马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法与流程

1.本发明涉及电流限制保护系统及方法，特别是涉及用以保护单相马达的桥式驱动电路的一种马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法。


背景技术：

2.在众多电子产品中，电路组件运作过程中会发热，特别是在服务器的密闭机壳中，每个电路组件运作所产生的热气在密闭机壳内循环，加热其他电路组件，导致电路组件过热烧毁。因此，在电子产品内，必须设有风扇，用以冷却电子产品内的电路组件。
3.然而，在风扇内，控制电路控制马达驱动电路以驱动马达运转以带动风扇的扇叶转动的过程中，密闭机壳内循环的热空气会加热马达驱动电路的多个晶体管。此外，在控制电路切换晶体管的过程中，可能因为电流过高，导致接收共享电压的晶体管烧毁。因此，需在适当时机限制流经晶体管的电流。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种马达前置驱动器的电流限制保护系统，适用于单相马达的桥式驱动电路。桥式驱动电路包含多个开关组件。多个开关组件包含第一上桥开关、第一下桥开关、第二上桥开关以及第二下桥开关。第一上桥开关的第一端和第二上桥开关的第一端耦接共享电压。第一上桥开关的第二端以及第一下桥开关的第一端之间的第一节点连接单相马达的第一端。第二上桥开关的第二端以及第二下桥开关的第一端之间的第二节点连接单相马达的第二端。第二上桥开关的第二端以及第二下桥开关的第二端连接一感测电阻的第一端。感测电阻的第二端接地。马达前置驱动器的电流限制保护系统包含电流限制电路以及控制电路。电流限制电路连接感测电阻的第一端。电流限制电路配置以检测感测电阻的电流，接着比较感测电阻的电流与电流阀值以输出电流比较信号。控制电路连接各开关组件的控制端以及电流限制电路。控制电路配置以依据电流比较信号，输出多个控制信号分别至多个开关组件，以开启或关闭多个开关组件。当控制电路依据电流比较信号判断感测电阻的电流大于电流阀值，并且目前时间到达第一节点的第一信号或第二节点的第二信号的最大工作周期区间时，控制电路执行休息保护程序，以在一固定时间内维持关闭第一上桥开关以及第二上桥开关，并轮流开启第一下桥开关以及第二下桥开关。
5.在一实施方案中，在感测电阻的电流大于电流阀值的第一信号的最大工作周期区间内，电流从第一上桥开关流至单相马达，接着经过第二下桥开关流至感测电阻，而在感测电阻的电流大于电流阀值的第二信号的最大工作周期区间内，电流从第二上桥开关流至单相马达，接着经过第一下桥开关流至感测电阻。
6.在一实施方案中，在最大工作周期区间内，控制电路依据电流比较信号的电平，以计数电流限制电路比较感测电阻的电流大于电流阀值的次数，判断次数到达次数阀值时，执行休息保护程序。
7.在一实施方案中，第一信号以及第二信号的每一者具有多个最大工作周期区间，控制电路依据电流比较信号的电平，以计数感测电阻的电流大于电流阀值的连续最大工作周期区间的数量，判断数量大于数量阀值时，执行休息保护程序。
8.在一实施方案中，第一信号以及第二信号的每一者具有多个最大工作周期区间，控制电路依据电流比较信号，以判断感测电阻的电流在各最大工作周期区间内大于电流阀值的次数到达次数阀值，并且感测电阻的电流大于电流阀值的连续最大工作周期区间的数量到达数量阀值时，执行休息保护程序。
9.另外，本发明提供一种马达前置驱动器的电流限制保护方法，适用于单相马达的桥式驱动电路。桥式驱动电路包含多个开关组件。多个开关组件包含第一上桥开关、第一下桥开关、第二上桥开关以及第二下桥开关。第一上桥开关的第一端和第二上桥开关的第一端耦接共享电压。第一上桥开关的第二端以及第一下桥开关的第一端之间的第一节点连接单相马达的第一端。第二上桥开关的第二端以及第二下桥开关的第一端之间的第二节点连接单相马达的第二端。第二上桥开关的第二端以及第二下桥开关的第二端连接一感测电阻的第一端。感测电阻的第二端接地。马达前置驱动器的电流限制保护方法包含以下步骤：检测感测电阻的电流；判断感测电阻的电流是否大于一电流阀值，若否，回到上一步骤，若是，执行下一步骤；判断目前时间是否到达第一节点的第一信号或第二节点的第二信号的最大工作周期区间内且第一信号或第二信号的工作周期等于默认周期，若否，切换多个开关组件，调整第一信号或第二信号的工作周期，以限制流经各开关组件的电流，控制单相马达稳定地运转，接着回到上一步骤，若是，执行下一步骤；在一固定时间内，关闭第一上桥开关以及第二上桥开关，轮流开启第一下桥开关以及第二下桥开关；以及在此固定时间结束时，自动再次开启第一上桥开关或第二上桥开关，控制单相马达稳定地运转。
