专利名称：具有电路磁滞特性的风扇系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种具有电路磁滞特性的风扇系统及方法，特别是涉及一种采取不同温度阈值做为风扇开启(或提升风扇转速)以及风扇关闭(或降低风扇转速)的风扇系统及方法。
背景技术：
随着多媒体技术的发展，计算机系统的显示效能越来越高。一般而言，为了保证显示卡的运作正常，显示卡厂商在出厂前皆将显示卡的相关设定限制在一安全范围之内，举例来说，一图像处理器(Graphics Processing Unit)的操作频率及操作电压往往远低于该显示卡所能承受的最大频率及最大电压。在此情形的下，某些使用者会依据不同的软件动态地调高或调低图像处理器的操作频率以得到不同的画面处理效能。然而当图像处理器在处理复杂的图像运算(尤其如3D影像处理等)时，会比执行一般二次元的画面显示产生更大的热量，因而显示卡的温度也会越来越高。
传统利用风扇对图像处理器所产生的热量进行散热的方法，是采取显示卡于某一特定温度以上便开启风扇，而于该特定温度以下便关闭风扇的方式，通常显示卡在处于重载(heavy loading)及产生高热时才需要启动风扇散热，而平时处于轻载状态时仅需利用散热槽(heat sink)或热管(heat pipe)便可散去图像处理器所产生的热量，故在此一阶式的开关判断方式会使得风扇于短时间内停停转转，请参阅图1，图1为已知显示卡温度对应至风扇开关的示意图，如显示卡重载且温度大于T1时(A点)风扇开启，接着当风扇开启一段时间时温度低于T1后(B点)则风扇关闭，接着，因为显示卡仍处于重载状态，故很快地温度又高于T1(C点)，如此便造成风扇的过度使用且产生许多不必要的噪音，同时也降低风扇的使用寿命。此外，目前市面上显示卡的散热装置一般都要使用硬件搭配特别开发的软件才能控制风扇转速，因此使用者需额外加装显示卡所附的风扇控制程序方能对风扇转速进行管理，这就造成使用者使用上的不便。
发明内容
本发明提供一种采取不同温度阈值做为风扇开启(或提升风扇转速)以及风扇关闭(或降低风扇转速)的风扇系统及方法，以解决上述的问题。
本发明揭露了一种具有电路磁滞(hysteresis)特性的风扇系统，其包含有一风扇，以及一磁滞电路，其包含有一感温组件，一第一运算放大器，其负输入端电连接于该感温组件，以及一第二运算放大器，其负输入端电连接于该第一运算放大器的输出端，正输入端电连接于一电源，用来于当该感温组件高于一第一温度时输出一第一电压，以及当该感温组件低于一第二温度时输出一第二电压。该风扇系统还包含一风扇开关，电连接于该磁滞电路以及该风扇，该风扇开关用来根据该磁滞电路所输出的该第一电压或该第二电压控制该风扇转速。其中该第一温度大于该第二温度。
本发明揭露了一种可依据温度变化控制风扇转速的适配卡，其包含有至少一电子组件，该电子组件依据本身运作情况产生不同温度，一风扇，以及一磁滞电路，其包含有一感温组件，电连接于该电子组件，一第一运算放大器，其负输入端电连接于该感温组件，以及一第二运算放大器，其负输入端电连接于该第一运算放大器的输出端，正输入端电连接于一电源，用来于当该感温组件高于一第一温度时输出一第一电压，以及当该感温组件低于一第二温度时输出一第二电压。该适配卡还包含一风扇开关，连接于该磁滞电路以及该风扇，该风扇开关用来根据该磁滞电路所输出的该第一电压或该第二电压控制该风扇转速。其中该第一温度大于该第二温度。
本发明还揭露了一种依据所感测到的温度控制风扇转速的方法，其包含有下列步骤当所感测到的温度由小于一第一温度上升至该第一温度时控制该风扇由一第一转速切换至一第二转速；以及当所感测到的温度由大于一第二温度下降至该第二温度时控制该风扇由该第二转速切换至一第三转速；其中该第一温度大于该第二温度。
本发明的精神在于采取不同温度阈值做为风扇开启(或提升风扇转速)以及风扇关闭(或降低风扇转速)的依据，如此一来便不会造成风扇忽开忽关或转速忽快忽慢的问题，而可达到降低噪音的目的，且可延长风扇的使用寿命。
图1为已知显示卡温度对应至风扇开关的示意图。
图2为本发明适配卡的功能方块示意图。
