專利名稱：用于驅(qū)動電子換向風扇電機的電路單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于驅(qū)動電子換向風扇電機的電路單元，該電路單元
明還涉及一種用于冷卻具有電子換向風扇電機的電子設備的部件的風扇 模塊。
背景技術(shù)：
為了冷卻電子設備(如計算機)的部件，這些部件通常安裝在冷卻體 上或者設置有冷卻體，以便增加它們用于散熱的表面面積。通常，為了支 持冷卻而使用風扇讓空氣流偏轉(zhuǎn)到溫度關(guān)鍵部件或者元件的冷卻體上。通 常不需要風扇以最高旋轉(zhuǎn)速度持續(xù)工作。例如在處理器的情況下，只有計 算上非常密集的應用才要求風扇的最大旋轉(zhuǎn)速度。由于風扇的高旋轉(zhuǎn)速度 在多數(shù)情況下與帶給用戶的較高噪聲負荷關(guān)聯(lián)，所以希望使風扇的旋轉(zhuǎn)速 度適應于條件并且盡可能多地減少速度。出于這一目的，通常使用例如根 據(jù)被冷卻的部件的溫度來減少風扇旋轉(zhuǎn)速度的控制器。
為了驅(qū)動風扇，在電子設備中通常使用如下的電子換向風扇電機，其 相對于集電環(huán)-換向電機允許無噪聲操作并且以較高運行功率為特征而且 發(fā)射更少的電磁干擾輻射。在此，市面上通常將用于驅(qū)動電子換向風扇電 機的電路單元與該電機一起集成到一個風扇模塊中，該風扇模塊可以借助
兩個端子接線供應以直流電壓以便進行工作。
圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的這種市售的風扇模塊的示意性配置。風扇 模塊1包括具有繞組或者線圏Ll和L2的電子換向風扇電機2,這些繞組 或者線圏代表風扇電機2的固定驅(qū)動裝置，該固定驅(qū)動裝置用于提供機械 能量，在此情況下用于提供旋轉(zhuǎn)能量。為了清楚起見，在附圖中示出，繞 組L1和L2在風扇電機2外部。繞組L1和L2由功率級3驅(qū)動，該功率 級具有與繞組Ll和L2分別串聯(lián)連接的晶體管Tl和T2。功率級3由控 制級4驅(qū)動，該控制級通過晶體管Tl和T2的交替激活來生成定子的旋 轉(zhuǎn)磁場。在風扇電機2中，具有永磁體的轉(zhuǎn)子隨著該磁場移動。風扇葉片由轉(zhuǎn)子驅(qū)動?？刂萍?通常具有檢測轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置的磁傳感器，使得可 以對應于轉(zhuǎn)子的檢測位置來驅(qū)動功率級3?？刂萍?經(jīng)常以包括磁傳感器 的緊湊型配置的形式而構(gòu)造為集成電路。此外已知的是，將功率級3與控 制級4一起集成到共同殼體中。作為其它部件，風扇模塊l通常具有作 為極性反轉(zhuǎn)保護的二極管D2,該二極管與功率級和控制級串聯(lián)布置；以 及用于平滑工作電壓的電容器C2，該電容器與功率級和控制級的工作電 壓并聯(lián)布置。
為了控制風扇模塊1的風扇電機2的旋轉(zhuǎn)速度，可以借助于縱向調(diào)節(jié) 元件來減少風扇模塊l的工作電壓。然而，當風扇模塊l的電壓減少時縱 向調(diào)節(jié)元件上的電壓降不利地導致縱向調(diào)節(jié)元件上的耗散損失，并且該耗 散損失作為熱量祐:^^散。
因此，有利的是，借助于利用脈寬調(diào)制的低損耗直流轉(zhuǎn)換器來減少風 扇電壓、例如，可能利用圖3中所示的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電路。
在根據(jù)圖3的電路中，圖2的風扇模塊1借助于直流轉(zhuǎn)換器被供應以 電流，其中直流轉(zhuǎn)換器具有開關(guān)晶體管T3、線圏L3、恢復二極管D3(有 時也稱為續(xù)流二極管D3)和電容器C3。開關(guān)晶體管T3利用矩形脈寬調(diào) 制信號PWM來驅(qū)動，通過該信號來完全地接通或者完全地關(guān)斷開關(guān)晶體 管T3，由此使開關(guān)晶體管T3中的耗散損失被最小化。脈寬調(diào)制的脈沖占 空比確定直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓并且也確定風扇電機2的旋轉(zhuǎn)速度。