10.在一实施方案中，马达前置驱动器的电流限制保护方法还包含以下步骤：在第一信号的最大工作周期区间内，使电流从第一上桥开关流至单相马达，接着经过第二下桥开关流至感测电阻，而在第二信号的最大工作周期区间内，使电流从第二上桥开关流至单相马达，接着经过第一下桥开关流至感测电阻。
11.在一实施方案中，马达前置驱动器的电流限制保护方法还包含以下步骤：计数在最大工作周期区间内，感测电阻的电流大于电流阀值的一次数；以及判断次数是否到达次数阀值，若否，回到上一步骤，若是，执行休息保护程序。
12.在一实施方案中，马达前置驱动器的电流限制保护方法还包含以下步骤：多次检测感测电阻的电流；多次比较感测电阻的电流与电流阀值，以输出电流比较信号的多个波形；计数在第一信号或第二信号中，连续多少个最大工作周期区间内感测电阻的电流大于电流阀值，以取得数量；以及判断数量是否大于数量阀值，若否，回到上一步骤，若是，执行休息保护程序。
13.如上所述，本发明提供一种马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法，其具有以下主要特点：
14.检测与马达相连接的感测电阻，以检测马达的电流；
15.通过马达前置驱动电路将感测电阻的电流与电流阀值比较，以判断在马达的信号的最大工作周期区间内，是否发生电流限制(current-limit)；
16.若电流限制发生在最大工作周期区间以外的时间内，仅执行电流限制程序，若电
流限制发生在最大工作周期区间内，则强制执行休息保护程序，以预防桥式驱动电路的多个开关组件例如晶体管操作温度过高。
17.为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
18.图1为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统的方框图。
19.图2为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护方法的步骤流程图。
20.图3为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法所检测的单相马达的霍尔信号、换相信号、第一信号以及第二信号的信号波形图。
21.图4为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法检测的单相马达的霍尔信号、换相信号、第一信号、第二信号以及限流信号的信号波形图。
22.图5为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法驱动单相马达运转在稳态模式下的驱桥式驱动电路的切换示意图。
23.图6为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法执行休息保护程序时的单相马达的驱桥式驱动电路的切换示意图。
24.图7为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法在第一信号和第二信号的多个最大工作周期区间内各多次对比电流与电流阀值的第一示意图。
25.图8为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法在第一信号和第二信号的多个最大工作周期区间内各多次对比电流与电流阀值的第二示意图。
具体实施方式
26.以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包含相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
27.请参阅图1，其为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统的方框图。
28.如图1所示，本发明实施例的电流限制保护系统可包含电流限制电路10以及控制电路20，可设于马达前置驱动器100内。控制电路20连接电流限制电路10以及桥式驱动电路hbdv。电流限制电路10连接感测电阻rs。单相马达mt连接桥式驱动电路hbdv以及感测电阻rs。
29.桥式驱动电路hbdv可包含多个开关组件。这些开关组件可包含第一上桥开关h1、第一下桥开关l1、第二上桥开关h2以及第二下桥开关l2，每一者的控制端连接控制电路20，以由控制电路20分别输出多个控制信号m1p、m1n、m2p、m2n以分别控制第一上桥开关h1、第一下桥开关l1、第二上桥开关h2以及第二下桥开关l2运作。
