CN102403941B - 风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法。该风扇用直流无刷马达的驱动装置，包括一保护电路、一储能电路、一控制电路及一桥式电路。保护电路与一辅助电源电性连接。储能电路与保护电路电性连接，并接收辅助电源。控制电路与保护电路及储能电路电性连接。桥式电路与控制电路电性连接，桥式电路具有一第一开关单元、一第二开关单元、一第三开关单元及一第四开关单元。第一开关单元与第二开关单元与一马达线圈的一端耦接，第三开关单元与第四开关单元与马达线圈的另一端耦接，且第一开关单元与第三开关单元电性连接，第二开关单元与第四开关单元电性连接。

Description

风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种驱动装置及其驱动方法，特别是涉及一种风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法。

背景技术

请参阅图1A所示，其为一种现有的直流无刷马达的驱动装置1A。其中，驱动装置1A藉由两个N型金属氧化物半导体场效应晶体管作为开关，以驱动直流无刷马达。虽然驱动装置1A具有结构简单以及价格便宜的优点，然而，驱动装置1A的效率较差，而与现今所强调的环保节能的概念背道而驰。

为提升驱动装置的效率，现有技术中提出一种全桥架构的驱动装置1B。请参阅图1B所示，驱动装置1B包括一上桥电路及一下桥电路。其中，上桥电路是由两个P型金属氧化物半导体场效应晶体管所构成，而下桥电路则由两个N型金属氧化物半导体场效应晶体管所组成。

虽然，驱动装置1B具有较佳的效率，但由于P型金属氧化物半导体场效应晶体管在切换速度及切换耗损的表现上均不及N型金属氧化物半导体场效应晶体管。因此，当应用于较大功率的风扇，或需要有更高切换速度的驱动技术时，一般的作法是将上桥电路中的P型金属氧化物半导体场效应晶体管改为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。

为配合N型金属氧化物半导体场效应晶体管的操作特性，当采用上、下桥电路皆为N型金属氧化物半导体场效应晶体管的马达驱动装置时，业界是使用一整合式驱动IC以控制驱动装置。然而，整合式驱动IC的价格不仅较为昂贵，且整合式驱动IC的操作电压范围是介于10～20伏特，因而当选用的风扇的驱动电源为低于10伏特时，整合式驱动IC将无法正常运作。

因此，如何提供一种风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法，使其具有简单结构，并具有较大的操作电压范围，进而增加驱动装置的应用性及马达的品质，已成为重要课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种具有简单结构，并具有较大的操作电压范围，进而增加驱动装置的应用性及马达的品质的风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法。

为达到上述目的，依据本发明的一种风扇用直流无刷马达的驱动装置，包括一保护电路、一储能电路、一控制电路及一桥式电路。保护电路与一辅助电源电性连接。储能电路与保护电路电性连接。控制电路与保护电路及储能电路电性连接，控制电路并分别接收一第一控制讯号、一第二控制讯号、一第三控制讯号及一第四控制讯号。桥式电路与控制电路电性连接，桥式电路具有一第一开关单元、一第二开关单元、一第三开关单元及一第四开关单元。第一开关单元与第二开关单元与一马达线圈的一端耦接，第三开关单元与第四开关单元与马达线圈的另一端耦接，且第一开关单元与第三开关单元电性连接，第二开关单元与第四开关单元电性连接。其中控制电路于第一操作期间，导通第二开关单元与第四开关单元，于一第二操作期间，导通第一开关单元与第四开关单元，并于一第三操作期间，导通第二开关单元与第三开关单元，且储能电路于第一操作期间接收辅助电源。

本发明的一实施例中，其中桥式电路的第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元与第四开关单元分别为一N型金属氧化物半导体场效应晶体管。

