TWM653133U - 風扇剎車電路 - Google Patents

Abstract

本創作一種風扇剎車電路，包括一控制模組、一馬達驅動模組及一剎車控制模組，該馬達驅動模組分別電性連接該控制模組及一馬達，該剎車控制模組包含一儲能單元、一控制儲能給電單元及一剎車制動單元，該控制儲能給電單元分別電性連接該儲能單元及一輸入電源，該剎車制動單元分別電性連接該控制儲能給電單元及該馬達。當該風扇斷電時，該控制儲能給電單元控制該儲能單元輸出一操作電壓至該剎車制動單元，令該馬達根據該剎車制動單元傳送的剎車訊號而剎車，藉此達到斷電時剎車快速煞停(急停或即停)的功效，並在風扇被煞停後該剎車作動即結束，被煞停的風扇則被另一風扇的風流自然帶動產生風車效應仍維持一定解熱效果。

Description

風扇剎車電路

本創作有關於一種風扇剎車電路，尤指可達到斷電快速剎停且又不影響風扇故障時的解熱功能的風扇剎車電路。

許多的消費性產品中，風扇是主要的散熱工具。當系統溫度過高時，風扇即會啟動以降低整體系統溫度，達到散熱目的，當系統溫度下降至一特定值，風扇即會停止動作。

傳統上為了避免整體系統不會因為溫度過高而燒毀，通常會於系統中加裝散熱風扇用以主動散熱。然而，為了因應運算速度越來越快元件之散熱，風扇轉速要求會越來越高，因此造成風扇斷電後該風扇仍會慣性持續運轉一段時間後才會完全停止。

而目前習知現有風扇剎車技術可分為風扇有電源供應剎車及風扇斷開電源時剎車。其中風扇有電源供應剎車：主要是透過控制單元(微控制器；MCU)輸出的數位訊號(如PWM訊號)去控制馬達驅動用的兩個下臂MOSFET開關常開，使馬達定子無法正常產生正確對應磁條的磁場，無磁場的定子與磁條的磁場產生阻力而達到剎車的作用。而風扇斷開電源剎車：透過離散型式的電阻/電容及下臂MOSFET開關去組成觸發剎車功能的電子線路(即剎車線路)，主要是透過連接馬達端電源去實現剛斷電(下電)時的剎車機制或是透過扇葉被帶動轉動後的風車效應去回授電壓進而觸發剎車線路進行剎車，以抑制風扇的風車效應被帶動逆轉的轉速太高，進而停止風扇的扇葉轉動。在參閱第1圖，為習知風扇斷電 後之該輸入電源、馬達線圈電壓與風扇電流的實際量測波形圖，圖中該輸入電源波形符號為V，且該輸入電源波形V中箭頭Vup代表為該輸入電源上電(即風扇通電)與箭頭Vdown代表為輸入電源下電(即風扇斷電)；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，習知風扇未加入剎車機制仍會持續慣性運轉一段時間後才會完全停止。

而現行的風扇斷開電源剎車的剎車線路都是透過連接馬達端的電壓去實現剎車機制，但此剎車機制若應用在風扇是採用兩轉子風扇或串聯風扇時，因風扇存在前級風扇及後級風扇的狀態，當其中一端風扇失效(如前級風扇)時，失效端的風扇扇葉會被另一端正常運作的風扇(如後級風扇)風流帶動轉動形成風車效應。但在風車效應下，失效端的風扇被帶動轉動時會經由反電動勢的迴授電壓去觸發剎車線路的功能作動，此時失效端的風扇會因剎車功能作動被剎車而產生剎車阻力，令失效端的風扇扇葉被抑制轉速而轉速降低則形成擋風的阻力，這樣造成失效端的風扇為如前級風扇阻擋了串聯風扇的入風風流，或是失效端的風扇為如後級風扇阻擋了串聯風扇的出風風流，所以現有斷電剎車機制在單一風扇(如前級風扇或後級風扇)失效時會一直持續被剎車抑制轉速，以阻擋另一端正常運作風扇(如後級風扇或前級風扇)的風流，以導致串聯風扇其中一風扇失效時因上述原因無法維持一定的解熱。

