TWI584563B

TWI584563B - 馬達電源電路

Info

Publication number: TWI584563B
Application number: TW105101567A
Authority: TW
Inventors: 洪銀樹; 伍家進; 林政維
Original assignee: 建準電機工業股份有限公司
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-05-21
Also published as: TW201728062A; CN106992726B; CN106992726A

Description

馬達電源電路

本發明係關於一種馬達電源電路，尤其是一種可輸出直流電源的馬達電源電路，用以驅動風扇馬達，並依據溫度調整馬達轉速。

風扇廣泛地應用於各種需要散熱的場合，如：電腦等電子裝置可利用風扇產生氣流輔助散熱，以免過熱而運作異常。

以電腦為例，內部的處理器運作時的高溫需用風扇散熱，此種風扇通常為直流風扇，該直流風扇運作時，須由電源供應器將外界輸入的交流電先轉為直流電作為一工作電源，另配合一溫控調速電路依據溫度高低產生一調速訊號(如：PWM訊號)，用以自動調整風扇馬達之轉速。

惟，習用風扇之工作電源的電壓值與馬達轉速高低無關，且該工作電壓與調速訊號係各自獨立產生，不僅會增加電功率消耗量，更需分別設置該電源供應器及溫控調速電路，不利風扇朝向縮小體積及節能省電等需求發展。

有鑑於此，有必要改善上述先前技術的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。

本發明之目的係提供一種馬達電源電路，可產生一直流電源作為馬達用電，該直流電源具有依據溫度調整馬達轉速之功能。

本發明的馬達電源電路，包含：一整流單元；一電源切控單元，具有一輸入端、一回授端及一取樣端，該輸入端電性連接上述整流單元；及一回授電路，包含一感溫調壓器及一取樣迴路，該感溫調壓器電性連接上述電源切控單元之回授端及取樣端，該取樣迴路電性連接該感溫調壓器及該電源切控單元；其中，該電源切控單元依據該感溫調壓器感測的溫度產生一取樣訊號，並依據上述取樣端輸出該取樣訊號，該取樣迴路依據該取樣訊號輸出一直流調速電源。

其中，上述感溫調壓器電性連接上述電源切控單元之回授端及取樣端，上述取樣迴路電性連接該電源切控單元之取樣端及該感溫調壓器。藉此，該感溫調壓器將感測的溫度以分壓訊號輸入該電源切控單元，經過該電源切控單元的運算處理而產生該取樣訊號供該取樣迴路輸出該直流調速電源，達到以溫度控制風扇轉速的目的。

其中，上述感溫調壓器包含相互串接的二電阻器，該二電阻器的其中一個為一熱敏電阻器。藉此，該感溫調壓器可根據該二電阻器之電阻值產生不同的電壓於任一電阻器之兩端，並同時將該熱敏電阻器感測的溫度輸入至該電源切控單元，而不需個別設置一溫度感測電路與一分壓電路於該電源切控單元外，藉此以簡化電路之複雜度。

其中，該熱敏電阻器設於一扇框之一肋條。藉此，可由該熱敏電阻器偵測環境中或電器產品內熱源之極微小的溫度變化，能夠使該散熱風扇具備隨溫度而改變轉速之特性，有效控制風扇風量強度，同時能兼其省電之效益，達到提升風扇轉速對溫度靈敏度之功效。

其中，上述二電阻器串接形成一串接端、一第一端及一第二端，該串接端電性連接上述電源切控單元之回授端，該第一端電性連接該電源切控單元之取樣端及上述取樣迴路，該第二端電性連接該取樣迴路。藉此，該電阻器之兩端分別與該電源切控單元之回授端、該取樣端電性連接，該電源切控單元係以該電阻器兩端之電壓差產生一取樣訊號，可提升該電源切控單元的工作效率。

其中，該取樣迴路包含一第一電容器、一第一單向元件及一第一電感器，該第一電容器電性連接於上述感溫調壓器的第一端及第二端之間，該第一單向元件及該第一電感器串接於該第一電容器的二端之間。藉此，利用該第一單向元件施以逆向偏壓不會導通的特性而控制電流方向，達到該迴授電路提供回饋訊號於該電源切控單元之功效。

其中，上述第一單向元件及上述第一電感器串接形成一供電端，用以輸出上述直流調速電源。藉此，該直流調速電源用於控制一散熱風扇的轉速，達到根據不同溫度而調整風量之強度的功效。