为达到上述目的，依据本发明的一种风扇用直流无刷马达的驱动方法，是与一驱动装置配合应用，其中驱动装置具有一保护电路、一储能电路、一控制电路及一桥式电路。保护电路与一辅助电源电性连接。储能电路与保护电路电性连接。控制电路与保护电路及储能电路电性连接，并分别接收一第一控制讯号、一第二控制讯号、一第三控制讯号及一第四控制讯号。桥式电路与控制电路电性连接，且桥式电路具有一第一开关单元、一第二开关单元、一第三开关单元及一第四开关单元。其中第一开关单元与第二开关单元与一马达的一端耦接，第三开关单元与第四开关单元与马达的另一端耦接，且第一开关单元与第三开关单元电性连接，第二开关单元与第四开关单元电性连接。驱动方法包括：于一第一操作期间，分别依据第二控制讯号与第四控制讯号而导通第二开关单元及第四开关单元，以使储能电路于第一操作期间接收辅助电源，并储存之，并进入一第二操作期间及一第三操作期间其中之一；于第二操作期间，分别依据第一控制讯号及第四控制讯号而导通第一开关单元与第四开关单元，并进入第三操作期间；以及于第三操作期间，分别依据第二控制讯号及第三控制讯号而导通第二开关单元与第三开关单元，并进入第二操作期间。

本发明的一实施例中，其中辅助电源的电压介于4至20伏特。

如上所述，因依据本发明的一种风扇用直流无刷马达的驱动装置是藉由储能电路与控制电路的配合应用，以提供符合导通桥式电路的第一开关单元与第三开关单元所需的电压电平，从而实现具有简单结构，并具有较大的操作电压范围，进而增加驱动装置的应用性及马达的品质的风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法。

附图说明

图1A及图1B为现有的一种风扇用直流无刷马达的驱动装置的示意图；

图2为依据本发明较佳实施例的一种风扇用直流无刷马达的驱动装置的示意图；

图3为依据本发明较佳实施例的一种风扇用直流无刷马达的驱动装置的示意图；

图4A为依据本发明较佳实施例的驱动装置的驱动方法的一流程图；

图4B为依据本发明较佳实施例的驱动装置的另一种驱动方法的一流程图；以及

图5为依据本发明较佳实施例的控制电路的开关单元与控制讯号之间状态示意图。

附图符号说明

1A、1B、2：驱动装置

21：保护电路

22：储能电路

23：控制电路

24：桥式电路

C1：第一电容器

C2：第二电容器

D1：第一保护单元

D2：第二保护单元

L：马达线圈

Q1：第一开关单元

Q2：第二开关单元

Q3：第三开关单元

Q4：第四开关单元

Q5：第五开关单元

Q6：第六开关单元

Q7：第七开关单元

Q8：第八开关单元

R1：第一电阻器

R2：第二电阻器

R3：第三电阻器

R4：第四电阻器

R5：第五电阻器

R6：第六电阻器

R7：第七电阻器

R8：第八电阻器

S01～S03、S11～S13：驱动方法的步骤

S1：第一控制讯号

S2：第二控制讯号

S3：第三控制讯号

S4：第四控制讯号

V_CC：马达驱动电源

V_dd：辅助电源

具体实施方式

以下将参照附图说明依据本发明较佳实施例的一种风扇用直流无刷马达的驱动装置。

首先，请参照图2，其为依据本发明较佳实施例的一种直流无刷马达的驱动装置2。驱动装置2包括一保护电路21、一储能电路22、一控制电路23及一桥式电路24。

保护电路21与一辅助电源V_dd电性连接。在本实施例中，保护电路21具有一第一保护单元D1及一第二保护单元D2，而在实施上，第一保护单元D1及一第二保护单元D2可分别为一二极管。

储能电路22与保护电路21电性连接。在本实施例中，储能电路22具有一第一电容器C1及一第二电容器C2。其中，第一电容器C1与第二电容器C2分别与第一保护单元D1及第二保护单元D2电性连接。