30.举例而言，如图1所示，第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2为pmos(p-型金属氧
化物半导体)晶体管，而第一下桥开关l1以及第二下桥开关l2则为nmos晶体管，在此仅举例说明，本发明不以此为限。
31.第一上桥开关h1的第一端和第二上桥开关h2的第一端耦接共享电压vcc。第一上桥开关h1的第二端连接第一下桥开关l1的第一端。第一上桥开关h1的第二端以及第一下桥开关l1的第一端之间的第一节点out1连接单相马达mt的第一端，即单相马达mt的电感l的第一端。电感l的第二端连接单相马达mt的电阻r的第一端。
32.第二上桥开关h2的第二端连接第二下桥开关l2的第一端。第二上桥开关h2的第二端以及第二下桥开关l2的第一端之间的第二节点out2连接单相马达mt的第二端，即单相马达mt的电阻r的第二端。第一下桥开关l1的第二端以及第二下桥开关l2的第二端连接感测电阻rs的第一端。感测电阻rs的第二端接地。
33.请一并参阅图1至图6，其中图2为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护方法的步骤流程图。
34.如图2所示，本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护方法可包含步骤s101至s115，可由如图1所示的电流限制电路10以及控制电路20对单相马达mt执行，如下具体说明。
35.在步骤s101，利用控制电路20控制桥式驱动电路hbdv，以驱动单相马达mt稳定地运转在稳态模式下。
36.如图3和图4所示的换相信号phs，指出单相马达mt是根据霍尔传感器所感测的霍尔信号h+、h-的转态而进行换相。在本文中，换相信号phs的上缘和下缘的时间点皆作为换相时间点。在如图4所示的换相信号phs的休息保护时间tclf之前的时间内，利用控制电路20控制桥式驱动电路hbdv，驱动单相马达mt运转在稳态模式下。
37.举例而言，如图4和图5所示，在换相信号phs的非工作周期时间t02、t04、t06、t08内，即换相信号phs为第一参考电平例如低电平(实际上可为高电平)时，利用控制电路20关闭第一上桥开关h1以及第二下桥开关l2，而开启第二上桥开关h2以及第一下桥开关l1，以实现第一换相作业，使电流i1从第二上桥开关h2经过单相马达mt流至第一下桥开关l1，接着流至感测电阻rs。
38.接着，当目前时间到达换相信号phs的一换相时间点，例如到达换相信号phs从低电平转为高电平的正缘(实际上可为负缘)的时间点时，进行第二换相作业。详言之，在换相信号phs的工作周期时间t01、t03、t05以及时间点t07a至时间点t07b之间的时间区间内，即换相信号phs为第二参考电平例如高电平(实际上可为低电平)时，利用控制电路20关闭第二上桥开关h2以及第一下桥开关l1，而开启第一上桥开关h1以及第二下桥开关l2，以实现第二换相作业。其结果为，电流i2从第一上桥开关h1经过单相马达mt流至第二下桥开关l2，接着流至感测电阻rs。
39.也就是说，在稳态模式下，控制电路20可反复进行切换桥式驱动电路hbdv，以反复轮流执行上述第一换相作业以及第二换相作业，控制测单相马达mt稳定地运作在稳定模式下。
40.在步骤s103，利用电流限制电路10检测单相马达mt的感测电阻rs的电流is。
41.在步骤s105，利用电流限制电路10比较感测电阻rs的电流is与电流阀值以输出电流比较信号，利用控制电路20依据电流比较信号的电平，以判断感测电阻rs的电流is是否
大于电流阀值。若感测电阻rs的电流is不大于电流阀值，例如电流比较信号为低电平时，再次执行步骤s103。相反地，若感测电阻rs的电流is大于电流阀值，例如电流比较信号为高电平时，接着执行步骤s107。
42.在步骤s107，利用控制电路20判断目前时间是否到达第一节点out1的第一信号ot1s或第二节点out2的第二信号ot2s的最大工作周期区间mduty内。在最大工作周期区间mduty，第一信号ot1s或第二信号ot2s的工作周期等于默认周期例如50％。若否，再次执行步骤s103。若是，接着依序执行步骤s109至s115的休息保护程序。
43.详言之，如图3所示，第一信号ot1s以及第二信号ot2s的每一周期波形可能各具有最大工作周期区间mduty、第一软切换(soft switching)区间tf1、第一关闭时间区间tf1、第二软切换区间ts2以及第二关闭时间区间tf2。