是以，要如何解決上述習用之兩轉子風扇或串聯風扇其中一風扇失效時能保有剎車機制且又能有正常不會產生阻力的風車效應以維持一定的解熱，即為本案之創作人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

爰此，為有效解決上述之問題，本創作之主要目的在提供一種風扇斷電時剎車快(即)停的功效，且在風扇失效時仍有風車效應維持一定解熱效果的風扇剎車電路。

為達上述目的，本創作係提供一種風扇剎車電路，包括一控制模組、一馬達驅動模組及一剎車控制模組，該控制模組電性連接一輸入電源，該馬達驅動模組分別電性連接該控制模組、剎車控制模組及一馬達，該剎車控制模組包含一儲能單元、一控制儲能給電單元及一剎車制動單元，該儲能單元用以接收該輸入電源並儲存為一操作電壓，該控制儲能給電單元分別電性連接該儲能單元及該輸入電源及剎車制動單元，該控制儲能給電單元根據該輸入電源上電或下電來控制該儲能單元的該操作電壓輸出或不輸出至該剎車制動單元，該剎車制動單元根據該儲能單元輸出的該操作電壓產生一剎車訊號給該馬達，令該馬達形成一短路迴路而剎車，所以當風扇斷電時，該控制儲能給電單元控制該儲能單元輸出該操作電壓至該剎車制動單元，令該馬達根據該剎車制動單元傳送的剎車訊號而快速剎車使風扇即停。

藉由本創作此風扇剎車電路設計，使得可達到風扇斷電時剎車快速煞停(急(即)停)的功效，且在風扇被煞停後剎車作動就結束，該風扇之扇葉可被另一風扇的風流自然帶動產生風車效應，藉此達到維持解熱效果。

1:風扇剎車電路

11:控制模組

111:致能單元

12:馬達驅動模組

121:驅動單元

123:開關隔離單元

124:位準提升單元

14:剎車控制模組

141:儲能單元

142:控制儲能給電單元

143:剎車制動單元

1431:第一端

1432:第二端

1433:第三端

144:第一半導體開關單元

145:第二半導體開關單元

146:第三半導體開關單元

16:第一保護單元

161:斷路器

162:第一二極體

17:第二保護單元

171:第二二極體

18:濾波元件

2:馬達

21:馬達線圈

22:上臂開關單元

23:下臂開關單元

Gnd:接地端

Vin:輸入電源

第1圖為習知正常風扇斷電未帶有剎車功能之該輸入電源、馬達線圈電壓與風扇電流的實際量測波形圖。

第2A圖為本創作之實施例之風扇剎車電路方塊圖。

第2B圖為本創作之另外一實施例之風扇剎車電路方塊圖。

第2C圖為本創作風扇斷電剎車之輸入電源、儲能單元的操作電壓、馬達線圈電壓與風扇電流的實際量測波形圖。

第3A圖為本創作其他替代實施例之風扇剎車電路方塊圖。

第3B圖為本創作其他替代實施例之風扇斷電剎車之輸入電源、儲能單元輸出端的操作電壓、馬達線圈電壓與風扇電流的實際量測波形圖。

本創作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。

本創作提供一種風扇剎車電路1，請參閱第2A圖。該風扇剎車電路1係應用於一風扇(圖中未示)上，且在本實施例風扇的馬達2係以單相無刷馬達做說明。但並不侷限於此，於具體實施時，風扇的馬達2也可為三相或多相無刷馬達，如三相無刷馬達來說就有三組馬達線圈21，依此類推。

該風扇剎車電路1包括一控制模組11、一馬達驅動模組12及一剎車控制模組14。該控制模組11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)，該控制模組11分別電性連接一輸入電源Vin及該馬達驅動模組12，該控制模組11具有複數接腳(包含電源接腳、輸出接腳、輸入接腳或其他功能接腳)，其中該複數接腳的輸出接腳用以輸出複數控制訊號(如PWM訊號)控制該馬達驅動模組12及馬達2。