其中，第一保护单元D1及第二保护单元D2除了提供第一电容器C1及第二电容器C2一充电路径之外，并可防止电压反馈至辅助电源V_dd。

控制电路23与保护电路21及储能电路22电性连接。控制电路23分别接收一第一控制讯号S1、一第二控制讯号S2、一第三控制讯号S3及一第四控制讯号S4。

桥式电路24与控制电路23电性连接。在本实施例中，桥式电路24具有一第一开关单元Q1、一第二开关单元Q2、一第三开关单元Q3及一第四开关单元Q4。其中，第一开关单元Q1～第四开关单元Q4分别为一N型金属氧化物半导体场效应晶体管。此外，第一开关单元Q1的源极与第二开关单元Q2的漏极与一马达线圈L的一端耦接。第三开关单元Q3的源极与第四开关单元Q4的漏极与马达线圈L的另一端耦接，且第一开关单元Q1的漏极与第三开关单元Q3的漏极与一马达驱动电源V_CC电性连接，而第二开关单元Q2的源极与第四开关单元Q4的源极与一接地端电性连接。

在实际运用上，控制电路23于一第一操作期间，接收低电平的第一控制讯号S1及第三控制讯号S3，以及高电平的第二控制讯号S2及第四控制讯号S4，并依据第二控制讯号S2及第四控制讯号S4导通第二开关单元Q2与第四开关单元Q4，进而使储能电路22的第一电容器C1及第二电容器C2接收辅助电源V_dd并储存之。于一第二操作期间，控制电路23接收高电平的第一控制讯号S1及第四控制讯号S4，以及低电平的第二控制讯号S2及第三控制讯号S3，并依据第一控制讯号S1及第四控制讯号S4导通第一开关单元Q1与第四开关单元Q4。于一第三操作期间，控制电路23接收低电平的第一控制讯号S1及第四控制讯号S4，以及高电平的第二控制讯号S2及第三控制讯号S3，并依据第二控制讯号S2及第三控制讯号S3导通第二开关单元Q2与第三开关单元Q3。

另外，值得一提的是，驱动装置2的控制电路23可藉由第一操作期间、第二操作期间及第三操作期间的顺序启动马达，或者是采取第一操作期间、第三操作期间及第二操作期间的顺序启动马达。

接着，请参照图3，以进一步说明本发明的驱动装置2。

驱动装置2的控制电路23包括一第五开关单元Q5、一第六开关单元Q6、一第七开关单元Q7、一第八开关单元Q8、一第一电阻器R1、一第二电阻器R2、一第三电阻器R3、一第四电阻器R4、一第五电阻器R5、一第六电阻器R6、一第七电阻器R7、一第八电阻器R8。

第五开关单元Q5分别与第一控制讯号S1及一接地端电性连接，并依据第一控制讯号S1而导通或截止。第一电阻器R1的一端与保护电路22的第一保护单元D1的一端电性连接，而第一保护单元D1的另一端与辅助电源V_dd电性连接。第二电阻器R2的一端与第一电阻器R1的另一端电性连接，且第二电阻器R2的另一端与第五开关单元Q5电性连接。第六开关单元Q6分别与第一电阻器R1、第二电阻器R2及储能电路22的第一电容器C1电性连接。在本实施例中，第五开关单元Q5为一N型金属氧化物半导体场效应晶体管，而第六开关单元Q6为一P型金属氧化物半导体场效应晶体管。

第三电阻器R3的一端与第六开关单元Q6电性连接，且第三电阻器R3的另一端与桥式电路24的第一开关单元Q1的栅极电性连接。第四电阻器R4的一端与第三电阻器R3的另一端电性连接，且第四电阻器R4的另一端与桥式电路24的第一开关单元Q1的源极电性连接。其中，第三电阻器R3与第四电阻器R4用以调整第一开关单元Q1导通与截止的速度。在实际运用上，第三电阻器R3与第四电阻器R4的选择需满足以下的(1)式：

R4/(R3+R4)*V_dd-V_1s＞4V(伏特)            (1)

其中，V_1s为第一开关单元Q1的源极电压。

第七开关单元Q7分别与第三控制讯号S3及一接地端电性连接，并依据第三控制讯号S3而导通或截止。第五电阻器R5的一端与保护电路22的第二保护单元D2的一端电性连接，而第二保护单元D2的另一端与辅助电源V_dd电性连接。第六电阻器R6的一端与第五电阻器R5的另一端电性连接，且第六电阻器R6的另一端与第七开关单元Q7电性连接。第八开关单元Q8分别与第五电阻器R5、第六电阻器R6及储能电路22的第二电容器C2电性连接。在本实施例中，第七开关单元Q7为一N型金属氧化物半导体场效应晶体管，而第八开关单元Q8为一P型金属氧化物半导体场效应晶体管。