然而，市售的風扇模塊1的風扇電機2的這類旋轉(zhuǎn)速度控制的一個缺 點在于，其除了需要開關(guān)晶體管T3和恢復二極管D3之外還需要使用由 線圏L3和電容器C3組成的直流轉(zhuǎn)換器，這首先增加了驅(qū)動電路的成本， 其次這與額外空間要求關(guān)聯(lián)，例如與計算機中的主電路板上的空間要求關(guān) 聯(lián)。
作為用于風扇電機的旋轉(zhuǎn)速度控制的另一可能，已知的是，將風扇模 塊的功率級的晶體管用作用于脈寬調(diào)制的開關(guān)元件。在此情況下，針對功 率級的對應驅(qū)動而設計了風扇模塊的控制級，并且風扇模塊除了具有用于 提供工作電壓的端子之外還具有輸入端，在該輸入端上施加信號用于脈寬 調(diào)制。然而，這種風扇模塊由于更復雜的內(nèi)部布線、額外端子接線以及具 有數(shù)個端子的端子插頭而更為昂貴并且通用性較差
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于描述一種用于風扇模塊的簡單構(gòu)造和一 種用于驅(qū)動電子換向風扇電機的對應電路單元，該電路單元可以通用并且 具有盡可能小數(shù)目的端子而且可以用簡單的方式通過脈寬調(diào)制來控制旋 轉(zhuǎn)速度。
此問題利用 一種具有獨立權(quán)利要求所述特征的電路單元或者風扇模 塊來解決。在相應從屬權(quán)利要求中具體說明了本發(fā)明的實施和有利改進。
根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，該問題通過一種用于驅(qū)動電子換向風扇電機 的電路單元來解決，該電路單元具有用于驅(qū)動風扇電機的繞組的功率級和
用于驅(qū)動該功率級的控制級。該電路單元的特點在于控制級的工作電壓 通過二極管與功率級的工作電壓分離；以及提供用于平滑控制級的工作電 壓的裝置。
電路單元有利地可以用直流電壓并且也可以用脈沖(例如脈寬調(diào)制) 直流電壓來操作。通過二極管和用于平滑控制級的工作電壓的裝置，在任 何情況下都保證了控制級不被供應以時鐘控制的工作電壓，而取而代之被 供應以直流式平滑工作電壓，并且控制級的操作不受負面影響。功率級和 風扇電機的繞組利用脈沖工作電壓的操作基本上對風扇電機的功能無負 面影響。由于控制^目對于風扇電機的繞組或者功率級而言更低的電流要 求，所以僅對控制級的工作電壓進行平滑比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的對整個電 路單元的工作電壓進行平滑要求更少的成本。提供了一種更經(jīng)濟并且占據(jù) 更少空間的配置，然而該配置，特別是針對控制級可以借助標準部件來實 現(xiàn)。
優(yōu)選地，用于平滑控制級的工作電壓的裝置具有電容器。以一種尤其 優(yōu)選的方式，該裝置也具有電阻器并且#:配置為低通濾波器。在此配置中， 相對于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所使用的、通過用于脈寬調(diào)制電流供應的直流轉(zhuǎn)換器 對電路單元的工作電壓進行平滑而言，有利地實現(xiàn)顯著的空間和成本節(jié) 省。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，該問題通過一種用于電子設備的風扇模塊來 解決，該風扇模塊具有電子換向風扇電機和根據(jù)本發(fā)明第 一方面的用于驅(qū) 動風扇電機的電路單元。優(yōu)點對應于第一方面的優(yōu)點。


下文將借助附圖參照實施例更具體地說明本發(fā)明。其中
圖1示出了具有電子換向風扇電機和用于驅(qū)動該電子換向風扇電機 的電路單元的風扇模塊，
圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的風扇模塊，
圖3示出了根據(jù)圖2的、具有用于脈寬調(diào)制旋轉(zhuǎn)速度控制的驅(qū)動電路 的風扇才莫塊，
圖4示出了根據(jù)圖1的、具有用于脈寬調(diào)制旋轉(zhuǎn)速度控制的風扇模塊，
圖5示出了具有電子換向風扇電機和用于驅(qū)動該電子換向風扇電機 的電路單元的風扇模塊，以及也示出了用于風扇模塊工作電流的測量和脈 寬調(diào)制旋轉(zhuǎn)速度控制的驅(qū)動電路，以及
圖6示出了才艮據(jù)圖5的、具有用于風扇模塊工作電流的測量和脈寬調(diào) 制旋轉(zhuǎn)速度控制的可替選的驅(qū)動電路的風扇模塊。