图3为本发明风扇控制的电路示意图。
图4为本发明适配卡温度对应至风扇切换转速或开/关的示意图。
图5为本发明另一实施例磁滞电路的示意图。
图6为相对应于图5的磁滞电路Vin与Vout的关系图。
图7为本发明另一实施例磁滞电路的输入电压与输出电压的关系图。
附图符号说明10 适配卡12 电子组件16 风扇 18 磁滞电路20 风扇开关 22 第一运算放大器24 第二运算放大器26 双载子界面晶体管28 金属氧化物半导体晶体管电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、RT1电容C具体实施方式
请参阅图2，图2为本发明一可依据温度变化控制风扇转速的适配卡10的功能方块示意图。适配卡10可为绘图显示卡(VGA card)，无线网络卡(wireless lan card)等适配卡，其中适配卡10还可包含至少一电子组件12，电子组件12例如可为一处理器，比如说在绘图显示卡中的绘图处理器(Graphics Processing Unit)或无线网络卡中的网络芯片处理器(NetworkProcessing Unit)，然在此并不限制为处理器，电子组件12还可为任何在电路运作时会产生高温的组件，例如ASIC，FPGA等；磁滞电路18耦合至电子组件12，其中磁滞电路18可依据电子组件12的温度输出相对应的控制讯号，举例而言，(1)当电子组件12的温度高于一第一温度时，磁滞电路18输出一第一电压，(2)然当电子组件12的温度低于前述第一温度时仍然持续输出第一电压，(3)直到电子组件12的温度低于一个比前述第一温度还低的第二温度时，磁滞电路18才恢复原来的输出电压或称为第二电压。于此步骤(2)中，磁滞电路18仍然持续输出第一电压，而于步骤(3)中磁滞电路18才恢复原来的输出电压，在此两步骤中说明了磁滞电路18的输入与输出关系发生了磁滞现象；风扇开关20电连接至磁滞电路18，其中风扇开关20根据磁滞电路18的输出做出不同的切换反应，例如前述例子中磁滞电路18输出第一电压以及第二电压，而开关电路便可依据第一电压以及第二电压分别作对应的「开」以及「关」的控制；且风扇16电连接至风扇开关20并可根据风扇开关20的输出做相对应的风扇转速控制。再次以前述例子而言，当风扇开关20输出为「开」时，风扇转速为全开，反的当风扇开关20输出为「关」时，风扇转速为零(即停止转动)。在此须注意，磁滞电路18，风扇开关20以及风扇16，并不限定于「开」以及「关」两种情况，还可以有第三种或第四种状态甚至更多种状态，举例而言，磁滞电路18可利用串接、并接或简单电路概念输出第三种电压，而风扇开关20也可根据磁滞电路18的输出做出相对应的三个开关，或者风扇开关20也可利用串接或并接不同阻抗而输出三种不同电压，最后风扇16便可根据风扇开关20输出的不同的电压做出相对应的风扇转速。
请参阅图3，图3为本发明风扇控制的电路示意图用以说明磁滞电路18、风扇开关20以及风扇16运作的一实施例，其中磁滞电路18导入施密特触发(Schmitt trigger)电路的设计概念，磁滞电路18包含一第一运算放大器22，一热敏电阻RT1，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，一提升电阻(pu11-highresistor)R8，以及一第二运算放大器24。其中热敏电阻RT1可为一负温度系数的热敏电阻，意即温度升高时其电阻值减小，温度降低时其电阻值增大，热敏电阻RT1的一端电连接于一电源，该电源可为计算机装置所提供5V的内部电源，另一端电连接于第一运算放大器22的负输入端以及电阻R1；第一运算放大器22的负输入端电连接于热敏电阻RT1，其正输入端电连接于电阻R2、R3，其输出端电连接于电阻R4，其中当第一运算放大器22的正输入端的电位高于负输入端的电位时，输出端为开路，当第一运算放大器22的负输入端的电位高于正输入端的电位时，输出低电平的控制讯号；第二运算放大器24的负输入端通过电阻R4电连接于第一运算放大器22的输出端，其正输入端电连接于电阻R6、R7，电阻R7电连接于一电源，该电源可为计算机装置所提供5V的内部电源，第二运算放大器24的输出端电连接于提升电阻R8以及风扇开关20，其中当第二运算放大器24的正输入端的电位高于负输入端的电位时，输出端为开路，当第二运算放大器24的负输入端的电位高于正输入端的电位时，输出低电平的控制讯号；提升电阻R8的一端电连接于第二运算放大器24的输出端，另一端则电连接于一电源，用来于第二运算放大器24的输出端为开路时提升输入风扇开关20的偏压；此外，电阻R5电连接于一电源，该电源可为计算机装置所提供5V的内部电源。