在本實施例該控制模組11與輸入電源Vin之間更具有一第一保護單元16及一第二保護單元17，該第一保護單元16設有一斷路器161及一第一二極體162，該斷路器161為如保險絲，該斷路器161的一端電性連接輸入電源Vin，該斷路器161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162的一陽極端電性連接該斷路器161的另一端，該第一二極體162的一陰極端分別電性連接一濾波元件18(如電容件)及該馬達2。該第二保護單元17設有一第二二極體171，該第二二極體171的一陽極端與一陰極端分別電性連接該第一二極體162的陽極端及該控制模組11其中一接腳為電源接腳。

該馬達驅動模組12電性連接該馬達2，該馬達驅動模組12包含複數驅動單元121，該複數驅動單元121用以輸出一驅動訊號至該馬達2，在本實施例中複數驅動單元121為二個驅動單元121說明，且各驅動單元121包含複數電阻件及至少一電晶體(如NMOS電晶體)所組成。具體地，該複數驅動單元121的一端電性連接該控制模組11，該複數驅動單元121的另一端電性連接該馬達2。

續參閱第2A圖，該馬達2包含複數上臂開關單元22及複數下臂開關單元23及一馬達線圈21，該複數上、下臂開關單元22、23在本實施例分別為二個上臂PMOS電晶體開關，及二個下臂NMOS電晶體開關，但並不侷限於此。具體地，該複數上臂開關單元22的一端與該輸入電源Vin相電性連接，該複數上臂開關單元22的另一端分別與該複數下臂開關單元23的一端及該馬達線圈21及該剎車制動單元143相電性連接，複數下臂開關單元23的另一端電性連接至一接地端Gnd。並該複數驅動單元121的另一端電性連接該複數上臂開關單元22或該複數下臂開關單元23，令該複數驅動單元121輸出驅動訊號給馬達2的該複數上臂開關單元22或該複數下臂開關單元23而導通，以驅使馬達2運轉。另外，前述驅動單元121及該複數上、下臂開關單元22、23的數量是搭配該馬達2的相數作調整改變，例如該馬達2為三相馬達，前述驅動單元121數量調整為三個驅動單元121搭配該三個上臂開關單元22與三個下臂開關單元23，依此類推。

該剎車控制模組14包含一儲能單元141、一控制儲能給電單元142及一剎車制動單元143，該儲能單元141由至少一電阻件及至少一電容件所組成，用以接收該輸入電源Vin並儲存為一操作電壓。具體地，使用者可透過調整該儲能單元141的電容件的電容值搭配該電阻件的電阻值調整去設定取得斷電後的操作電壓值。另外，在該儲能單元141與輸入電源Vin之間設有一第一半導體開關單元144，該第一半導體開關單元144為一二極體元件，用以防止儲能單元141儲存的操作電壓逆回流至該輸入電源Vin被洩放掉。具體地，該第一半導體開關單元144的兩端分別電性連接該斷路器161的另一端及該儲能單元141，令輸入電源Vin直接單獨輸入至該儲能單元141，使得可達到不受其他線路影響。

該控制儲能給電單元142分別電性連接該儲能單元141及輸入電源Vin及剎車制動單元143。具體地，在該控制儲能給電單元142與輸入電源Vin之間更設有一第二半導體開關單元145，第二半導體開關單元145為一二極體元件，該第二半導體開關單元145的兩端分別電性連接該控制儲能給電單元142及該斷路器161的另一端。該控制儲能給電單元142根據該輸入電源Vin上電或下電來控制該儲能單元141的該操作電壓輸出或不輸出。即該控制儲能給電單元142接收到經該第二半導體開關單元145路徑通過的輸入電源Vin，來得知目前輸入電源Vin處於上電狀態；若該控制儲能給電單元142沒有接收到經該第二半導體開關單元145路徑通過的輸入電源Vin，則得知目前輸入電源Vin處於下電狀態。所以當風扇通電時，該控制儲能給電單元142會控制其內部設有一與該儲能單元141連接的開關件(如MOSFET電晶體)的電位下拉，進而令該控制儲能給電單元142其內開關件打開，確保該儲能單元141的操作電壓不輸出給該剎車制動單元143。當風扇斷電時，該控制儲能給電單元142會控制其內部的開關件解除電位下拉，進而令該控 制儲能給電單元142其內開關件關閉，令該儲能單元141的操作電壓輸出給該剎車制動單元143。