第七电阻器R7的一端与第八开关单元Q8电性连接，且第七电阻器R7的另一端与桥式电路24的第三开关单元Q3的栅极电性连接。第八电阻器R8的一端与第七电阻器R7的另一端电性连接，且第八电阻器R8的另一端与桥式电路24的第三开关单元Q3的源极电性连接。其中，第七电阻器R7与第八电阻器R8用以调整第三开关单元Q3导通与截止的速度。在实际运用上，第七电阻器R7与第八电阻器R8的选择需满足以下的(2)式：

R8/(R7+R8)*V_dd-V_3s＞4V(伏特)            (2)

其中，V_3s为第三开关单元Q3的源极电压。

驱动装置2的桥式电路24的第一开关单元Q1的漏极及第三开关单元Q3的漏极与马达驱动电源V_CC电性连接。第二开关单元Q2的源极及第四开关单元Q4的源极与接地端电性连接。此外，第二开关单元Q2的栅极与第四开关单元Q4的栅极分别与第二控制讯号S2与第四控制讯号S4电性连接，并分别依据第二控制讯号S2与第四控制讯号S4而导通或截止。

请参照图4A的流程图并结合图3所示，以说明本发明的较佳实施例的驱动方法，其可与上述的驱动装置2结合使用，而风扇用直流无刷马达的驱动装置的驱动方法的步骤包含步骤S01～步骤S03。另外，为了更清楚地说明本发明的控制电路23的第一开关单元Q1～第八开关单元Q8与第一控制讯号S1～第四控制讯号S4之间的对应关系，请同时参照图5的状态示意图。

步骤S01于一第一操作期间，分别依据第二控制讯号S2与第四控制讯号S4而导通第二开关单元Q2及第四开关单元Q4，以使储能电路22于第一操作期间接收辅助电源V_dd，并储存该辅助电源V_dd。

在实际操作上，第二开关单元Q2与第四开关单元Q4是接收高电平的第二控制讯号S2与第四控制讯号S4而导通，辅助电源V_dd通过第一保护单元D1及第二保护单元D2而对储能电路22的第一电容器C1与第二电容器C2进行充电，在此同时，第一控制讯号S1与第三控制讯号S3为低电平的讯号，因而第一开关单元Q1、第三开关单元Q3及第五开关单元Q5～第八开关单元Q8皆为截止状态。此外，当第一电容器C1与第二电容器C2所储存的电位到达辅助电源V_dd的电位时，进入步骤S02。

步骤S02于一第二操作期间，分别依据第一控制讯号S 1及第四控制讯号S4而导通第一开关单元Q1与第四开关单元Q4。

在实际运用上，由于第五开关单元Q5及第六开关单元Q6分别为N型金属氧化物半导体场效应晶体管与P型金属氧化物半导体场效应晶体管，因此当第一控制讯号S1为高电平时，将同时导通第五开关单元Q5及第六开关单元Q6，并提供第一电容器C1一放电路径，以将其所储存的辅助电源Vdd进行放电。此外，由于第三电阻器R3与第四电阻器R4的选择满足上述的(1)式的要求。因此，当第一控制讯号S1为高电平时，将可通过第一电容器C1进行放电以导通第一开关单元Q1。再者，第四开关单元Q4将依据第四控制讯号S4而导通，而使马达驱动电源VCC通过马达线圈L，藉此驱动马达。

另外，在此同时，第二控制讯号S2与第三控制讯号S3为低电平的讯号，因而第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第七开关单元Q7及第八开关单元Q8皆为截止状态。

