121開關導通，讓馬達線圈122形成短路迴路，進而得到體現出風扇馬達煞車的現象，同時在煞車的過程會產生反電動勢再回充給到該電容器11，以此透過將動能轉換為電能再去產生出煞車功能，直到風扇扇葉轉動動能或所儲存電壓其中一方先被消耗完畢，如轉動動能先被消耗完畢，代表扇葉先被剎停，反之所儲存電壓先被消耗完畢，則扇葉持續轉動至慣性力消滅(接續會被摩擦力消耗)。

而風扇斷電煞車功能的主要訴求是要能快速讓扇葉完全煞停下來，以避免操作人員不小心誤觸扇葉而產生安全性問題，但現有的原始設計在電容器11都是先被消耗完畢的一方，故較難有效達到風扇斷電快速(或急停)煞停的需求。在第1B圖中，為習知之該輸入電源Vin、電容器11電壓、馬達線圈122電壓與風扇電流的實際量測波形圖，圖中該輸入電源Vin波形符號為V，且該輸入電源Vin波形V中箭頭Vup代表為該輸入電源Vin上電(即風扇通電)與箭頭Vdown代表為輸入電源Vin下電(即風扇斷電)，該電容器11電壓波形符號為C，且該電容器11電壓波形C中箭頭Cv代表為風扇斷電後，該電容器11釋放儲存電壓很快被馬達線圈122消耗完畢且低於上臂MOS電晶體開關121的導通電壓，故無法有效快速煞車停止；該馬達線圈電壓波形符號為M，該馬達線圈電壓波形M中虛框區域Moff呈現傾斜下滑線代表為風扇馬達仍運轉中(即風扇扇葉仍轉動中)且持續有反電應勢電壓產生；該風扇電流波形符號為F，所以根據上述實際量測波形結果顯示，習知的電容器11只能讓風扇馬達12短暫煞車一下便失去煞車功能，使得必須等到該風扇扇葉自身轉動至慣性力消滅後才有辦法完全靜止，且在該扇葉自身轉動至慣性力消滅的過程中還會產生反應電勢的問題。所以目前業者如要改善此部份，一般則是將電容器11的電容規格尺寸放大來增加電容量，但風扇的設計空間往往又有其限制，所以要在有限空間規格內去選用較大尺寸較大電容值的電容器11或採用並聯多顆電容器11去使用，但卻無法去選用可讓風扇快速煞停的更大尺寸且體積大的電容器11，由於上述這些因素使得會造成整體成本提升及風扇斷電煞車電路1、風扇整體無法達到小型化，且改善的效益不彰。

本發明之一目的在提供一種可達到風扇斷電快速煞停及降低成本的風扇煞車電路。

本發明之另一目的在提供一種可達到風扇煞車電路小型化的效果的。

為達上述目的，本發明係提供一種風扇煞車電路，包括一半導體開關單元、一馬達、一馬達驅動電路、一隔離單元、一充放電單元及一控制單元，其中該半導體開關單元係具有一第一端及一第二端，該第一端用以接收一輸入電源，該馬達係電性連接該輸入電源與該第一端，該馬達驅動電路電性連接該馬達，該馬達驅動電路用以輸出一驅動訊號至該馬達，該隔離單元係電性連接於該半導體開關單元與該馬達驅動電路之間，該隔離單元具有複數電阻件，該複數電阻件分別電性連接該馬達驅動電路與該第二端，該充放電單元係電性連接該複數電阻件，用以接收並儲存一操作電壓，該控制單元電性連接該輸入電源與該馬達驅動電路及該馬達，該控制單元係用以輸出複數控制訊號分別控制該馬達驅動電路與該馬達，其中當該風扇斷電時，該半導體開關單元斷開該第一端與該馬達的連接，該馬達驅動電路接收到該充放電單元提供的該操作電壓傳送該驅動訊號至該馬達，令該馬達線圈形成一短路迴路而達到風扇煞車，透過本發明此風扇煞車電路的設計，使得可有效達到風扇斷電快速煞停、小型化及降低成本的效果。