該剎車制動單元143電性連接該馬達2，且具有一第一端1431、一第二端1432及一第三端1433，該剎車制動單元143的第一端1431電性連接該控制儲能給電單元142，該剎車制動單元143的第二端1432與第三端1433分別與該複數上臂開關單元22的另一端及馬達線圈21的兩端相電性連接一起。具體地，該剎車制動單元143內部設有複數獨立的MOS電晶體開關構成如同二上橋開關(二下橋開關)去短路馬達線圈21。並該剎車制動單元143根據該儲能單元141輸出的操作電壓導通其內部MOS電晶體開關，並產生一剎車訊號給該馬達2，令該剎車制動單元143內的該等MOS電晶體開關與該馬達2內的馬達線圈21形成一短路迴路，使馬達2可達到快速剎車急(即)停的功效。

所以當風扇通電時，該輸入電源Vin提供電力給該馬達2及該控制模組11及該儲能單元141及該控制儲能給電單元142，令該控制模組11正常控制該複數驅動單元121輸出驅動訊號驅使風扇的馬達2運轉，此時該控制儲能給電單元142根據輸入電源Vin供電來控制該儲能單元141不輸出操作電壓給該剎車制動單元143，令該剎車制動單元143不會輸出該剎車訊號給該馬達2。當風扇斷電時，該輸入電源Vin不提供電力給該馬達2及該控制模組11及該儲能單元141及該控制儲能給電單元142，此時該控制儲能給電單元142根據該輸入電源Vin斷電來控制該儲能單元141釋放儲存的操作電壓至該剎車制動單元143，令該剎車制動單元143根據該儲能單元141輸出的操作電壓產生剎車訊號給該馬達2，令該馬達2內的馬達線圈21形成短路迴路而達到快速剎車即停，此時風扇扇葉被一次剎車作動快速剎停後，剎車作動就結束不再對風扇持續剎車，使得被剎停的風扇自然不會有剎 車阻力的產生，進而該扇葉可被外部氣流自然帶動產生風車效應維持解熱。在參閱第2C圖，為本創作該輸入電源Vin、儲能單元的操作電壓、馬達線圈21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)，該儲能單元的操作電壓波形符號為C，且該操作電壓波形C中箭頭Cv代表為風扇斷電後，該儲能單元141釋放儲存的操作電壓Vc供給剎車制動單元143進行快速剎車動作；該馬達線圈21電壓波形符號為M，該馬達線圈21電壓波形M中虛框區域Moff呈現水平平滑線代表為風扇馬達快速剎車停止(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，本創作確實可達到風扇快速煞停的效果，進而有效可避免操作人員不小心被風扇扇葉打到的問題。

在另外一實施例，請參閱第2B圖，該控制模組11更包含一致能單元111，該致能單元111電性連接該控制儲能給電單元142，該致能單元111根據該輸入電源Vin上電輸出一致能電壓至該控制儲能給電單元142，以致能該控制儲能給電單元142控制該儲能單元141的操作電壓不輸出。前述致能電壓用以輔助該控制儲能給電單元142要控制該儲能單元141不輸出操作電壓給剎車制動單元143。當該致能單元111在風扇通電時會同步輸出致能電壓給該控制儲能給電單元142，令該控制儲能給電單元142控制該儲能單元141的操作電壓不輸出給剎車制動單元143，以有效防止該控制儲能給電單元142本身誤動作或異常，藉此達到防錯機制效果。另外，當該致能單元111在風扇斷電時會連動做開閉不輸出致能電壓給該控制儲能給電單元142。

