专利名称：用于驱动电子换向风扇电机的电路单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动电子换向风扇电机的电路单元，该电路单元
明还涉及一种用于冷却具有电子换向风扇电机的电子设备的部件的风扇 模块。
背景技术：
为了冷却电子设备(如计算机)的部件，这些部件通常安装在冷却体 上或者设置有冷却体，以便增加它们用于散热的表面面积。通常，为了支 持冷却而使用风扇让空气流偏转到温度关键部件或者元件的冷却体上。通 常不需要风扇以最高旋转速度持续工作。例如在处理器的情况下，只有计 算上非常密集的应用才要求风扇的最大旋转速度。由于风扇的高旋转速度 在多数情况下与带给用户的较高噪声负荷关联，所以希望使风扇的旋转速 度适应于条件并且尽可能多地减少速度。出于这一目的，通常使用例如根 据被冷却的部件的温度来减少风扇旋转速度的控制器。
为了驱动风扇，在电子设备中通常使用如下的电子换向风扇电机，其 相对于集电环-换向电机允许无噪声操作并且以较高运行功率为特征而且 发射更少的电磁干扰辐射。在此，市面上通常将用于驱动电子换向风扇电 机的电路单元与该电机一起集成到一个风扇模块中，该风扇模块可以借助
两个端子接线供应以直流电压以便进行工作。
图2示出了根据现有技术的这种市售的风扇模块的示意性配置。风扇 模块1包括具有绕组或者线圏Ll和L2的电子换向风扇电机2,这些绕组 或者线圏代表风扇电机2的固定驱动装置，该固定驱动装置用于提供机械 能量，在此情况下用于提供旋转能量。为了清楚起见，在附图中示出，绕 组L1和L2在风扇电机2外部。绕组L1和L2由功率级3驱动，该功率 级具有与绕组Ll和L2分别串联连接的晶体管Tl和T2。功率级3由控 制级4驱动，该控制级通过晶体管Tl和T2的交替激活来生成定子的旋 转磁场。在风扇电机2中，具有永磁体的转子随着该磁场移动。风扇叶片由转子驱动。控制级4通常具有检测转子的旋转位置的磁传感器，使得可 以对应于转子的检测位置来驱动功率级3。控制级4经常以包括磁传感器 的紧凑型配置的形式而构造为集成电路。此外已知的是，将功率级3与控 制级4一起集成到共同壳体中。作为其它部件，风扇模块l通常具有作 为极性反转保护的二极管D2,该二极管与功率级和控制级串联布置；以 及用于平滑工作电压的电容器C2，该电容器与功率级和控制级的工作电 压并联布置。
为了控制风扇模块1的风扇电机2的旋转速度，可以借助于纵向调节 元件来减少风扇模块l的工作电压。然而，当风扇模块l的电压减少时纵 向调节元件上的电压降不利地导致纵向调节元件上的耗散损失，并且该耗 散损失作为热量祐:^^散。
因此，有利的是，借助于利用脉宽调制的低损耗直流转换器来减少风 扇电压、例如，可能利用图3中所示的根据现有技术的电路。
在根据图3的电路中，图2的风扇模块1借助于直流转换器被供应以 电流，其中直流转换器具有开关晶体管T3、线圏L3、恢复二极管D3(有 时也称为续流二极管D3)和电容器C3。开关晶体管T3利用矩形脉宽调 制信号PWM来驱动，通过该信号来完全地接通或者完全地关断开关晶体 管T3，由此使开关晶体管T3中的耗散损失被最小化。脉宽调制的脉冲占 空比确定直流转换器的输出电压并且也确定风扇电机2的旋转速度。
然而，市售的风扇模块1的风扇电机2的这类旋转速度控制的一个缺 点在于，其除了需要开关晶体管T3和恢复二极管D3之外还需要使用由 线圏L3和电容器C3组成的直流转换器，这首先增加了驱动电路的成本， 其次这与额外空间要求关联，例如与计算机中的主电路板上的空间要求关 联。
作为用于风扇电机的旋转速度控制的另一可能，已知的是，将风扇模 块的功率级的晶体管用作用于脉宽调制的开关元件。在此情况下，针对功 率级的对应驱动而设计了风扇模块的控制级，并且风扇模块除了具有用于 提供工作电压的端子之外还具有输入端，在该输入端上施加信号用于脉宽 调制。然而，这种风扇模块由于更复杂的内部布线、额外端子接线以及具 有数个端子的端子插头而更为昂贵并且通用性较差
发明内容
因此，本发明的一个目的在于描述一种用于风扇模块的简单构造和一 种用于驱动电子换向风扇电机的对应电路单元，该电路单元可以通用并且 具有尽可能小数目的端子而且可以用简单的方式通过脉宽调制来控制旋 转速度。
此问题利用 一种具有独立权利要求所述特征的电路单元或者风扇模 块来解决。在相应从属权利要求中具体说明了本发明的实施和有利改进。