2:風扇煞車電路

21:半導體開關單元

211、212、213:第一、二、三端

21a、21b:第一、二半導體開關件

211a、211b:第一極端

212a、212b:第二極端

213s、213b:第三極端

22:馬達

221:上臂開關件

222:下臂開關件

223:馬達線圈

23:馬達驅動電路

231:第一馬達驅動單元

232:第二馬達驅動單元

24:隔離單元

241、242、243、244:第一、二、三、四電阻件

25:充放電單元

251、28:電容件

252:充放電阻件

26:控制單元

261:第一接腳

262:第二接腳

263:第三接腳

264:第四接腳

265:第五接腳

27:保護單元

271:斷路器

272、273:第一、二二極體

Gnd:接地端

Vin:輸入電源

Vc:操作電壓

第1A圖為習知之風扇斷電煞車電路方塊示意圖。

第1B圖為習知之輸入電源、電容器電壓、馬達線圈電壓與風扇電流的實際量測波形圖。

第2A圖為本發明之一實施例之風扇煞車電路方塊圖。

第2B圖為本發明圖2A之風扇煞車電路之電路圖。

第2C圖為本發明之在一可行實施例之風扇煞車電路之電路圖。

第3A圖為本發明之一替代實施例之風扇煞車電路方塊圖。

第3B圖為本發明圖3A之風扇煞車電路之電路圖。

第4圖為本發明之一實施例之輸入電源、充放電單元的電容件電壓、馬達線圈電壓與風扇電流的實際量測波形圖。

本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

本發明提供一種風扇煞車電路，請參閱第2A圖為本發明之一實施例之風扇煞車電路方塊圖；第2B圖為本發明圖2A之風扇煞車電路之電路圖；第2C圖為本發明之在一可行實施例之風扇煞車電路之電路圖；第3A圖為本發明之一替代實施例之風扇煞車電路方塊圖；第3B圖為本發明圖3A之風扇煞車電路之電路圖；第4圖為本發明之一實施例之輸入電源、充放電單元的電容件電壓、馬達線圈電壓與風扇電流的實際量測波形圖。如圖2A、2B所示，該風扇煞車電路2包括一半導體開關單元21、一馬達22、一馬達驅動電路23、一隔離單元24、一充放電單元25及一控制單元26，在圖2B實施例中該半導體開關單元21可選擇一二極體做說明，該半導體開關單元21具有一第一端211及一第二端212，該半導體開關單元21的一陽極端為該第一端211係接收一輸入電源Vin(如電源供應器輸出的輸入電源Vin為10伏特)，該半導體開關單元21的一陰極端為該第二端212，且該半導體開關單元21與該輸入電源Vin之間電性連接一保護單元27，該保護單元27設有一斷路器271與一第一二極體272，該斷路器271為如保險絲，該斷路器271的一端電性連接輸入電源Vin，該斷路器271用以在風扇正常時供該輸入電源Vin通過，若在風扇異常(如過載或線路故障)時則斷路保護，該第一二極體272的一陽極端與一陰極端分別電性連接該斷路器271的另一端及該半導體開關單元21的陽極端 (即第一端211)。

該馬達22係電性連接該輸入電源Vin與該半導體開關單元21的第一端211，該馬達22可為如三相馬達或單相馬達，在本實施例中該馬達22為單相馬達說明，該馬達22包含複數上臂開關件221、複數下臂開關件222與一馬達線圈223，該複數上、下臂開關件221、222在本實施例分別表示為二個上臂開關件221為如PMOS電晶體，及二個下臂開關件222為NMOS電晶體，但並不侷限於此。該複數上臂開關件221對應連接該複數下臂開關件222，就是二個上臂開關件221的汲極端與該輸入電源Vin及該半導體開關單元21的陽極端(即第一端211)共同電性連接，且二個上臂開關件221的汲極端則為該馬達電源端，二個上臂開關件221的源極端分別與對應二個下臂開關件222的汲極端電性連接，且二個上臂開關件221與二個下臂開關件222間的連接點係連接至該馬達線圈223，二個下臂開關件222的源極端與一接地端Gnd相電性連接一起。

該馬達驅動電路23係電性連接該馬達22與該控制單元26，該馬達驅動電路23係用以輸出一驅動訊號至該馬達22，並該馬達驅動電路23包含一第一馬達驅動單元231與一第二馬達驅動單元232，在本實施例中該第一、二馬達驅動單元231、232各包含複數電阻與至少一電晶體(如NMOS電晶體)所組成，且該第一、二馬達驅動單元231、232的另一端係分別電性連接該馬達22的該複數下臂開關件222的閘極端，且該第一、二馬達驅動單元231、232係各自傳送驅動訊號給該馬達22的複數下臂開關件222。在本發明實際實施時，該馬達驅動單元及該複數上、下臂開關件221、222的數量是搭配該馬達22的相數作調整改變，例如該馬達22為三相馬達，前述馬達驅動單元數量調整為3個馬達驅動單元搭配該3個上臂開關件221與3個下臂開關件222，依此類推。