步骤S03于一第三操作期间，分别依据第二控制讯号S2及第三控制讯号S3而导通第二开关单元Q2与第三开关单元Q3。

在实际操作上，由于第七开关单元Q7及第八开关单元Q8分别为N型金属氧化物半导体场效应晶体管与P型金属氧化物半导体场效应晶体管，因此当第三控制讯号S3为高电平时，将同时导通第七开关单元Q7及第八开关单元Q8，并提供第二电容器C2一放电路径，以将其所储存的辅助电源V_dd进行放电。此外，由于第七电阻器R7与第八电阻器R8的选择满足上述的(2)式的要求。因此，当第三控制讯号S3为高电平时，将可通过第二电容器C2进行放电以导通第三开关单元Q3。再者，第二开关单元Q2将依据第二控制讯号S2而导通，而使马达驱动电源V_CC通过马达线圈L，以驱动马达，在此同时，第一控制讯号S1与第四控制讯号S4为低电平的讯号，因而第一开关单元Q1、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5及第六开关单元Q6皆为截止状态。

另外，值得一提的是，当通过步骤S01至步骤S03而启动马达运转后，将可藉由不断重复步骤S02与步骤S03而使马达持续运转。然而，若马达于停止后需重新启动，则需由步骤S01开始实施。此外，在实际应用上，第一控制讯号S1、第二控制讯号S2、第三控制讯号S3及第四控制讯号S4为一PWM讯号或一直流电压讯号。

接着，请参照图4B的流程图并结合图3所示，本发明的另一种较佳实施例的驱动方法，其可与上述的驱动装置2结合使用，而风扇用直流无刷马达的驱动装置的驱动方法的步骤包含步骤S11至步骤S13。其中，在本实施例中，是以步骤S11、步骤S12及步骤13的顺序启动马达，并藉由不断重复步骤S12与步骤S13而使马达持续运转。由于步骤S11、步骤S12及步骤S13的技术特征与上述实施例的步骤S01、步骤S03及步骤S02相同，故于此不再赘述。

藉由上述的硬件架构及驱动方法，当辅助电源V_dd的电压介于4至20伏特时，即可导通第一开关单元Q1与第三开关单元Q3。因而，本发明将具有较大的操作电压范围，而可以更广泛的应用在不同需求及设计的马达驱动。

综上所述，因依据本发明的一种风扇用直流无刷马达的驱动装置是藉由储能电路与控制电路的配合应用，以提供符合导通桥式电路的第一开关单元与第三开关单元所需的电压电平，从而实现具有简单结构，并具有较大的操作电压范围，进而增加驱动装置的应用性及马达的品质的风扇用直流无刷马达的驱动装置及其驱动方法。

以上所述仅为举例而非为对本发明的限制。在任何未脱离本发明的精神与范畴的前提下，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本发明的权利要求中。

Claims (12)

1.一种风扇用直流无刷马达的驱动装置，包括：

一保护电路，与一辅助电源电性连接；

一储能电路，与该保护电路电性连接；

一控制电路，与该保护电路及该储能电路电性连接，该控制电路并分别接收一第一控制讯号、一第二控制讯号、一第三控制讯号及一第四控制讯号；以及

一桥式电路，与该控制电路电性连接，该桥式电路具有一第一开关单元、一第二开关单元、一第三开关单元及一第四开关单元，该第一开关单元与该第二开关单元分别与一马达线圈的一端耦接，该第三开关单元与该第四开关单元分别与该马达线圈的另一端耦接，且该第一开关单元与该第三开关单元电性连接，该第二开关单元与该第四开关单元电性连接，

其中该控制电路于一第一操作期间，导通该第二开关单元与该第四开关单元，于一第二操作期间，导通该第一开关单元与该第四开关单元，并于一第三操作期间，导通该第二开关单元与该第三开关单元，且该储能电路于该第一操作期间接收该辅助电源，之后不断地重复第二、第三操作期间或不断地重复第三、第二操作期间，以实现马达的持续运转。