附圖標記表
1風扇模塊
2風扇電機
3功率級
4控制級
Dl-D3二極管
Rl、 R2電阻器
RS電流測量電阻器
Tl-T3雙極晶體管
T4、 T5場效應晶體管
Cl-C3電容器
Ll、 L2繞組
線圏
具體實施例方式
圖1示出了用于電子設備如計算機的風扇模塊1。風扇模塊1包括風
7扇電機2、功率級3和控制級4。風扇電機2具有兩個繞組L1和L2，這 些繞組分別與功率級3的晶體管Tl、 T2的開關(guān)路徑串聯(lián)連接。晶體管 T1和T2由控制級4驅(qū)動。為了供應電流，風扇模塊1具有兩個供電端子， 在激活時這些供電端子中的一個處于地電勢GND而另 一個被供應以工作 電壓V。提供二極管D2，工作電壓V通過該二極管饋送到功率級3或者 繞組L1和L2作為功率級的工作電壓VL。另外，揭^供二極管D1和與該 二極管Dl串聯(lián)連接的電阻器Rl，并且工作電壓VL通過該二極管和電阻 器饋送到功率級3作為控制級4的工作電壓VS。此外，功率級3和控制 級4也連接到共同的地電勢GND。與控制級4的供電端子并聯(lián)地提供電 容器C1，該電容器通過控制級4的工作電壓VS來相應地充電。
在本申請的范圍中，功率級3的工作電壓VL表示向功率級3的晶體 管或者向繞組Ll和L2施加的電壓。在所有描述的實施例中，各繞組Ll、 L2的一個端子被供應以電壓VL，并且各晶體管的一個端子處于地電勢。 然而，如果由晶體管Tl和T2分別與對應繞組Ll和L2組成的串聯(lián)電路 的順序反過來，則這些條件可以反過來。這與工作電壓V相對于表示為 地電勢GDN的電勢是正還是負無關(guān)。
除了二極管D1、電阻器R1和電容器C1之外，圖l的風扇模塊l的 配置對應于圖2中所示的配置并且根據(jù)現(xiàn)有^^支術(shù)而已知。與圖2的電路布 局相對照，控制級4的工作電壓VS通過根據(jù)圖1的風扇模塊中的二極管 Dl與功率級3的工作電壓VL去耦合。電阻器Rl和電容器Cl也形成用 于平滑工作電壓VS的低通濾波器。示出了其中在正電流供應支路中提供 二極管的情形?？商孢x地，二極管D1也可以布置在負電流供應支路中。
在圖1的實施例中，可以將根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所使用的市售的部件用作風 扇電機2、功率級3和控制級4。如果圖1的風扇模塊l用直流電壓來操 作，則未形成與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的風扇模塊的功能差異。由于控制級4通常 被設計為僅以低的工作電壓VS操作，所以二極管Dl上的電壓降對風扇 模塊l的操作沒有限制。然而，如果希望在特別低的工作電壓V的情況 下操作，則也可以使用圖5中所示實施例。在一個可替選的實施形式中， 如果不要求對功率級4的極性反轉(zhuǎn)保護則可以去掉二極管D2，因為例如 在非驅(qū)動狀態(tài)下的晶體管Tl和T2阻斜目反方向上的電流。根據(jù)本申請， 通常對極性反轉(zhuǎn)敏感的控制級4在任何情況下都受二極管Dl保護。
根據(jù)圖1的電路裝置的優(yōu)點在提供風扇電機2的旋轉(zhuǎn)速度的脈寬調(diào)制 控制的情況下將變得清楚。圖4示出了根據(jù)圖1的風扇模塊l,該風扇模塊具有用于風扇電機2 的旋轉(zhuǎn)速度的脈寬調(diào)制控制的附加外部電路。在此，風扇模塊l與開關(guān)晶 體管T3的開關(guān)路徑串聯(lián)連接。在與風扇模塊1的工作電壓平行的阻塞方 向上提供有恢復二極管D3?；謴投O管D3在用于脈寬調(diào)制的信號的非 時鐘式階段(unclocked phase)過程中也允許電流流過繞組Ll和L2。為 了供電，用工作電壓V0對晶體管T3充電。用于脈寬調(diào)制PWM的控制 信號饋送到開關(guān)晶體管T3的控制輸入端。
在工作過程中，V0是為了向該裝置供電而供應的直流電壓。作為用 于脈寬調(diào)制PWM的控制信號，提供周期性的矩形信號，使得開關(guān)晶體管 T3完全地導通或者非導通。作為控制信號PWM的循環(huán)頻率，有利地選 擇在超聲范圍中的頻率，也就是例如在從30 kHz到40 kHz范圍中的頻率。 通過脈沖占空因數(shù)(也就是開關(guān)晶體管T3在周期內(nèi)導通的時間與開關(guān)晶 體管T3在周期內(nèi)非導通的時間之比)的變化來實現(xiàn)風扇電機2的旋轉(zhuǎn)速 度改變。