根据本发明的第 一方面，该问题通过一种用于驱动电子换向风扇电机 的电路单元来解决，该电路单元具有用于驱动风扇电机的绕组的功率级和
用于驱动该功率级的控制级。该电路单元的特点在于控制级的工作电压 通过二极管与功率级的工作电压分离；以及提供用于平滑控制级的工作电 压的装置。
电路单元有利地可以用直流电压并且也可以用脉冲(例如脉宽调制) 直流电压来操作。通过二极管和用于平滑控制级的工作电压的装置，在任 何情况下都保证了控制级不被供应以时钟控制的工作电压，而取而代之被 供应以直流式平滑工作电压，并且控制级的操作不受负面影响。功率级和 风扇电机的绕组利用脉冲工作电压的操作基本上对风扇电机的功能无负 面影响。由于控制^目对于风扇电机的绕组或者功率级而言更低的电流要 求，所以仅对控制级的工作电压进行平滑比根据现有技术已知的对整个电 路单元的工作电压进行平滑要求更少的成本。提供了一种更经济并且占据 更少空间的配置，然而该配置，特别是针对控制级可以借助标准部件来实 现。
优选地，用于平滑控制级的工作电压的装置具有电容器。以一种尤其 优选的方式，该装置也具有电阻器并且#:配置为低通滤波器。在此配置中， 相对于根据现有技术所使用的、通过用于脉宽调制电流供应的直流转换器 对电路单元的工作电压进行平滑而言，有利地实现显著的空间和成本节 省。
根据本发明的第二方面，该问题通过一种用于电子设备的风扇模块来 解决，该风扇模块具有电子换向风扇电机和根据本发明第 一方面的用于驱 动风扇电机的电路单元。优点对应于第一方面的优点。
下文将借助附图参照实施例更具体地说明本发明。其中
图1示出了具有电子换向风扇电机和用于驱动该电子换向风扇电机 的电路单元的风扇模块，
图2示出了根据现有技术的风扇模块，
图3示出了根据图2的、具有用于脉宽调制旋转速度控制的驱动电路 的风扇才莫块，
图4示出了根据图1的、具有用于脉宽调制旋转速度控制的风扇模块，
图5示出了具有电子换向风扇电机和用于驱动该电子换向风扇电机 的电路单元的风扇模块，以及也示出了用于风扇模块工作电流的测量和脉 宽调制旋转速度控制的驱动电路，以及
图6示出了才艮据图5的、具有用于风扇模块工作电流的测量和脉宽调 制旋转速度控制的可替选的驱动电路的风扇模块。
附图标记表
1风扇模块
2风扇电机
3功率级
4控制级
Dl-D3二极管
Rl、 R2电阻器
RS电流测量电阻器
Tl-T3双极晶体管
T4、 T5场效应晶体管
Cl-C3电容器
Ll、 L2绕组
线圏
具体实施例方式
图1示出了用于电子设备如计算机的风扇模块1。风扇模块1包括风
7扇电机2、功率级3和控制级4。风扇电机2具有两个绕组L1和L2，这 些绕组分别与功率级3的晶体管Tl、 T2的开关路径串联连接。晶体管 T1和T2由控制级4驱动。为了供应电流，风扇模块1具有两个供电端子， 在激活时这些供电端子中的一个处于地电势GND而另 一个被供应以工作 电压V。提供二极管D2，工作电压V通过该二极管馈送到功率级3或者 绕组L1和L2作为功率级的工作电压VL。另外，揭^供二极管D1和与该 二极管Dl串联连接的电阻器Rl，并且工作电压VL通过该二极管和电阻 器馈送到功率级3作为控制级4的工作电压VS。此外，功率级3和控制 级4也连接到共同的地电势GND。与控制级4的供电端子并联地提供电 容器C1，该电容器通过控制级4的工作电压VS来相应地充电。
在本申请的范围中，功率级3的工作电压VL表示向功率级3的晶体 管或者向绕组Ll和L2施加的电压。在所有描述的实施例中，各绕组Ll、 L2的一个端子被供应以电压VL，并且各晶体管的一个端子处于地电势。 然而，如果由晶体管Tl和T2分别与对应绕组Ll和L2组成的串联电路 的顺序反过来，则这些条件可以反过来。这与工作电压V相对于表示为 地电势GDN的电势是正还是负无关。
除了二极管D1、电阻器R1和电容器C1之外，图l的风扇模块l的 配置对应于图2中所示的配置并且根据现有^^支术而已知。与图2的电路布 局相对照，控制级4的工作电压VS通过根据图1的风扇模块中的二极管 Dl与功率级3的工作电压VL去耦合。电阻器Rl和电容器Cl也形成用 于平滑工作电压VS的低通滤波器。示出了其中在正电流供应支路中提供 二极管的情形。可替选地，二极管D1也可以布置在负电流供应支路中。