风扇开关20包含有一双极性结点晶体管(bipolar junctiontransistor)26，其包含有一发射极(emitter)、一集电极(collector)，以及一基极(base)，而双极性结点晶体管26亦可以一金属氧化物半导体(Metal-Oxide Semiconductor，MOS)晶体管取代，风扇开关20还包含有一金属氧化物半导体晶体管28，其包含有一源极(source)、一漏极(drain)，以及一栅极(gate)，其可为一N通道增强型金属氧化物半导体晶体管(E-NMOS)，该漏极通过电阻R9电连接于双极性结点晶体管26的基极且通过电阻R10电连接于一电源，该电源可为计算机装置所提供12V的内部电源，用来做为风扇转动的电力来源，该源极电连接于一接地端，且该栅极电连接于磁滞电路18的第二运算放大器24的输出端以及提升电阻R8，用来接收磁滞电路18所传来的控制讯号，藉以控制双极性结点晶体管26的导通(on)及关闭(off)。风扇开关20还包含有一电阻R11，其一端电连接于风扇16，其另一端电连接于与双极性结点晶体管26的发射极所电连接的电源(12V)，以及一电容C，电连接于双极性结点晶体管26的集电极，用来储存供应风扇16转动的电荷，以于风扇16于不同转速切换时(或开/关切换时)可暂时提供风扇16电力。
请继续参阅图3，于此详细解释风扇控制的作用原理，当安装适配卡10的计算机装置开机后，此时依据分压定理V1、V2处电压值为V1＝5*R1/(RT1+R1)；V2＝5*R2/(R2+R3+R5)；然而由于计算机装置刚开机，故一开始热敏电阻RT1所感测到的温度较低，而因为热敏电阻RT1为一负温度系数的热敏电阻，因此此时热敏电阻RT1值会较大，而使得V1＜V2，其中R2的取值则和温度阈值(第一温度与第二温度有关)，故此时第一运算放大器22的正输入端的电位高于负输入端的电位，而造成输出端为开路，此时依据分压定理V3(+)、V4处电压值为V3(+)＝5*(R2+R3)/(R2+R3+R5)；
V4＝5*R6/(R6+R7)；藉由各电阻值大小的调配，可使得V4＜V3(+)，故此时第二运算放大器24的正输入端的电位低于负输入端的电位，而输出低电平的控制讯号(0V)，因此此时金属氧化物半导体晶体管28关断，而连带造成双极性结点晶体管26关断，由于风扇16仍可藉由电阻R11电连接于12V的电源，故此时风扇16会以低转速的第一转速运转，其中电阻R11的设定可作为控制该第一转速的依据，故设定较大电阻值的电阻R11可使该第一转速为低转速。此外，若风扇开关20未安装电阻R11，意即图3中电阻R11处为断路时，则此时风扇16无法接收到12V的电源，故风扇16关闭，第一转速为零。
然而当使用者在执行复杂的程序时，如复杂的图像运算(3D影像处理等)，此时适配卡10的负载会增大，而造成热敏电阻RT1所感测到的温度升高，而温度的变化可通过热敏电阻RT1的电阻值反映出来，温度升高则热敏电阻RT1的电阻值减小，而V1增大，当V1增大至V1＞V2时，意即热敏电阻RT1所感测到的温度由小于该第一温度上升至该第一温度时，由于此时第一运算放大器22的正输入端的电位低于负输入端的电位，故输出低电平的控制讯号(0V)，此时依据分压定理V2(-)、V3(-)、V4处电压值为V3(-)＝5*((R2+R3)//R4)/(((R2+R3)//R4)+R5)；V2(-)＝V3(-)*R2/(R2+R3)；V4＝5*R6/(R6+R7)；意即V3(-)加入电阻R4并联的考虑，而使得V3(-)＜V4，其中可藉由R6、R7的选择以使得V4介于两电压电平V3(+)、V3(-)之间，故此时第二运算放大器24的正输入端的电位高于负输入端的电位，而造成输出端为开路，此时可藉由提升电阻R8与所电连接的电源提升输入金属氧化物半导体晶体管28的栅极的偏压，而磁滞电路18便输出该第一电压至风扇开关20，因此金属氧化物半导体晶体管28导通，而连带造成双极性结点晶体管26导通，故此时风扇16会由低转速的第一转速切换至较高转速的第二转速运转。