其中，上述供電端與上述整流單元之間電性連接一穩壓電路。藉此，可去除濾波電路留下的漣波，達到使輸出電壓維持一固定值之功效。

其中，上述穩壓電路具有並聯連接的一第一電阻器、一極性電容器及一無極性電容器。藉由該第一電阻器可保護電路因為IC出現異常動作或過度負載而造成短路，可穩定用以調控風扇轉速之PWM訊號，防止風量大小忽強忽弱，故有助於提升使用便利性。

其中，上述電源切控單元之取樣端與上述整流單元之間電性連接一第二單向元件。藉此，利用二極體在順向偏壓時導通、在逆向偏壓時斷路的特性可控制電流流向，具有偵測電壓訊號之功效。

其中，上述第二單向元件並聯連接一第二電容器。藉此，利用電容器的充電與放電可偵測該第一電感器輸出的電壓訊號並且維持該電源切控單元之取樣端輸出的該取樣訊號，以維持訊號之準確性。

其中，上述取樣迴路之供電端電性連接一電磁耦合元件。藉此，利用電感遇高頻雜訊成高阻抗斷路，可過濾掉高頻雜訊，達到抑制電磁干擾之功效。

其中，上述整流單元與上述電源切控單元之間電性連接一濾波迴路。藉此，該濾波迴路利用電容放電過程的時間大於充電的時間，去除直流脈動電壓中不平穩的成份之後，輸出電壓值較平穩的漣波，以提供適合電子裝置使用的直流電壓。

其中，上述整流單元具有二交流輸入端，該二交流輸入端電性連接一保護迴路。藉由於壓敏電阻在極高電壓情況下(如：突波)，其阻值會瞬間極小化，因此將壓敏電阻並接於該交流電源、該整流單元之間能使突波電流從元件本身通過並接地，避免其他元件受突波侵害，達到保護電路之功效。

其中，上述電源切控單元為一交換式電源切換積體電路。藉此，可將輸入的交流電源轉為一穩定的輸出電壓，具有提升使用便利性之功效。

〔本發明〕

1‧‧‧整流單元

11‧‧‧交流輸入端

12‧‧‧直流輸出端

13‧‧‧直流輸出端

2,2’‧‧‧電源切控單元

21‧‧‧輸入端

21’‧‧‧輸入端

22‧‧‧回授端

22’‧‧‧迴授端

23‧‧‧取樣端

23’‧‧‧取樣端

3‧‧‧回授電路

31‧‧‧感溫調壓器

311‧‧‧電阻器

312‧‧‧電阻器

313‧‧‧串接端

314‧‧‧第一端

315‧‧‧第二端

32‧‧‧取樣迴路

321‧‧‧第一電容器

322‧‧‧第一單向元件

323‧‧‧第一電感器

33‧‧‧供電端

4‧‧‧穩壓電路

41‧‧‧第一電阻器

42‧‧‧極性電容器

43‧‧‧無極性電容器

5‧‧‧第二單向元件

6‧‧‧第二電容器

7‧‧‧電磁耦合元件

71‧‧‧輸入端

72‧‧‧輸出端

8‧‧‧濾波迴路

9‧‧‧保護迴路

A‧‧‧交流電源

S‧‧‧開關電路

F‧‧‧扇框

F1‧‧‧肋條

第1圖：本發明馬達電源電路第一實施例之電路架構圖。

第2圖：本發明馬達電源電路第二實施例之電路架構圖。

第3圖：本發明馬達電源電路中的電阻器設置於一散熱風扇之肋條的示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明之馬達電源電路第一實施例，包含一整流單元1、一電源切控單元2及一回授電路3。該電源切控單元2電性連接於該整流單元1及該回授電路3之間。

該第一實施例之整流單元1具有二交流輸入端11及二直流輸出端12、13；該二交流輸入端11用於連接至一交流電源A的兩端，該交流電源A經由該整流單元1後，該整流單元1可自該二直流輸出端12、13輸出一直流電源。其中，該直流輸出端12、13之一端12連接至該電源切控單元2，該二直流輸出端12、13之另一端13則提供該馬達電源電路之電流回流至該交流電源A的路徑。在此實施例中，該整流單元1可為習知由二極體及電阻構成的的全波、半波整流器或橋式整流器，惟不以此為限。

