一种具备软启动和过流保护功能的直流风扇驱动电路的制作方法

1.本实用新型属于直流风扇驱动领域，具体涉及一种具备软启动和过流保护功能的直流风扇驱动电路。


背景技术：

2.在伺服驱动器，工控机，仪器仪表等产品中，低压直流风扇被广泛应用于机箱内部散热。由于工业产品长期处于高温，灰尘，异物掉入等异常应用工况下，风扇产品易出现短路，堵转等失效。当发生上述问题时，硬件驱动保护线路有效检测出故障发生，并做出响应保护。
3.现有的解决办法有:
4.使用专用的功率开关驱动芯片，例如英飞凌的bts462t，意法半导体vn820b5tr-e等，此类芯片内部集成了保护和驱动线路。
5.选用具备故障保护和软启动的功能的直流风扇产品，风扇内部集成了驱动和保护线路。
6.无论是选择专用驱动芯片或是选用内部集成功能的直流风扇，对硬件的成本敏感的产品是不友好的。而且功率开关驱动芯片，若要实现风扇的软启动，还需采样pwm的驱动方式，对单片机引脚的资配置有需求。


技术实现要素：

7.本实用新型所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种具备软启动和过流保护功能的直流风扇驱动电路。
8.为了解决技术问题，本实用新型的技术方案是：
9.一种具备软启动和过流保护功能的直流风扇驱动电路，包括：风扇，还包括：单片机、使能控制单元、软启动单元、驱动单元故障保护自动重启单元；
10.所述单片机信号连接所述故障保护自动重启单元的输入端和使能控制单元的输入端，所述使能控制单元的输出端和故障保护自动重启单元的输出端信号连接所述软启动单元的输入端，所述软启动单元的输出端信号连接所述驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端电连接所述风扇和所述故障保护自动重启单元的输入端；
11.所述使能控制单元对单片机发出的风扇的使能控制指令，进行电平和逻辑转换，得到转换后的信号，使驱动单元按照转换后的信号启动和停止启动；
12.所述驱动单元接收到转换后的信号后，按照正确的控制逻辑驱动风扇启动和停止启动，并承载风扇工作回路的负载电流；
13.所述软启动单元实时采样风扇工作回路的负载电流，在每次风扇启动瞬间，限制风扇的启动电流至风扇工作回路电流达到稳定工作电流，并且发生过流故障时，拉低所述驱动单元接收到的转换后的信号，及时断开风扇工作回路，达到过流保护的功能；
14.故障保护自动重启单元监测风扇工作回路的状态，关断驱动单元的风扇回路，待
收到软启动单元发送的故障消除信号后，自动重启驱动单元构成风扇工作回路；当风扇处于异常工作状态时，控制所述转换后的信号，使驱动单元构成风扇工作回路，达到自动重启的功能。
15.三极管q5,三极管q3和采样电阻r8组成的风扇软启动驱动线路，解决了风扇启动瞬间功率过大造成电源稳定性的问题；故障保护自重启单元线路带来的风扇发生持续过流故障时，驱动线路的保护功能；以及过流故障消除后无需断电重启或手动复位，驱动线路自动重启的功能。
16.进一步，所述故障保护自动重启单元包括：电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c3、电容c2、稳压二极管dz1、三极管q1和三极管q2；所述电阻r2的一端输入+24v电压，所述电阻r2的另一端接电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端接电容c3的一端和三极管q2的基极，所述电阻r3的一端输入风扇的使能控制信号，所述电容c3的另一端接三极管q2的发射极、电容c2的另一端、电阻r4的另一端和三极管q1的发射极，所述三极管q2的集电极接电容c2的一端、电阻r1的一端和稳压二极管dz1的输出端，所述稳压二极管dz1的输入端接电阻r4的一端和三极管q1的基极，所述电阻r4的另一端接地。