在图1的实施例中，可以将根据现有技术所使用的市售的部件用作风 扇电机2、功率级3和控制级4。如果图1的风扇模块l用直流电压来操 作，则未形成与根据现有技术的风扇模块的功能差异。由于控制级4通常 被设计为仅以低的工作电压VS操作，所以二极管Dl上的电压降对风扇 模块l的操作没有限制。然而，如果希望在特别低的工作电压V的情况 下操作，则也可以使用图5中所示实施例。在一个可替选的实施形式中， 如果不要求对功率级4的极性反转保护则可以去掉二极管D2，因为例如 在非驱动状态下的晶体管Tl和T2阻斜目反方向上的电流。根据本申请， 通常对极性反转敏感的控制级4在任何情况下都受二极管Dl保护。
根据图1的电路装置的优点在提供风扇电机2的旋转速度的脉宽调制 控制的情况下将变得清楚。图4示出了根据图1的风扇模块l,该风扇模块具有用于风扇电机2 的旋转速度的脉宽调制控制的附加外部电路。在此，风扇模块l与开关晶 体管T3的开关路径串联连接。在与风扇模块1的工作电压平行的阻塞方 向上提供有恢复二极管D3。恢复二极管D3在用于脉宽调制的信号的非 时钟式阶段(unclocked phase)过程中也允许电流流过绕组Ll和L2。为 了供电，用工作电压V0对晶体管T3充电。用于脉宽调制PWM的控制 信号馈送到开关晶体管T3的控制输入端。
在工作过程中，V0是为了向该装置供电而供应的直流电压。作为用 于脉宽调制PWM的控制信号，提供周期性的矩形信号，使得开关晶体管 T3完全地导通或者非导通。作为控制信号PWM的循环频率，有利地选 择在超声范围中的频率，也就是例如在从30 kHz到40 kHz范围中的频率。 通过脉冲占空因数(也就是开关晶体管T3在周期内导通的时间与开关晶 体管T3在周期内非导通的时间之比)的变化来实现风扇电机2的旋转速 度改变。
为了开关晶体管T3的脉宽调制驱动，因此用脉冲工作电压V来操作 风扇模块1。利用工作电压V来对向功率级3或者向绕组Ll和L2施加 的工作电压VL进行脉冲控制。然而，这对于风扇模块的工作并无不利、 特别是当脉宽调制的频率并不在风扇电机2的电子换向的开关频率以上 时并无不利。风扇电机2的典型最大旋转速度在约3000 1/min (转/分) 的范围中，这导致用于开关晶体管Tl和T2的电子换向的开关频率为3000 1/minx2/60 s/min = 100 Hz。通过例如在超声范围(见上文)中进行的示 例性脉宽调制的循环因此比电子换向的循环频率高300至400倍，其中电 子换向不受脉宽调制的负面影响。
然而通过二极管Dl和由电阻器Rl和电容器Cl构造的低通滤波器，
直流式平滑工作电压VS。这之所以重要是因为控制级4的功能否则可能 受影响。相对于图3中所示和根据现有技术已知的风扇模块的脉宽调制驱 动，在图4中所示电路装置中，由于风扇才莫块l的改变的布局，所以可以 去掉由线圈L3和电容器C3构造的直流转换器对工作电压V的平滑。
才艮据图4的实施例，由于仅对控制级4的工作电压而不对功率级3 的工作电压进行平滑，所以可以去掉电容器C2和C3。代之以使用的电 容器C1由于控制级4与功率级3相比更低的功率消耗而可以具有比电容 器C2和C3明显更低的电容。相对于根据现有技术对风扇模块的脉宽调制驱动(如图3中所示)，产生一种更经济并且占据更少空间的布局。
图5示出了风扇模块的另 一实施例，该风扇模块具有电子换向风扇电 机和用于驱动该电子换向风扇电机的电路单元，以及用于风扇模块工作电 流的测量和脉宽调制旋转速度控制的驱动电路。
与图1中所示风扇模块l相对照，在图5的实施例中，二极管D1被 供应以工作电压V而不是通过二极管D2上的电压降来供应以工作电压 VL。然而类似地提供工作电压VS与工作电压V和VL的去耦合。
与图4的实施例相对照，对于用于脉宽调制旋转速度控制的驱动电 路，可以使用场效应晶体管T4而不是双极晶体管作为开关晶体管。作为 另一差异，在风扇模块的地电源线路中提供该开关晶体管。就场效应晶体 管的使用而言，这之所以有益是因为可以使用n沟道型并且这比p沟道型 更有利。因而在此组件中，向该电路施加的地电势GND0不同于向风扇 模块1施加的电势GND,而外部供应的工作电压V与风扇模块1的工作 电压V相匹配。