該第一實施例之電源切控單元2可具有一輸入端21、一回授端22及一取樣端23，該輸入端21電性連接上述整流單元1之一直流輸出端12，該回授端22及該取樣端23電性連接至該回授電路3，該取樣端23輸出一取樣訊號。在此實施例中，該電源切控單元2可為一交換式電源切換積體電路，用以穩定輸出直流電壓，該交換式電源切換積體電路的實施態樣舉例說明如後，惟不以此為限。

舉例而言，該交換式電源切換積體電路大致可包含：一交換元件電路、一功率隔離變壓器電路及一濾波輸出電路，以便利用輸入的直流電(如：半波整流訊號)產生平穩的直流電壓，惟該積體電路設計時亦可選擇併入一整流濾波電路(如：前述整流單元1)及一回授控制電路(如：後述回授電路3)等多個電路模塊，使該交換式電源切換積體電路穩定輸出直流電壓時，可利用直流電或交流電作為輸入電源。其中，以輸入交流電當作電源為例，該電源輸入至該整流濾波電路後，即可直接獲得近似直流(DC)的輸出電壓；而該交換元件電路可視為一種操作於高頻率下的電子開關，該電子開關可持續反覆地打開及關閉(ON/OFF)，並將直流電壓連續切割成近似方波的高頻電壓訊號，而該切割頻率可由回授與控制電路所決定；將前述的方波輸入該功率隔離變壓器電路可輸出一個不穩定的直流電壓訊號；將輸出的直流電壓訊號回授至該回授與控制電路，該回授與控制電路可將該直流電壓的變動情形與一固定的參考電壓作比較，如：利用一個運算放大器(OP)組成的比較器進行比較，並將比較後輸出的信號用來控制該交換元件電路的電子開關，用以將該電子開關分成關閉或導通的時間。因此，透過不斷地持續校正，即可獲得具有穩壓效果的輸出電壓。

該第一實施例之回授電路3可包含一感溫調壓器31、一取樣迴路32及一供電端33。該感溫調壓器31電性連接上述電源切控單元2的回授端22及取樣端23，該取樣迴路32電性連接該感溫調壓器31及該電源切控單元2的取樣端23。其中，該電源切控單元2可依據該感溫調壓器31感測的溫度產生一取樣訊號於該電源切控單元2的取樣端23，該取樣迴路32可依據該取樣訊號由該供電端33輸出一直流調速電源，供控制一散熱風扇的轉速，並同時提供該散熱風扇可正常運作的直流電壓。

在此實施例中，該感溫調壓器31可包含相互串接的二電阻器311、312，該二電阻器311、312之相接處形成一串接端313，該二電阻器311、312之另一端則分別形成一第一端314及一第二端315；其中，該串接端313電性連接上述電源切控單元2之回授端22，該第一端314電性連接該電源切控單元2之取樣端23及上述取樣迴路32，該第二端315電性連接該取樣迴路32。由於該電阻器312之兩端分別與該電源切控單元2之回授端22、該取樣端23電性連接，該電源切控單元2係以該電阻器312兩端之電壓差產生一取樣訊號。

因此，該二電阻器311、312之其中一個可為熱敏電阻或電阻式溫度檢測器(Resistance Temperature Detector)等具有溫度感測功能的電子元件，其中電阻式溫度檢測器係利用金屬電阻值會隨著溫度增加而增加的特性，達到溫度感測的功能，惟該二電阻器311、312種類不以此為限。以該電阻器312為熱敏電阻為例，該熱敏電阻又分為正溫度係數熱敏電阻(PTC)與負溫度係數熱敏電阻(NTC)，兩者皆具有相當大的溫度係數，因此可用來偵測極微小的溫度變化，當環境溫度升高或流經該熱敏電阻的電流增加時，負溫度係數熱敏電阻的電阻值會下降，反之，在溫度低時，負溫度係數熱敏電阻的電阻值則上升。由上得知，該感溫調壓器31可根據該二電阻器311、312之電阻值比例產生不同的電壓於任一電阻器311、312之兩端，該電源切控單元2即可藉由該電阻器312兩端的電壓差與流經該二電阻器311、312的電流輸出該取樣訊號，而不需個別設置一溫度感測電路與一分壓迴路於該電源切控單元2外，藉此以簡化電路之複雜度。