44.第一信号ot1s以及第二信号ot2s的工作周期在第一关闭时间区间tf1内为零，接着到达第一软切换区间ts1内，藉由控制电路20对桥式驱动电路hbdv的软切换，缓缓地增加，直到进入最大工作周期区间mduty时，增加至默认周期例如50％。在最大工作周期区间mduty结束之后，到达第二软切换区间ts2内，藉由控制电路20对桥式驱动电路hbdv的软切换，缓缓地降低第一信号ot1s以及第二信号ot2s的工作周期，直到在第二关闭时间区间tf2内降低。
45.如图4所示的高电平的限流信号cl1代表感测电阻rs的电流is大于电流阀值时，执行限流程序。在限流程序中，可利用控制电路20切换第一上桥开关h1、第一下桥开关l1、第二上桥开关h2以及第二下桥开关l2中的一者或多者，以在驱动单相马达mt运转在稳态模式下，限制流经各开关组件的电流。
46.在稳态时间tcl内，感测电阻rs的电流is大于电流阀值皆发生在最大工作周期区间mduty以外的时间内，例如第一软切换区间ts1、第一关闭时间区间tf1、第二软切换区间ts2或第二关闭时间区间tf2内。在此情况下，所执行的限流程序被认为是正常程序。
47.然而，值得注意的是，在第一信号ot1s以及第二信号ot2s的任何最大工作周期区间mduty内，皆不允许执行限流程序。如图4所示虚线圆圈所圈起部分所示，在第一信号ot1s的第四个波形的最大工作周期区间mduty内，执行的限流程序被认为是非正常程序。
48.因此，利用电流限制电路10判断感测电阻rs的电流is在最大工作周期区间mduty内大于电流阀值时，在图5所示的时间点t07b输出高电平的电流比较信号cl1。控制电路20依据高电平的电流比较信号cl1时，从时间点t07b，开始依序执行步骤s109至s115的休息保护程序。
49.在步骤s109，利用控制电路20在休息保护时间tclf中的时间点t07b至时间点trp1的一时间区间内，此时换相信号phs为高电平(实际上可替换为低电平)时，关闭第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2。其结果为，单相马达mt呈惯性运转。
50.在步骤s111，利用控制电路20判断是否到达换相信号phs的下一换相时间点trp1，以决定是否开始轮流切换第一下桥开关l1以及第二下桥开关l2。若否，回到执行步骤s109。若是，接着执行步骤s113。
51.在步骤s113，利用控制电路20维持关闭第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2，并依据换相信号phs的电平，轮流切换第一下桥开关l1以及第二下桥开关l2，使单相马达mt的转速逐渐下降，直到风扇停转时，接着执行步骤s115。
52.详言之，利用控制电路20如图6所示在换相信号phs的下一换相时间点trp1开始至下一换相时间点trp2之间的时间t12内，即换相信号phs为低电平时(实际上可替换为高电平)内，开启第一下桥开关l1，并关闭第二下桥开关l2，维持关闭第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2。
53.利用控制电路20如图6所示在换相信号phs的下一换相时间点trp2开始至又下一换相时间点trp3之间的时间t23内，即换相信号phs为高电平时(实际上可替换为低电平)内，关闭第一下桥开关l1，并开启第二下桥开关l2，维持关闭第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2。
54.接着，当目前时间到达换相信号phs的又再下一换相时间点trp3，即换相信号phs的正缘(实际上可能替换为换相信号phs的负缘)的时间点时，利用控制电路20关闭第二下桥开关l2，开启第一下桥开关l1，而第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2维持关闭状态，维持一段时间t34。
55.也就是说，如图6所示，在休息保护时间tclf内，维持关闭第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2，且轮流开启第一下桥开关l1以及第二下桥开关l2，以实现休息保护程序。在本实施例中，举例在换相信号phs为低电平时，即换相信号phs的非工作周期时间例如t12、t34内，开启第一下桥开关l1并关闭第二下桥开关l2，而在换相信号phs为高电平，即换相信号phs的工作周期时间例如t13内，则开启第二下桥开关l2，并关闭第一下桥开关l1。
56.然而，若在最大工作周期区间mduty内执行限流程序后，目前时间先到达的换相时间点为换相信号phs的正缘的时间点，而非如图6所示为负缘的时间点，则是关闭第一下桥开关l1，而开启第二下桥开关l2。接着，当目前时间到达换相信号phs的下一换相时间点(正缘的时间点)时，关闭第二下桥开关l2，开启第一下桥开关l1。