此外，若风扇开关20未安装电阻R11，意即图3中电阻R11处为断路时，则此时风扇16为由关闭的状态切换至开始转动的状态。
而随着风扇16的转动，造成温度的逐渐下降，因此热敏电阻RT1所感测到的温度降低，而热敏电阻RT1的电阻值增大，故V1降低，当V1降低至V1＜V2(-)时，意即热敏电阻RT1所感测到的温度由大于该第二温度下降至该第二温度时，由于此时第一运算放大器22的正输入端的电位大于负输入端的电位，而造成输出端为开路，如前所述此时第二运算放大器24的正输入端的电位低于负输入端的电位，而输出低电平的控制讯号(0V)，而磁滞电路18便输出该第二电压至风扇开关20，因此此时金属氧化物半导体晶体管28关断，而连带造成双极性结点晶体管26关断，由于风扇16仍可藉由电阻R11电连接于12V的电源，故此时风扇16会由高转速的第二转速切换至回较低转速的第一转速。此外，若风扇开关20未安装电阻R11，意即图3中电阻R11处为断路时，则此时风扇16无法接收到12V的电源，故风扇16关闭，第一转速为零。
请参阅图4，图4为本发明适配卡10的温度对应至风扇16切换转速或开/关的示意图，当适配卡10的温度大于该第一温度时(D点)，例如，在一实施例时可为摄氏80度，控制风扇16开启或提升转速，而当适配卡10的温度小于该第二温度时(E点)，例如在一实施例时可为摄氏51度，则控制风扇16关闭或降低转速，再此第一温度与第二温度并不限制，应以电子组件所能承受的最高工作温度以及最低工作温度，或者是最佳工作温度范围为基准而设计。由上可知，本发明设计的磁滞电路可让适配卡10大部分时间处于风扇16并未转动或低转速的状态，只有在温度变得很高时(大于该第一温度)才会开启风扇16或提升风扇16转速以进行散热操作，且在温度下降至某一程度后(小于该第二温度)，才会关闭风扇16或降低风扇16转速，故不会造成风扇16忽开忽关或转速忽快忽慢的问题，如此一来便可达到降低噪音的目的，且可延长风扇16的使用寿命。
而本发明采取磁滞电路做为风扇开启(或提升风扇转速)以及风扇关闭(或降低风扇转速)的依据的设计精神可应用于各种风扇控制模块上，例如显示卡的风扇控制模块或其它具有风扇的适配卡的风扇控制模块等，例如散热风扇适配卡等；此外本发明精神的实施不局限于上述的设计概念，亦可采用其它硬件设计来实现。举例来说，请参阅图5与图6，图5为本发明另一实施例磁滞电路的示意图，图6为相对应于图5的磁滞电路Vin与Vout的关系图。图5所示的磁滞电路为一种施密特触发电路的实现，当Vin大于(R1/R2)*Vs时，Vout的输出为开(on)；当Vin小于一(R1/R2)*Vs时，Vout的输出为关(off)，故可采用两个不同阈值((R1/R2)*Vs、-(R1/R2)*Vs)来达到开/关的功能。综上所述，意即采取运算放大器的磁滞电路做为风扇开启(或提升风扇转速)以及风扇关闭(或降低风扇转速)的硬件设计及方法皆属于本发明所保护的范畴。请参阅图7，图7为本发明另一实施例磁滞电路的输入电压与输出电压的关系图。图7显示藉由三阶的磁滞电路输出三种电压，但本领域技术人员，可轻易利用上述图5实施例而得到，在此并不在赘述，图7的磁滞方式为，当输入电压(对应于电子组件的温度)高于F点时，开关输出第一电压，当输入电压低于I点时，开关输出第二电压；同理，当输入电压高于G点时，开关输出第三电压，当输入电压低于H点时，开关输出第一电压。值得说明的是，藉此多阶的风扇转速控制，例如输入电压高于F点时输出第一电压，高于G点时输出第三电压，可以减少因风扇转速变化太大所造成的噪音，再者，在输入电压尚未高于G点电压时，输出为第一电压，高于G点电压时，输出为第三电压，然其并未于输入低于G点电压时的K点，输出第三电压，于此符合本发明磁滞电路的特性。