續參閱第2B圖，在該儲能單元141與輸入電源Vin之間更設有一第三半導體開關單元146，該第三半導體開關單元146為一二極體元件，用以防止儲能單元141儲存的操作電壓逆回流至該輸入電源Vin被洩放掉。於具體地，該第三半導體開關單元146的一端與該濾波元件18及該第一二極體162的陰極端相電性連接，該第三半導體開關單元146的另一端電性連接該儲能單元141。所以當風扇斷電時藉由該剎車制動單元143令馬達2短路而快速剎停後，同時該風扇會被外部氣流帶動旋轉產生的反電動勢會經該第三半導體開關單元146這路徑通過該儲能單元141傳送至該剎車制動單元143上，令該剎車制動單元143根據反電動勢的電壓繼續作動對馬達2進行剎車，以抑制風扇扇葉轉動。於具體實施時，使用者可以根據系統內風扇(如單風扇或串聯風扇)斷電時是否需要保有風車效應的設計需求，來選用是否增加或省略掉該第三半導體開關單元146，例如若需保有風車效應則省略不設置第三半導體開關單元146；若需要快速煞停後抑制風扇轉動，則增設該第三半導體開關單元146。

在其他替代實施例，參閱第3A、3B圖，本其他替代實施例與上述各實施例的結構及元件及連結關係大致相同，兩者差異在於：該馬達驅動模組12更包含一開關隔離單元123及一位準提升單元124，該開關隔離單元123分別電性連接該複數驅動單元121的另一端及剎車制動單元143的第二、三端1432、1433及馬達2的該複數下臂開關單元23，該開關隔離單元123是用以能起到隔離電源的效果。當該輸入電源Vin斷電(風扇斷電)時，該開關隔離單元123能防止該儲能單元141的操作電壓經由該控制模組11的接腳被放電掉至接地端Gnd快速渲洩為零伏特電壓，藉此有效達到避免失去剎車制動的功能。該位準提升單元124電性連接該開關隔離單元123，該位準提升單元124用以在該輸入電源Vin斷電時，拉升該剎車 制動單元143的剎車訊號的電壓位準至較高位準，以利讓後端該複數下臂開關單元23導通(開通)，進而讓馬達線圈21形成短路迴路而快速剎車。在參閱第3B圖，為本創作其他替代實施例該輸入電源Vin、該儲能單元141的操作電壓C、馬達線圈21電壓M與風扇電流F的實際量測波形圖，從圖中可看出該馬達線圈21電壓波形M中虛框區域Moff呈現水平平滑線代表為風扇馬達快速剎車停止(即風扇扇葉已急(即)停完全靜止不動)且無反電應勢電壓，所以根據上述實際量測波形結果顯示，本創作確實可達到風扇斷電快速剎停的效果。另外，於具體實施時，在第3A圖中的第三半導體開關單元146及/或該剎車制動單元143內部設置的MOS電晶體開關也可以省略掉。使該剎車制動單元143直接共用馬達2內的該複數下臂開關單元23(上臂開關單元22)，令該剎車制動單元143輸出的剎車訊號給馬達2的複數下臂開關單元23而導通，以與該馬達2內的馬達線圈21形成該短路迴路而達到快速剎車功效。

所以藉由上述本創作風扇剎車電路1設計，不論是裝在單一風扇或兩轉子風扇或串聯風扇(如前、後級風扇串接組成)上使用皆能達到快速煞停的功效，尤其在兩轉子風扇或串聯風扇上使用時不僅能保有斷電快速剎車的效果，且當兩轉子風扇或串聯風扇中一風扇失效(如前級風扇或後級風扇)時，失效風扇(如前級風扇)的扇葉還能正常不會產生阻力而自然被另一正常運作風扇(後級風扇)的風流帶動轉動而產生風車效應，藉此可降低風扇在系統(如伺服系統)內時流阻及讓系統流場更順暢，進而有利於系統在風扇失效時還能維持一定的解熱保護效果。另外，由於剎車控制模組14的電源主要是以外部的輸入電源Vin供應為主，使得儲能單元141的操作電壓能快速跟隨輸入電源Vin做反應，令該儲能單元141能在輸入電源Vin斷電的同一時間連動跟著作動輸出操作電壓給該剎車制動單 元143，令剎車制動單元143立即反應啟動剎車機制對馬達2進行剎車，藉此達到斷電快速急停的效果。