該隔離單元24係電性連接於該半導體開關單元21與該馬達驅動電路23之間，該隔離單元24具有複數電阻件，該複數電阻件分別電性連接該馬達驅動電路23與該第二端212，在本實施例中該複數電阻件表示有4個電阻件，就是該複數電阻件具有一第一電阻件241、一第二電阻件242、一第三電阻件243及一第四電阻件244，該第一、二電阻件241、242的一端電性連接對應該第一馬達驅動單元231的另一端與該馬達22的第一個下臂開關件222的閘極端，該第三、四電阻件243、244的一端電性連接對應該第二馬達驅動單元232的另一端與該馬達22的第二個下臂開關件222的閘極端，該第一、三電阻件241、243的另一端電性連接該半導體開關單元21的該第二端212與一操作電壓Vc(如5伏特)，該第二、四電阻件242、244的另一端彼此相電性連接，所以透過該複數電阻件(即第一、二、三、四電阻件241、242、243、244)做為區隔在正常驅動馬達22(單相馬達或三相馬達)的驅動訊號。於本發明實際實施時，該複數電阻件的數量是搭配該馬達驅動單元的數量，例如3個馬達驅動單元搭配3組電阻件，每一組電阻件為如2個電阻件或2個以上電阻件組成。

該充放電單元25係電性連接該隔離單元24的該複數電阻件，用以接收並儲存該操作電壓Vc，該充放電單元25包含一電容件251與一充放電阻件252，該充放電阻件252的一端係分別電性連接該第二電阻件242的另一端與該第四電阻件244的另一端，該充放電阻件252的另一端電性連接該電容件251的一端，該電容件251的另一端電性連接至該接地端Gnd，且該第一、二馬達驅動單元231、232係接收該充放電單元25釋放高壓的操作電壓Vc以傳送各自驅動訊號給該複數下臂開關件222導通，所以透過調整該充放電單元25其內電容件251的電容值搭配該充放電阻件252的電阻值，使得可控制調整電位充放的時間長短，進而便能控制驅動該複數下臂開關件222的導通時間長短及風扇煞停的時間，藉以有效達到調整彈性佳。

另外，藉由本發明該半導體開關單元21可防止風扇斷電後，該充放電單元25的電容件251的電壓(電位)不會從該第一端211與該馬達電源端之間的連接路徑被洩放掉，以保留該充放電單元25的電容件251的電壓可長時間持續提供給該第一、二馬達驅動單元231、232，使該第一、二馬達驅動單元231、232各傳送該驅動訊號驅動對應該複數下臂開關件222導通以與該馬達線圈223兩端形成一短路迴路，讓馬達22達到快速煞車完全停止的效果。在參閱第4圖所示，為本發明之一實施例之該輸入電源Vin、該充放電單元25的電容件251電壓、馬達線圈223電壓與風扇電流的實際量測波形圖，圖中該輸入電源Vin波形符號為V，且該輸入電源Vin波形V中箭頭Vup代表為該輸入電源Vin上電(即風扇通電)與箭頭Vdown代表為輸入電源Vin下電(即風扇斷電)，該電容件251電壓波形符號為C，且該電容件251電壓波形C中箭頭Cv代表為風扇斷電後，該電容件251釋放儲存的操作電壓Vc可維持在該複數下臂開關件222導通電壓以上且下臂開關件222導通時間較長；該馬達線圈223電壓波形符號為M，該馬達線圈223電壓波形M中虛框區域Moff呈現水平平滑線代表為馬達22已經快速煞車停止(即風扇扇葉已急停完全靜止不動)且無反電應勢電壓；該風扇電流波形符號為F，所以根據上述實際量測波形結果顯示，本發明確實可達到風扇快速煞停的效果。在一實施例中，該充放電單元25包含複數電容件251與複數充放電阻件252。

該控制單元26為一中央處理器(CPU)或一微控制器(MCU)或一數位訊號處理器(DSP)，該控制單元26係連接該輸入電源Vin與該馬達22，用以輸出複數控制訊號(如PWM訊號)分別控制該馬達驅動電路23與該馬達22，且在本實施例中該控制單元26與輸入電源Vin之間設有一第二二極體273，該第二二極體273的陽極端電性連接該輸入電源Vin，該第二二極體273的陰極端電性連接該控制單元26。並該控制單元26具有複數接腳，其中一第一、四接腳261、264係電性連接該馬達22的複數上臂開關件221的閘極端，一第二、三接腳262、263係電性連接該第一、二馬達驅動單元231、232的一端，一第五接腳265係電性連接該第二二極體273的陰極端，且該控制單元26的四隻接腳(即第一、二、三、四接腳261、262、263、264)各輸出控制訊號(Pulse Width Modulation；PWM訊號)控制該複數上臂開關件221的開關動作(如開關為導通或不導通)和控制該第一、二馬達驅動單元231、232分別驅動對應該複數下臂開關件222的開關動作(如開關為導通或不導通)，以讓馬達22運轉。