又，請參閱第3圖所示，當本發明之馬達電源電路第一實施例用作散熱的動力來源時，可將上述具有溫度感測功能的電子元件(如：電阻器312)設置於一散熱風扇之扇框F的一肋條F1，或藉由一導線將該電阻器312自該感溫調壓器31拉出，該電阻器312並可設置於熱源(如：電腦CPU)附近，利用該電阻器312具有溫度感測功能的特性，可偵測環境中或電器產品內熱源之極微小的溫度變化，該溫度變化將改變該電阻器312的電阻值，該電源切控單元2根據該電阻器312兩端的電壓差產生的取樣訊號，能夠使該散熱風扇具備隨溫度而改變轉速之特性，有效控制風扇風量強度，同時能兼具省電之效益，達到提升風扇轉速對溫度靈敏度之功效。

在此實施例中，請再參閱第1所示，圖該取樣迴路32可包含一第一電容器321、一第一單向元件322及一第一電感器323，該第一電容器321電性連接於上述感溫調壓器31的第一端314及第二端315之間，該第一單向元件322及該第一電感器323之一端則分別與該第一電容器321的二端電性連接，該第一單向元件322與該第一電感器323之另一端則相互連接以形成上述供電端33，用以輸出上述直流調速電源。

本發明之馬達電源電路上述實施例於使用時，可利用一交流電源連接至該整流單元1之二交流輸入端11，該整流單元1自該直流輸出端12輸出一直流訊號，用以輸入至該電源切控單元2，利用該感溫調壓器 31於該電源切控單元2之回授端22與該取樣端23之間形成的一分壓值，供該電源切控單元2將該感溫調壓器31感測的溫度轉為一取樣訊號，使該取樣迴路32依據該取樣訊號輸出該直流調速電源於該供電端33，用於供應一風扇馬達所需電源，並控制該風扇馬達的轉速，達到利用單一訊號供電並根據不同溫度而調整風量之強度的功效。

此外，該取樣迴路32的第一單向元件322可以為二極體、電晶體，或其他可控制電路開關的電子元件。以該第一單向元件322為一個二極體為例，若該二極體為逆向偏壓狀態，該第一電容器321將會被充電，並儲存能量；當該二極體為順向偏壓狀態時，先前貯放於該第一電容器321的能量就可經由該第一電感器323與該第一單向元件322以電流方式流回該感溫調壓器31，進一步產生分壓於該電阻器312之兩端，使該電源切控單元2可產生該取樣訊號於該取樣端23，該取樣迴路32再進一步根據該取樣訊號以輸出該直流調速電源於該供電端23。

請續參閱第1圖所示，本發明之馬達電源電路可另包含一穩壓電路4電性連接於上述供電端33與上述整流單元1之直流輸出端13之間。由於該交流電源A經過該整流單元1後輸出直流脈動電壓，該直流脈動電壓須再經過濾波電路去除直流脈動電壓中不平穩的成份之後，才能產生適合電子裝置使用的直流電壓。然而，該濾波電路輸出的直流電壓仍然具有週期性的漣波，故該穩壓電路4係用以使輸出電壓維持一固定值。在此實施例中，該穩壓電路4具有並聯連接的一第一電阻器41、一極性電容器42及一無極性電容器43。其中，該第一電阻器41可保護電路因為IC出現異常動作或過度負載而造成短路，可穩定輸出電壓(如：用以調控風扇轉速之PWM訊號)，防止風量大小忽強時忽弱，故有助於提升使用便利性。

另外，上述電源切控單元2之取樣端23與上述整流單元1 的直流輸出端13之間可另電性連接一第二單向元件5，該第二單向元件5可另與一第二電容器6並聯相接，當該第二單向元件5施以逆向偏壓而斷路時，該電源切控單元2輸出的電流可對該第二電容器6進行充電；當該第二單向元件5施以順向偏壓而導通時，該第二電容器6進行放電且電流自該第二電容器6流入該第二單向元件5；因此該第二單向元件5與該第二電容器6可偵測該第一電感器323輸出的電壓訊號並且維持該電源切控單元2之取樣端23輸出的該取樣訊號。

又，如第1圖所示上述該取樣迴路32之供電端33可另電性連接一電磁耦合元件7，該電磁耦合元件7可直接電性連接於該供電端33與該整流單元1的直流輸出端13之間，或是連接於上述該穩壓電路4之無極性電容器43的兩端，用以抑制電磁干擾與避免雜訊影響訊號的準確度。在此實施例中，該電磁耦合元件7可以由二耦合線圈構成，該二耦合線圈具有兩輸入端71及兩輸出端72，該二耦合線圈之兩輸入端71分別連接上述該取樣迴路32之供電端33與該整流單元1的直流輸出端13，該兩輸出端72則與一馬達相接。故，本發明之馬達電源電路於使用時，可視為該供電端33、該直流輸出端13與該馬達之間分別串接一電感，利用電感遇高頻雜訊成高阻抗斷路的特性，使該供電端33與該直流輸出端13之間存在的高頻雜訊，不會經由該電磁耦合元件7輸入至該馬達，避免影響該馬達的正常運作。