此外，电流测量电阻器RS (分流)与开关晶体管T4的开关路径(在 此为源极-漏极路径)串联布置，其中跨电流测量电阻器RS的电压降经由 电阻器R2馈送到电容器C4。向电容器C4施加的电压VI是对风扇模块 1所消耗的电流I的测量。
在图6中示出了用于风扇模块1的风扇电机2的脉宽调制驱动的另一 电路装置。
与图5中所示的实施例相对照，对于图6的例子将去掉二极管D2。 D2上的电压降的消除在给定工作电压V的情况下造成风扇电机2更高的 输出。这也产生成本节省。
与图5的实施例的另一差异在于电流测量。用来将电容器C4连接到 测量电阻器RS的电阻器R2在此被场效应晶体管T5的源极-漏极路径所 取代。晶体管T5也由用于脉宽调制PWM的信号驱动，该信号也控制晶 体管T4。通过晶体管T5实现仅当风扇模块1被通电时电容器C4才连接 到电阻器RS。以此方式，在图6的实施例中防止电容器C4在晶体管T4 为非导通的时间过程中放电。因而，向电容器C4施加的电压与在晶体管 T4初L接通时流动的电流I成比例而不是如图5的实施例中那样的时间平 均电流。因此，排除在电流测量时对脉宽调制信号PWM的脉冲占空比的 影响。在图4至图6中所示实施例中，在风扇模块1之外提供用于脉宽调制 的装置以及可选地提供用于电流测量的装置。特别是，由于可以去掉复杂 的直流转换器，所以用于脉宽调制和/或用于电流测量的装置也可以被设 置于风扇模块l内，该风扇模块于是具有对应较大数目的端子接线。
权利要求
1.一种用于驱动电子换向风扇电机(2)的电路单元，包括-用于驱动风扇电机(2)的绕组(L1，L2)的功率级(3)，以及-用于驱动该功率级(3)的控制级(4)，其特征在于-提供二极管(D1)，该控制级(4)的工作电压(VS)通过该二极管(D1)与该功率级(3)的工作电压(VL)分离，以及-提供用于平滑该控制级(4)的工作电压(VS)的装置。
2. 根据权利要求l所述的电路单元，其中用于平滑控制级(4)的工 作电压(VS)的装置具有电容器(Cl)。
3. 根据权利要求2所述的电路单元，其中用于平滑控制级(4)的工 作电压(VS)的装置还具有电阻器(Rl)并且被构造为是低通滤波器。
4. 根据权利要求l所述的电路单元，其中提供另一二极管(D2)作 为在功率级(3)的工作电压(VL)与该电路单元的工作电压(V)之间 的极性反转保护。
5. 根据权利要求l所述的电路单元，其中功率级具有作为开关元件 的双极晶体管(Tl， T2)或者场效应晶体管。
6. —种用于电子设备的风扇模块(1),包括 -电子换向风扇电机(2),以及-根据权利要求1至5之一所述的用于驱动该风扇电机(2 )的电路单元。
7. 根据权利要求6所述的风扇模块(1),其中提供与用于驱动风扇 电机(2)的电路单元串联连接的用于风扇电机(2)的脉宽调制旋转速度 控制的开关元件(T3， T4)以及在与该电路单元的工作电压(V)或者功 率级(3)的工作电压(VL)平行的阻塞方向上提供另一二极管(D3)作 为恢复二极管。
8. 根据权利要求7所述的风扇模块，其中开关元件(T3， T4)是双 极晶体管或者场效应晶体管。
9. 根据权利要求6所述的风扇模块，其中提供用于测量风扇电机(2)的电流的、与该电路单元串联连接的测量电阻器(RS)。
10. 根据权利要求9所述的风扇模块，其中提供用于平滑电阻器上的 电压降(VI)的电容器(C4)。
11. 根据权利要求10所述的风扇模块，其中提供用于将电容器(C4) 连接到测量电阻器(RS)的电阻器(R2)。
12. 根据权利要求10所述的风扇模块，其中提供用于将电容器(C4 ) 连接到测量电阻器(RS )的另 一开关元件(T5 ),其中所述开关元件(T4 ) 和所述另一开关元件(T5)被共同地驱动。
全文摘要
本发明涉及一种用于驱动电子换向风扇电机(2)的电路单元，该电路单元具有用于驱动风扇电机(2)的绕组(L1，L2)的功率级(3)和用于驱动功率级(3)的控制级(4)。该电路单元的特点在于控制级(4)的工作电压(VS)通过二极管(D1)与功率级(3)的工作电压(VL)分离，并且提供用于平滑控制级(4)的工作电压(VS)的装置。
文档编号H02P6/08GK101540579SQ20091012947
公开日2009年9月23日 申请日期2009年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者彼得·布希 申请人:富士通西门子电脑股份有限公司