17.进一步，所述使能控制单元包括：电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c4和npn型三极管q4，所述电阻r5的一端和电阻r7的一端输入风扇的使能控制信号，所述电阻r5的另一端接入+24v电压，所述电阻r6的一端接电阻r5的另一端，所述电阻r6的另一端接npn型三极管q4的集电极，所述电阻r7的另一端接npn型三极管q4的基极和电容c4的一端，所述电容c4的另一端接npn型三极管q4的发射极。
18.进一步，所述软启动单元包括：电阻r8和三极管q5，所述三极管q5的集电极接npn型三极管q4的集电极和三极管q1的集电极，所述三极管q5的发射极接npn型三极管q4的发射极和电阻r8的另一端，所述电阻r8的一端接三极管q5的基极，所述电阻r8的另一端接地。
19.进一步，所述驱动单元包括：三极管q3、电容c1和风扇接口cnf1，所述三极管q3的基极接三极管q1的集电极，所述三极管q3的发射极接电阻r8的一端，所述三极管q3的集电极接电容c1的2端口、电阻r1的另一端和风扇接口cnf1的2脚，所述电容c1的1端口接+24v电压，所述电容c1的1端口接风扇接口cnf1的1脚。
20.进一步，当输入风扇的使能控制信号为高电平时，所述npn型三极管q4开启，所述三极管q3的基极电压被拉低，此时三极管q3的ce极关闭，风扇无完整回路，即风扇无法启动；当输入风扇的使能控制信号为低电平时，所述三极管q4的ce极关闭，所述三极管q3的基极电压由三极管q1和三极管q5的状态决定，当所述三极管q1和三极管q5均处于关断状态时，所述三极管q3的基极电平被拉高，此时q3的ce极开启，风扇构成完整回路，即风扇启动，在启动瞬间三极管q3工作在饱和区。
21.进一步，当输入风扇的使能控制信号为高电平时，所述三极管q2的ce极开通，所述三极管q2的c极电压为三极管q2的管压降vce；当风扇的使能控制信号转换为低电平时且风扇工作回路无过流故障时，三极管q3打开，风扇开启；同时三极管q2的ce极关断，三极管q3的ce极被开通，三极管q3的c极电压被拉低；电容c2的电压低于稳压二极管dz1的稳定电压，三极管q1不会被打开；则三极管q3驱动的风扇工作回路正常工作；
22.如果风扇存在堵转或短路因素，造成风扇工作回路持续过流；利用电阻r8采样电流，使三极管q5开通，三极管q3的ce极关闭截至，三极管q3的c极电压升高，通过电阻r1给电
容c2充电，当c2电容积累的电压超过稳压二极管dz1的稳定电压后，三极管q1的基极电流流过，三极管q1的ce极开通，拉低三极管q3的基极电压，使q3的ce端关断，风扇回路断开；
23.当堵转或短路因素解除后，电阻r8采样电流降低，风扇线路自动进入软启动工作状态。
24.进一步，当风扇因启动瞬时电流过大，使风扇的工作回路发生过流异常时，所述电阻r8采样风扇工作回路电流，使三极管q5的基极电压升高，三极管q5的ce极开通，同时拉低三极管q3的基极电压，使三极管q3的ce极电流下降，达到限流的效果；此时，三极管q3和三极管q5工作在放大区或截止区；
25.当风扇的工作回路发生的过流异常消除时，所述电阻r8采样风扇工作回路电流，所述三极管q5的基极电压下降至三极管q5的ce极关断；此时，所述三极管q3的基极电压上升，三极管q3的ce极电流上升，达到限流软启动的功能；当风扇开启瞬间，三极管q3工作在饱和区。
26.进一步，所述风扇接口cnf1的1脚接风扇的正极，所述风扇接口cnf1的2脚接风扇的负极，所述电容c1为风扇电源滤波电容，用于消除风扇开启和关断时造成的电压下陷和过冲。
27.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