承上所述，由於該交流電源A經過該整流單元1後為直流脈動電壓，該直流脈動電壓須再經過濾波電路去除直流脈動電壓中不平穩的成份之後，才能產生適合電子裝置使用的直流電壓。故上述整流單元1的兩直流輸出端12、13與上述電源切控單元2的輸入端21之間也可電性連接一濾波迴路8。該濾波迴路8可包含電容器與電感，也可選擇常用的LC濾波器、RC濾波器、Π型濾波器等，惟不以此為限，該濾波迴路8可利用電容放電過程的時間大於充電的時間，輸出電壓值較平穩的漣波。

此外，為了避免因為短路造成過大的電流導致電路燒毀，上述整流單元1之二交流輸入端11可再電性連接一保護迴路9，該保護迴路9亦具有兩輸入端與兩輸出端，該兩輸入端連接至該交流電源A之兩端。該兩輸出端與該整流單元1之二交流輸入端11相接。該保護迴路9可包含一保險絲、一壓敏電阻(varistor)與一熱敏電阻，其中，該壓敏電阻跨接於該整流單元1之二交流輸入端11，並與該交流電源並接，由於壓敏電阻在極高電壓情況下(如：突波)，其阻值會瞬間極小化，因此將壓敏電阻並接於該交流電源、該整流單元1之間能使突波電流從元件本身通過並接地，避免其他元件受突波侵害，達到保護電路之功效。

請參閱第2圖所示，本發明馬達電源電路可包含一第二實施例，此第二實施例與前述第一實施例之相異處在於：該整流單元1與該回授電路3之間可電性連接一電源切控單元2’，該電源切控單元2’可以是另一種交換式電源切換積體電路，此外，該電源切控單元2’與該回授電路3之間可另包含一開關電路S，該開關電路S與上述交換元件電路功能相同。在此實施例中，該開關電路S可由金氧半場效電晶體MOSFET來實現電子元件的開關，惟該電子開關也可以是BJT電晶體，由於前述的該直流電壓訊號容易受到輸出的負載以及輸入電壓的變動而有所改變，故需要該回授與控制電路校正至穩定的一電壓值。

本發明第二實施例中，該開關電路S將輸出負載回饋至該電源切控單元2’，並藉由該電源切控單元2’校正該電子開關的關閉或導通的時間而輸出穩定的電壓值。例如：當輸出負載增加時，該電源切控單元2’將該開關電路S中電子開關的工作週期(Duty cycle)增加以補償輸出電壓的損失。反之，當輸出負載驟減時，該電源切控單元2’將該開關電路S中電子開關的工作週期縮減以抑制輸出電壓增加。藉由這種回饋控制的方式，不斷地修正工作週期，使輸出電壓可保持固定的電壓以達到穩壓的效果。

綜上所述，本發明馬達電源電路藉由該回授電路3之感溫調壓器31以熱敏電阻感應溫度變化，並將該溫度變化轉換為一分壓值，供該電源切控單元2,2’產生一取樣訊號，再進一步透過該取樣電路32輸出一直流調速電源，用以控制一風扇的轉速並同時提供該風扇可正常運作的工作電壓，而不需分別設至一電源供應器及一溫控調速電路，即可達到根據不同溫度而調整風量之強度的目的，具有降低電路複雜度之功效。

另外，將該電磁耦合元件7、保護迴路9共同整合至該馬達電源電路中更同時達到降低雜訊干擾、抑制突波之目的；又，透過該穩壓電路4，將該濾波迴路8輸出的漣波轉換為具有穩定值的直流電壓；此外，以該第二單向元件5與該第二電容器6偵測該第一電感器323輸出的電壓訊號並且維持該電源切控單元2之取樣端23輸出的該取樣訊號。

因此，本發明的馬達電源電路，將上述電路產生之訊號透過該電源切控單元2,2’進行訊號回饋與控制，可達到節能省電功能與簡化電路之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。