1:風扇剎車電路

11:控制模組

12:馬達驅動模組

121:驅動單元

14:剎車控制模組

141:儲能單元

142:控制儲能給電單元

143:剎車制動單元

1431:第一端

1432:第二端

1433:第三端

144:第一半導體開關單元

145:第二半導體開關單元

16:第一保護單元

161:斷路器

162:第一二極體

17:第二保護單元

171:第二二極體

18:濾波元件

2:馬達

21:馬達線圈

22:上臂開關單元

23:下臂開關單元

Gnd:接地端

Vin:輸入電源

Claims (9)

1. 一種風扇剎車電路，包括：一控制模組，係電性連接一輸入電源；一馬達驅動模組，分別電性連接該控制模組及一馬達；一剎車控制模組，包含：一儲能單元，用以接收該輸入電源並儲存為一操作電壓；一控制儲能給電單元，分別電性連接該儲能單元及該輸入電源，其根據該輸入電源上電或下電來控制該儲能單元的該操作電壓輸出或不輸出；一剎車制動單元，分別電性連接該控制儲能給電單元及該馬達，該剎車制動單元根據該儲能單元輸出的該操作電壓產生一剎車訊號給該馬達，令該馬達形成一短路迴路而剎車；及其中當一風扇斷電時，該控制儲能給電單元控制該儲能單元輸出該操作電壓至該剎車制動單元，令該馬達根據該剎車制動單元傳送的該剎車訊號而剎車。
2. 如申請專利範圍第1項所述之風扇剎車電路，其中當該風扇通電時，該控制儲能給電單元控制該儲能單元不輸出該操作電壓至該剎車制動單元，令該剎車制動單元不會輸出該剎車訊號給該馬達。
3. 如申請專利範圍第1項所述之風扇剎車電路，其中該馬達驅動模組包含複數驅動單元，該複數驅動單元的一端電性連接該控制模組，該複數驅動單元的另一端電性連接該馬達。
4. 如申請專利範圍第3項所述之風扇剎車電路，其中該馬達包含複數上臂開關單元及複數下臂開關單元及一馬達線圈，該複數上臂開關單元的 一端與該輸入電源相電性連接，該複數上臂開關單元的另一端分別與該複數下臂開關單元的一端及該馬達線圈及該剎車制動單元相電性連接，複數下臂開關單元的另一端電性連接至一接地端，該複數驅動單元的另一端電性連接該複數上臂開關單元或該複數下臂開關單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述之風扇剎車電路，其中該控制模組更包含一致能單元，該致能單元電性連接該控制儲能給電單元，該致能單元根據該輸入電源上電輸出一致能電壓至該控制儲能給電單元，以致能該控制儲能給電單元控制該儲能單元的操作電壓不輸出。
6. 如申請專利範圍第1項所述之風扇剎車電路，其中該馬達驅動模組包含複數驅動單元及一開關隔離單元，該複數驅動單元的一端分別電性連接該控制模組，該開關隔離單元分別電性連接該剎車制動單元及該馬達及該複數驅動單元的另一端。
7. 如申請專利範圍第6項所述之風扇剎車電路，其中該馬達包含複數上臂開關單元及複數下臂開關單元及一馬達線圈，該複數上臂開關單元的一端與該輸入電源相電性連接，該複數上臂開關單元的另一端分別與該複數下臂開關單元的一端及該馬達線圈相電性連接，複數下臂開關單元的另一端電性連接至一接地端，該開關隔離單元電性連接該複數下臂開關單元。
8. 如申請專利範圍第6項所述之風扇剎車電路，其中該馬達驅動模組更包含一位準提升單元，該準提升單元電性連接該開關隔離單元。
9. 如申請專利範圍第1項所述之風扇剎車電路，其中該控制模組為一中央處理器或一微控制器或一數位訊號處理器。