28.本实用新型具备软启动，过流保护，自动重启功能。整个硬件线路利用基本的二三极管和电阻、电容构成，无需专用的驱动保护芯片。具备成本低廉，稳定可靠的优点；本实用新型给出的硬件线路解决方案，仅需使用阻容加二三极管等分立元件，即可实现风扇过流保护功能，具有较大的成本优势。在堵转异常解除后，该硬件线路可以驱动风扇重新工作，无需断电或复位。并且风扇每次启动方式均为软启动，避免启动瞬时功率过大造成电压下陷，输出过载等电源干扰问题，影响系统工作可靠性。
附图说明
29.图1、本实用新型一种具备软启动和过流保护功能的直流风扇驱动电路的系统框图；
30.图2、本实用新型一种具备软启动和过流保护功能的直流风扇驱动电路的电路连接图；
31.图3、无软启动功能的线路仿真图；
32.图4、有软启动功能的线路仿真图；
33.图5、模拟风扇断路故障仿真图。
具体实施方式
34.下面结合实施例描述本实用新型具体实施方式：
35.需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
36.同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦
仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
37.实施例1：
38.如图1所示，一种具备软启动和过流保护功能的直流风扇驱动电路，包括：风扇即低压直流风扇，还包括：单片机、使能控制单元、软启动单元、驱动单元故障保护自动重启单元；
39.所述单片机信号连接所述故障保护自动重启单元的输入端和使能控制单元的输入端，所述使能控制单元的输出端和故障保护自动重启单元的输出端信号连接所述软启动单元的输入端，所述软启动单元的输出端信号连接所述驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端电连接所述风扇和所述故障保护自动重启单元的输入端；
40.所述使能控制单元对单片机发出的风扇的使能控制指令，进行电平和逻辑转换，得到转换后的信号，使驱动单元按照转换后的信号启动和停止启动；
41.所述驱动单元接收到转换后的信号后，按照正确的控制逻辑驱动风扇启动和停止启动，并承载风扇工作回路的负载电流；
42.所述软启动单元实时采样风扇工作回路的负载电流，在每次风扇启动瞬间，限制风扇的启动电流至风扇工作回路电流达到稳定工作电流，并且发生过流故障时，拉低所述驱动单元接收到的转换后的信号，及时断开风扇工作回路，达到过流保护的功能；
43.故障保护自动重启单元监测风扇工作回路的状态，关断驱动单元的风扇回路，待收到软启动单元发送的故障消除信号后，自动重启驱动单元构成风扇工作回路；当风扇处于正常启动但未启动的异常工作状态时，控制所述转换后的信号，使驱动单元构成风扇工作回路，达到自动重启的功能。
44.三极管q5,三极管q3和采样电阻r8组成的风扇软启动驱动线路，解决了风扇启动瞬间功率过大造成电源稳定性的问题；故障保护自重启单元线路带来的风扇发生持续过流故障时，驱动线路的保护功能；以及过流故障消除后无需断电重启或手动复位，驱动线路自动重启的功能。
45.进一步，如图2所示，所述故障保护自动重启单元包括：电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c3、电容c2、稳压二极管dz1、三极管q1和三极管q2；所述电阻r2的一端输入+24v电压，所述电阻r2的另一端接电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端接电容c3的一端和三极管q2的基极，所述电阻r3的一端输入风扇的使能控制信号，所述电容c3的另一端接三极管q2的发射极、电容c2的另一端、电阻r4的另一端和三极管q1的发射极，所述三极管q2的集电极接电容c2的一端、电阻r1的一端和稳压二极管dz1的输出端，所述稳压二极管dz1的输入端接电阻r4的一端和三极管q1的基极，所述电阻r4的另一端接地。