為了開關(guān)晶體管T3的脈寬調(diào)制驅(qū)動，因此用脈沖工作電壓V來操作 風扇模塊1。利用工作電壓V來對向功率級3或者向繞組Ll和L2施加 的工作電壓VL進行脈沖控制。然而，這對于風扇模塊的工作并無不利、 特別是當脈寬調(diào)制的頻率并不在風扇電機2的電子換向的開關(guān)頻率以上 時并無不利。風扇電機2的典型最大旋轉(zhuǎn)速度在約3000 1/min (轉(zhuǎn)/分) 的范圍中，這導致用于開關(guān)晶體管Tl和T2的電子換向的開關(guān)頻率為3000 1/minx2/60 s/min = 100 Hz。通過例如在超聲范圍(見上文)中進行的示 例性脈寬調(diào)制的循環(huán)因此比電子換向的循環(huán)頻率高300至400倍，其中電 子換向不受脈寬調(diào)制的負面影響。
然而通過二極管Dl和由電阻器Rl和電容器Cl構(gòu)造的低通濾波器，
直流式平滑工作電壓VS。這之所以重要是因為控制級4的功能否則可能 受影響。相對于圖3中所示和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的風扇模塊的脈寬調(diào)制驅(qū) 動，在圖4中所示電路裝置中，由于風扇才莫塊l的改變的布局，所以可以 去掉由線圈L3和電容器C3構(gòu)造的直流轉(zhuǎn)換器對工作電壓V的平滑。
才艮據(jù)圖4的實施例，由于僅對控制級4的工作電壓而不對功率級3 的工作電壓進行平滑，所以可以去掉電容器C2和C3。代之以使用的電 容器C1由于控制級4與功率級3相比更低的功率消耗而可以具有比電容 器C2和C3明顯更低的電容。相對于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)對風扇模塊的脈寬調(diào)制驅(qū)動(如圖3中所示)，產(chǎn)生一種更經(jīng)濟并且占據(jù)更少空間的布局。
圖5示出了風扇模塊的另 一實施例，該風扇模塊具有電子換向風扇電 機和用于驅(qū)動該電子換向風扇電機的電路單元，以及用于風扇模塊工作電 流的測量和脈寬調(diào)制旋轉(zhuǎn)速度控制的驅(qū)動電路。
與圖1中所示風扇模塊l相對照，在圖5的實施例中，二極管D1被 供應以工作電壓V而不是通過二極管D2上的電壓降來供應以工作電壓 VL。然而類似地提供工作電壓VS與工作電壓V和VL的去耦合。
與圖4的實施例相對照，對于用于脈寬調(diào)制旋轉(zhuǎn)速度控制的驅(qū)動電 路，可以使用場效應晶體管T4而不是雙極晶體管作為開關(guān)晶體管。作為 另一差異，在風扇模塊的地電源線路中提供該開關(guān)晶體管。就場效應晶體 管的使用而言，這之所以有益是因為可以使用n溝道型并且這比p溝道型 更有利。因而在此組件中，向該電路施加的地電勢GND0不同于向風扇 模塊1施加的電勢GND,而外部供應的工作電壓V與風扇模塊1的工作 電壓V相匹配。
此外，電流測量電阻器RS (分流)與開關(guān)晶體管T4的開關(guān)路徑(在 此為源極-漏極路徑)串聯(lián)布置，其中跨電流測量電阻器RS的電壓降經(jīng)由 電阻器R2饋送到電容器C4。向電容器C4施加的電壓VI是對風扇模塊 1所消耗的電流I的測量。
在圖6中示出了用于風扇模塊1的風扇電機2的脈寬調(diào)制驅(qū)動的另一 電路裝置。
與圖5中所示的實施例相對照，對于圖6的例子將去掉二極管D2。 D2上的電壓降的消除在給定工作電壓V的情況下造成風扇電機2更高的 輸出。這也產(chǎn)生成本節(jié)省。
與圖5的實施例的另一差異在于電流測量。用來將電容器C4連接到 測量電阻器RS的電阻器R2在此被場效應晶體管T5的源極-漏極路徑所 取代。晶體管T5也由用于脈寬調(diào)制PWM的信號驅(qū)動，該信號也控制晶 體管T4。通過晶體管T5實現(xiàn)僅當風扇模塊1被通電時電容器C4才連接 到電阻器RS。以此方式，在圖6的實施例中防止電容器C4在晶體管T4 為非導通的時間過程中放電。因而，向電容器C4施加的電壓與在晶體管 T4初L接通時流動的電流I成比例而不是如圖5的實施例中那樣的時間平 均電流。因此，排除在電流測量時對脈寬調(diào)制信號PWM的脈沖占空比的 影響。在圖4至圖6中所示實施例中，在風扇模塊1之外提供用于脈寬調(diào)制 的裝置以及可選地提供用于電流測量的裝置。