相较于已知的风扇控制模块，本发明的风扇控制模块由于采取不同温度阈值做为风扇开启(或提升风扇转速)以及风扇关闭(或降低风扇转速)的依据，如此一来便不会造成风扇忽开忽关或转速忽快忽慢的问题，而可达到降低噪音的目的，且可延长风扇的使用寿命。此外，由于本发明的精神是藉由硬件方式来实现，故使用者无需额外加装风扇控制程序便能对风扇转速进行管理，而提升了使用者使用上的便利性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种具有电路磁滞特性的风扇系统，其包含有一风扇；一磁滞电路，其包含有一感温组件；一第一运算放大器，其负输入端电连接于该感温组件；以及一第二运算放大器，其负输入端电连接于该第一运算放大器的输出端，正输入端电连接于一电源，用来于当该感温组件高于一第一温度时输出一第一电压，以及当该感温组件低于一第二温度时输出一第二电压；以及一风扇开关，电连接于该磁滞电路以及该风扇，该风扇开关用来根据该磁滞电路所输出的该第一电压或该第二电压控制该风扇转速，其中该第一温度大于该第二温度。
2.如权利要求1所述的具有电路磁滞特性的风扇系统，其中该第一运算放大器的正输入端的电位高于负输入端的电位时，输出端为开路，且该第二运算放大器的正输入端的电位高于负输入端的电位时，输出端为开路。
3.如权利要求1所述的具有电路磁滞特性的风扇系统，其中该磁滞电路还包含有一提升电阻，电连接于该第二运算放大器的输出端以及一电源，用来于该第二运算放大器的输出端为开路时提升输入该风扇开关的电压。
4.如权利要求1所述的具有电路磁滞特性的风扇系统，其中该感温组件为一负温度系数的热敏电阻。
5.如权利要求1所述的具有电路磁滞特性的风扇系统，其中该风扇开关包含有一双极性结点晶体管，其包含有一发射极、一集电极，以及一基极，该发射极电连接于一电源，而该集电极电连接于该风扇；以及一金属氧化物半导体晶体管，其包含有一源极、一漏极，以及一栅极，该漏极电连接于该双极性结点晶体管的基极，该源极电连接于一接地端，且该栅极电连接于该磁滞电路，用来接收该磁滞电路所传来的电压讯号，藉以控制该双极性结点晶体管的导通及关闭。
6.如权利要求5所述的具有电路磁滞特性的风扇系统，其中该风扇开关还包含有一电阻，其一端电连接于该风扇，其另一端电连接于与该双极性结点晶体管的发射极所电连接的电源。
7.如权利要求5所述的具有电路磁滞特性的风扇系统，其中该风扇开关还包含有一电容，电连接于该双极性结点晶体管的集电极，用来储存供应该风扇转动的电荷。
8.一种依据所感测到的温度控制风扇转速的方法，其包含有下列步骤当所感测到的温度由小于一第一温度上升至该第一温度时控制该风扇由一第一转速切换至一第二转速；以及当所感测到的温度由大于一第二温度下降至该第二温度时控制该风扇由该第二转速切换至一第三转速；其中该第一温度大于该第二温度。
9.如权利要求8所述的依据所感测到的温度控制风扇转速的方法，其中该第二转速大于该第一转速，且该第二转速大于该第三转速。
10.如权利要求8所述的依据所感测到的温度控制风扇转速的方法，其中该第一转速与该第三转速为零。
全文摘要
一种具有电路磁滞特性的风扇系统，其包含有一风扇，以及一磁滞电路，其包含有一感温组件，一第一运算放大器，其负输入端电连接于该感温组件，以及一第二运算放大器，其负输入端电连接于该第一运算放大器的输出端，正输入端电连接于一电源，用来于当该感温组件高于一第一温度时输出一第一电压，以及当该感温组件低于一第二温度时输出一第二电压。该风扇系统还包含一风扇开关，电连接于该磁滞电路以及该风扇，该风扇开关用来根据该磁滞电路所输出的该第一电压或该第二电压控制该风扇转速。其中该第一温度大于该第二温度。
文档编号H02P7/28GK1949119SQ200510113540
公开日2007年4月18日 申请日期2005年10月11日 优先权日2005年10月11日
发明者张建隆, 陈超, 高国忠 申请人:华硕电脑股份有限公司