46.进一步，如图2所示，所述使能控制单元包括：电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c4和npn型三极管q4，所述电阻r5的一端和电阻r7的一端输入风扇的使能控制信号，所述电阻r5的另一端接入+24v电压，所述电阻r6的一端接电阻r5的另一端，所述电阻r6的另一端接npn型三极管q4的集电极，所述电阻r7的另一端接npn型三极管q4的基极和电容c4的一端，所述电容c4的另一端接npn型三极管q4的发射极。
47.进一步，如图2所示，所述软启动单元包括：电阻r8和三极管q5，所述三极管q5的集电极接npn型三极管q4的集电极和三极管q1的集电极，所述三极管q5的发射极接npn型三极
管q4的发射极和电阻r8的另一端，所述电阻r8的一端接三极管q5的基极，所述电阻r8的另一端接地。
48.进一步，如图2所示，所述驱动单元包括：三极管q3、电容c1和风扇接口cnf1，所述三极管q3的基极接三极管q1的集电极，所述三极管q3的发射极接电阻r8的一端，所述三极管q3的集电极接电容c1的2端口、电阻r1的另一端和风扇接口cnf1的2脚，所述电容c1的1端口接+24v电压，所述电容c1的1端口接风扇接口cnf1的1脚。
49.进一步，当输入风扇的使能控制信号为高电平时，所述npn型三极管q4开启，所述三极管q3的基极电压被拉低，此时三极管q3的ce极关闭，风扇无完整回路，即风扇无法启动；当输入风扇的使能控制信号为低电平时，所述三极管q4的ce极关闭，所述三极管q3的基极电压由三极管q1和三极管q5的状态决定，当所述三极管q1和三极管q5均处于关断状态时，所述三极管q3的基极电平被拉高，此时q3的ce极开启，风扇构成完整回路，即风扇启动，在启动瞬间三极管q3工作在饱和区。
50.进一步，当输入风扇的使能控制信号为高电平时，所述三极管q2的ce极开通，所述三极管q2的c极电压为三极管q2的管压降vce；当风扇的使能控制信号转换为低电平时且风扇工作回路无过流故障时，三极管q3打开，风扇开启；同时三极管q2的ce极关断，三极管q3的ce极被开通，三极管q3的c极电压被拉低；电容c2的电压低于稳压二极管dz1的稳定电压，三极管q1不会被打开；则三极管q3驱动的风扇工作回路正常工作；
51.如果风扇存在堵转或短路因素，造成风扇工作回路持续过流；利用电阻r8采样电流，使三极管q5开通，三极管q3的ce极关闭截至，三极管q3的c极电压升高，通过电阻r1给电容c2充电，当c2电容积累的电压超过稳压二极管dz1的稳定电压后，三极管q1的基极电流流过，三极管q1的ce极开通，拉低三极管q3的基极电压，使q3的ce端关断，风扇回路断开；
52.当堵转或短路因素解除后，电阻r8采样电流降低，风扇线路自动进入软启动工作状态。
53.进一步，当风扇因启动瞬时电流过大，使风扇的工作回路发生过流异常时，所述电阻r8采样风扇工作回路电流，使三极管q5的基极电压升高，三极管q5的ce极开通，同时拉低三极管q3的基极电压，使三极管q3的ce极电流下降，达到限流的效果；此时，三极管q3和三极管q5工作在放大区或截止区；
54.当风扇的工作回路发生的过流异常消除时，所述电阻r8采样风扇工作回路电流，所述三极管q5的基极电压下降至三极管q5的ce极关断；此时，所述三极管q3的基极电压上升，三极管q3的ce极电流上升，达到限流软启动的功能；当风扇开启瞬间，三极管q3工作在饱和区。
55.进一步，所述风扇接口cnf1的1脚接风扇的正极，所述风扇接口cnf1的2脚接风扇的负极，所述电容c1为风扇电源滤波电容，用于消除风扇开启和关断时造成的电压下陷和过冲。
56.实施例2：