特別是，由于可以去掉復雜 的直流轉(zhuǎn)換器，所以用于脈寬調(diào)制和/或用于電流測量的裝置也可以被設 置于風扇模塊l內(nèi)，該風扇模塊于是具有對應較大數(shù)目的端子接線。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動電子換向風扇電機(2)的電路單元，包括-用于驅(qū)動風扇電機(2)的繞組(L1，L2)的功率級(3)，以及-用于驅(qū)動該功率級(3)的控制級(4)，其特征在于-提供二極管(D1)，該控制級(4)的工作電壓(VS)通過該二極管(D1)與該功率級(3)的工作電壓(VL)分離，以及-提供用于平滑該控制級(4)的工作電壓(VS)的裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電路單元，其中用于平滑控制級(4)的工 作電壓(VS)的裝置具有電容器(Cl)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路單元，其中用于平滑控制級(4)的工 作電壓(VS)的裝置還具有電阻器(Rl)并且被構(gòu)造為是低通濾波器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電路單元，其中提供另一二極管(D2)作 為在功率級(3)的工作電壓(VL)與該電路單元的工作電壓(V)之間 的極性反轉(zhuǎn)保護。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電路單元，其中功率級具有作為開關(guān)元件 的雙極晶體管(Tl， T2)或者場效應晶體管。
6. —種用于電子設備的風扇模塊(1),包括 -電子換向風扇電機(2),以及-根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的用于驅(qū)動該風扇電機(2 )的電路單元。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的風扇模塊(1),其中提供與用于驅(qū)動風扇 電機(2)的電路單元串聯(lián)連接的用于風扇電機(2)的脈寬調(diào)制旋轉(zhuǎn)速度 控制的開關(guān)元件(T3， T4)以及在與該電路單元的工作電壓(V)或者功 率級(3)的工作電壓(VL)平行的阻塞方向上提供另一二極管(D3)作 為恢復二極管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的風扇模塊，其中開關(guān)元件(T3， T4)是雙 極晶體管或者場效應晶體管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的風扇模塊，其中提供用于測量風扇電機(2)的電流的、與該電路單元串聯(lián)連接的測量電阻器(RS)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的風扇模塊，其中提供用于平滑電阻器上的 電壓降(VI)的電容器(C4)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的風扇模塊，其中提供用于將電容器(C4) 連接到測量電阻器(RS)的電阻器(R2)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的風扇模塊，其中提供用于將電容器(C4 ) 連接到測量電阻器(RS )的另 一開關(guān)元件(T5 ),其中所述開關(guān)元件(T4 ) 和所述另一開關(guān)元件(T5)被共同地驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于驅(qū)動電子換向風扇電機(2)的電路單元，該電路單元具有用于驅(qū)動風扇電機(2)的繞組(L1，L2)的功率級(3)和用于驅(qū)動功率級(3)的控制級(4)。該電路單元的特點在于控制級(4)的工作電壓(VS)通過二極管(D1)與功率級(3)的工作電壓(VL)分離，并且提供用于平滑控制級(4)的工作電壓(VS)的裝置。
文檔編號H02P6/08GK101540579SQ20091012947
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者彼得·布希 申請人:富士通西門子電腦股份有限公司