所以當風扇斷電時，該半導體開關單元21會斷開該第一端211與該馬達22的連接(即斷開第一端211與該馬達電源端之間的連接)，同時該半導體開關單元21會防止後端的充放電單元25的電容件251的電壓(電位)被反向消耗掉，此時該充放電單元25會釋放儲存的操作電壓Vc給該第一、二馬達驅動單元231、232，使該第一、二馬達驅動單元231、232驅動對應該第一、二個下臂開關件222維持導通以與該馬達線圈223兩端形成該短路迴路，使該馬達22可達到快速煞停的效果。

在一可行實施例中，參閱第2C圖，該第一二極體272與該半導體開關單元21之間設有一電容件28，該電容件28的一端與該第一二極體272的陰極端與該半導體開關單元21的陽極端及馬達22的電源端相電性連接，該電容件28係接收且儲存該輸入電源Vin，透過該電容件28於風扇斷電時提供該輸入電源Vin給該複數上臂開關件221導通，讓該複數上臂開關件221與該馬達線圈223短路而煞車，由於馬達線圈223會快速將電容件28提供的輸入電源Vin消耗掉，使該複數上臂開關件 221呈不導通，同時該充放電單元25會提供該操作電壓Vc給該第一、二馬達驅動單元231、232以驅動該複數下臂開關件222維持導通(開通)，以持續讓馬達線圈223短路而達到風扇快速煞停與雙重煞車的效果。

在一替代實施例中，參閱第3A、3B圖，該半導體開關單元21為一半導體電晶體，該半導體電晶體為場效應電晶體(如MOS電晶體)或IGBT(絕緣閘雙極)電晶體，在此實施例中該半導體開關單元21為一具有開關功能的MOS電晶體，用於風扇斷電時斷開該半導體開關單元21的第一端211與該馬達電源端之間的連接作說明，但並不侷限於此，凡是於風扇斷電時可斷開第一端與該馬達電源端之間的連接的半導體電晶體，即為本發明所稱之半導體開關單元21。並該半導體開關單元21係具有至少一半導體開關件，於本替代實施例的該半導體開關單元21表示為二個半導體開關件所組成做說明，亦即該半導體開關單元21具有一第一半導體開關件21a與一第二半導體開關件21b，該第一、二半導體開關件21a、21b於此實施例分別表示為一N型金氧半導體(MOS)電晶體與一P型金氧半導體(MOS)電晶體，且該第一、二半導體開關件21a、21b各具有一第一極端211a、211b、一第二極端212a、212b及一第三極端213a、213b，該第一半導體開關件21a的第一極端211a(即該半導體開關單元21的第三端213)為閘極端電性連接該控制單元26與該輸入電源Vin，該第一半導體開關件21a的第三極端213a為汲極端係電性連接該第二半導體開關件21b的該第一極端211b為閘極端，該第一半導體開關件21a的第二極端212a為源極端係電性連接該接地端Gnd，該第二半導體開關件21b的第二極端212b(即該半導體開關單元21的第一端211)為源極端係電性連接該輸入電源Vin及馬達電源端，該第二半導體開關件21b的第三極端213b(即該半導體開關單元21的第二端212)為汲極端係電性連接該第一、三電阻件241、243的另一端，當風扇斷電時，該第一半導體開關件21a的第一極端(閘極端)電壓小於第二極端212a(源極端)電壓呈斷路(不導通)，該第二半導體開關件21b的第一極端211b(閘極端)電壓大於該第二極端212b(源極端)電壓，且該第二極端212b至該第三極端213b電阻很大使該第二半導體開關件21b呈斷路(不導通)，故藉由本發明該第一、二半導體開關件21a、21b可防止風扇斷電後，該充放電單元25的電容件251的電壓(電位)不會從該第一端211與該馬達電源端的路徑被洩放掉的效果。

因此，透過本發明此風扇煞車電路2的設計，使得有效達到風扇斷電快速煞停及降低成本的效果，且還能讓該充放電單元25內的電容值可不必選用電容尺寸大的大容值且也不需要一直加大電容，所以本案該充放電單元25的電容件251可選用小型電容(例如0402、0603、0805尺寸的小型陶瓷晶片電容，但並不引以為限)，以有利於裝設在風扇的電路板(PCB)上較無空間限制，或是在電路板上有限空間下可空出更多的空間供給其他電子零件(如IC晶片、散熱元件或電晶體)設置使用，使得有效達到風扇煞車電路2小型化，且本案風扇整體也會隨著電容尺寸小且體積小的設計下也能達到小型化的效果。