2.如权利要求1所述的驱动装置，其中该保护电路具有一第一保护单元及一第二保护单元。

3.如权利要求2所述的驱动装置，其中该第一保护单元及该第二保护单元分别为一二极管。

4.如权利要求1所述的驱动装置，其中该储能电路具有一第一电容器及一第二电容器。

5.如权利要求1所述的驱动装置，其中该桥式电路的该第一开关单元、该第二开关单元、该第三开关单元与该第四开关单元分别为一N型金属氧化物半导体场效应晶体管。

6.如权利要求1所述的驱动装置，其中该第一开关单元与该第三开关单元分别与一马达驱动电源电性连接。

7.如权利要求1所述的驱动装置，其中该第二开关单元与该第四开关单元分别与一接地端电性连接。

8.如权利要求1所述的驱动装置，其中该控制电路包括：

一第五开关单元，其栅极与该第一控制讯号电性连接，其源极接地；

一第一电阻器，具有第一端和第二端，其第一端与该保护电路电性连接；

一第二电阻器，其一端与该第一电阻器的第二端电性连接，而另一端与该第五开关单元的漏极电性连接；

一第六开关单元，其栅极分别与该第一电阻器的第二端、该第二电阻器的与该第一电阻器的第二端电性连接的一端电性连接，且第一电阻器的第一端与该储能电路电性连接，其源极与储能电路电性连接；

一第三电阻器，其一端与该第六开关单元的漏极电性连接，而该第三电阻器的另一端与该桥式电路的该第一开关单元的栅极电性连接；

一第四电阻器，其一端与该第三电阻器的另一端电性连接，而该第四电阻器的另一端与该桥式电路的该第一开关单元的源极电性连接；

一第七开关单元，其栅极与该第三控制讯号电性连接，其源极接地；

一第五电阻器，具有第三端和第四端，其第三端与该保护电路电性连接；

一第六电阻器，其一端与该第五电阻器的第四端电性连接，而另一端与该第七开关单元的漏极电性连接；

一第八开关单元，其栅极分别与该第五电阻器的第四端、该第六电阻器的与该第五电阻器的第四端电性连接的一端电性连接，且该第五电阻器的第三端与该储能电路电性连接，其源极与储能电路电性连接；

一第七电阻器，其一端与该第八开关单元的漏极电性连接，而该第七电阻器的另一端与该桥式电路的该第三开关单元的栅极电性连接；以及

一第八电阻器，其一端与该第七电阻器的另一端电性连接，而该第八电阻器的另一端与该桥式电路的该第三开关单元的源极电性连接。

9.如权利要求8所述的驱动装置，其中该第五开关单元及该第七开关单元分别为一N型金属氧化物半导体场效应晶体管，而该第六开关单元及该第八开关单元分别为一P型金属氧化物半导体场效应晶体管。

10.一种风扇用直流无刷马达的驱动方法，与一驱动装置配合应用，其中该驱动装置具有一保护电路、一储能电路、一控制电路及一桥式电路，该保护电路与一辅助电源电性连接，该储能电路与该保护电路电性连接，该控制电路与该保护电路及该储能电路电性连接，并分别接收一第一控制讯号、一第二控制讯号、一第三控制讯号及一第四控制讯号，该桥式电路与该控制电路电性连接，且该桥式电路具有一第一开关单元、一第二开关单元、一第三开关单元及一第四开关单元，其中该第一开关单元与该第二开关单元与一马达的一端耦接，该第三开关单元与该第四开关单元与该马达的另一端耦接，且该第一开关单元与该第三开关单元电性连接，该第二开关单元与该第四开关单元电性连接，该驱动方法包括：

于一第一操作期间，分别依据该第二控制讯号与该第四控制讯号而导通该第二开关单元及该第四开关单元，以使该储能电路于该第一操作期间接收该辅助电源，并储存之，并进入一第二操作期间及一第三操作期间其中之一；

于该第二操作期间，分别依据该第一控制讯号及该第四控制讯号而导通该第一开关单元与该第四开关单元，并进入该第三操作期间；以及

于该第三操作期间，分别依据该第二控制讯号及该第三控制讯号而导通该第二开关单元与该第三开关单元，并进入该第二操作期间；

之后不断地重复第二、第三操作期间或不断地重复第三、第二操作期间，以实现马达的持续运转。

11.如权利要求10所述的驱动方法，其中该第一控制讯号、该第二控制讯号、该第三控制讯号及该第四控制讯号为一PWM讯号或一直流电压讯号。

12.如权利要求10所述的驱动方法，其中该辅助电源的电压介于4至20伏特。