57.如图3所示，线路原理图仿真，无软启动功能，风扇启动瞬时，驱动三极管集电极电流峰值2.75a。
58.如图4所示，本实施例的软启动功能，风扇启动瞬时，驱动三极管集电极电流峰值0.33a。
59.如图5所示，仿真模拟风扇断路故障；风扇使能期间，发生故障时进入过流保护；故障消除后，自动进入软启动恢复，符合设计要求。实际应用测试与仿真结果一致。
60.三极管q5,三极管q3和采样电阻r8组成的风扇软启动驱动线路，解决了风扇启动瞬间功率过大造成电源稳定性的问题；
61.故障保护自重启单元线路带来的风扇发生持续过流故障时，驱动线路的保护功能；以及过流故障消除后无需断电重启或手动复位，驱动线路自动重启的功能；
62.本实用新型线路图中相同的线路原理，通过更换其他类似参数元器件也可实现的线路设计。例如更换稳压二极管dz1，以修改触发进入过流保护的电压门限；又例如更换电阻r1和电容c2的规格，以降低或提高触发进入过流保护的延时时间。
63./fan_en为风扇的使能控制信号，输入低电平时，风扇使能开启；输入高电平+24v时，风扇使能关闭。
64.风扇驱动单元：cnf1为风扇的接口，其中1脚接直流风扇的正极，2脚接直流风扇的负极，电容c1为风扇电源滤波电容，用来消除风扇开启和关断时造成的电压下陷和过冲。
65.风扇使能控制单元：由电阻r5，r6,r7,电容c4，npn型的三极管q4组成。当/fan_en信号为高电平时，三极管q4开启，三极管q3的基极b电压被拉低，三极管q3的ce极关闭，风扇无完整回路，风扇无法启动。当/fan_en信号为低电平时，三极管q4的ce极关闭，三极管q3的基极电压视三极管q1和三极管q5状态决定，q1和q5均处于关断状态时，q3的基极b电平被拉高，q3的ce极开启，风扇构成完整回路，风扇启动，启动瞬间三极管q3工作在饱和区。
66.风扇软启动单元：由电阻r8和三极管q5组成。当风扇因启动瞬时电流过大，使风扇工作回路发生过流异常时。电阻r8采样电流，使三极管q5的基极b电压升高，ce极开通，同时拉低三极管q3的基极电压，使q3的ce极电流下降，达到限流的效果。当过流异常消除时，电阻r8采样电流，三极管q5的基极b电压下降至ce极关断，三极管q3的基极电压上升，ce极电流上升，达到限流软启动的功能，此阶段风扇开启瞬间，q3工作在饱和区；限流动作时，q3和q5工作在放大区或截止区。
67.故障保护自动重启单元：由电阻r1,r2,r3,r4,电容c1,c2，稳压二极管dz1，三极管q1,q2组成。当风扇使能控制信号/fan_en信号为高电平时，三极管q2的ce极开通，三极管q2的c极电压仅为q2的管压降vce。当风扇使能控制信号/fan_en信号转换为低电平，且风扇工作回路无过流故障时，三极管q3打开风扇开启，同时三极管q2的ce极关断，由于q3的ce极被开通，q3的c极电压被拉低，电容c2的电压低于稳压二极管dz1的稳定电压，不会导致q1打开；q3驱动的风扇工作回路正常工作。如果风扇堵转或者短路等因素，造成风扇工作回路持续过流，电阻r8采样电流，使q5开通，q3的ce极关闭截至后，q3的c极电压升高，通过电阻r1给电容c2充电，当c2电容积累的电压超过稳压二极管dz1的稳定电压后，三极管q1的基极电流流过，ce极开通，拉低三极管q3的基极电压，使q3的ce端关断，风扇回路断开。堵转或短路状态解除后，电阻r8采样电流降低，风扇线路自动进入软启动工作状态。
68.上面对本实用新型优选实施方式作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
69.不脱离本实用新型的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本实用新型不限于特定的实施方式，本实用新型的范围由所附权利要求限定。