57.应理解，本发明不受限于换相信号phs的电平。实际上，可依据实际应用需求，适当地设定在换相信号phs到达高电平还是低电平时，触发执行桥式驱动电路hbdv的本文所述的任一切换作业。
58.在步骤s115，维持风扇停转一段固定时间，然后回到步骤s101，利用控制电路20切换桥式驱动电路hbdv，以重启单相马达mt运转在前述的稳态模式下。
59.请参阅图7，其为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法在第一信号和第二信号的多个最大工作周期区间内各多次对比电流与电流阀值的第一示意图。
60.为方便说明，在图7中，将如图3所示的第一信号ot1s以及第二信号ot2s的最大工作周期区间mduty，如图6所示与换相信号phs对准重叠，其中第二信号ot2s的最大工作周期区间mduty对准换相信号phs的低电平，而第一信号ot1s的最大工作周期区间mduty对准换相信号phs的高电平。
61.如上所述，每当控制电路20判断在第一信号ot1s或第二信号ot2s的最大工作周期区间mduty内，感测电阻rs的电流is大于电流阀值时，即执行休息保护程序。即，在第一信号ot1s以及第二信号ot2s每一者的各最大工作周期区间mduty仅将检测到的感测电阻rs的电流is与电流阀值比较一次。
62.然而，如图7所示，电流限制电路10持续检测电流限制电路10，以在最大工作周期区间mduty内的不同时间点分别检测多个电流，并比较每个电流与电流阀值以输出电流比
较信号。即，在第一信号ot1s以及第二信号ot2s每一者的各最大工作周期区间mduty将检测到的感测电阻rs的电流is与电流阀值比较多次。
63.接着，控制电路20依据电流比较信号的电平例如高电平，即电流比较信号的波形的数量，以计数电流限制电路10比较在每个最大工作周期区间mduty内，感测电阻rs的电流is大于电流阀值的次数，判断此次数(例如图7所示为2次)到达一次数阀值时，执行休息保护程序。
64.或者，控制电路20依据电流比较信号的电平，以计数有多少个连续的第一信号ot1s以及第二信号ot2s的最大工作周期区间mduty内的感测电阻rs的电流is大于电流阀值。当控制电路20判断计数的最大工作周期区间mduty的数量大于一数量阀值时，执行休息保护程序。
65.又或者，如本实施例，将前述两者条件皆作为执行休息保护程序的条件。即，控制电路20依据电流比较信号，以判断感测电阻rs的电流is在每个最大工作周期区间mduty内大于电流阀值的次数(第一计数值)到达一次数阀值例如2次，并且感测电阻rs的电流is大于电流阀值的连续最大工作周期区间mduty的数量(第二计数值)到达一数量阀值例如4次时，执行休息保护程序。
66.举例而言，在本实施例中，如图7所示，在第二信号ot2s的每个最大工作周期区间mduty内，在两个不同时间点所检测的感测电阻rs的电流is皆大于电流阀值时，第一计数值为2，开始计数信号cct1从低电平转为高电平，代表控制电路20依据电流比较信号开始计数第二计数值。
67.接着，如图7所示，当第二信号ot2s的连续数量阀值例如四个最大工作周期区间mduty的每一者内，皆发生在两个不同时间点所检测的感测电阻rs的电流is皆大于电流阀值时，第二计数值为4。在此情况下，如图7所示的休息保护程序启动信号cln1从低电平转为高电平，代表开始执行休息保护程序。
68.请参阅图8，其为本发明实施例的马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法在第一信号和第二信号的多个最大工作周期区间内各多次对比电流与电流阀值的第二示意图。
69.控制电路20依据电流比较信号，以判断感测电阻rs的电流is在每个最大工作周期区间mduty内大于电流阀值的次数(第一计数值)到达次数阀值例如开始计数信号cct2所指示的3次(次数阀值)，并且感测电阻rs的电流is大于电流阀值的连续最大工作周期区间mduty的数量(第二计数值)到达休息保护程序启动信号cln2所指示的8个(数量阀值)时，如图8所示的从低电平转为高电平。此时，开始执行休息保护程序，以关闭第一上桥开关h1以及第二上桥开关h2，依据换相信号phs的电平轮流开启第一下桥开关l1以及第二下桥开关l2。
70.在本实施例中，举例次数阀值为3，而数量阀值为8，仅是举例说明，本发明不以此为限。实际上，可依据实际需求设定次数阀值以及数量阀值的大小。
71.在执行休息保护程序过程中，单相马达mt的转速逐渐下降，直到当控制电路20判断单相马达mt的转速下降使风扇停转时，停止执行休息保护程序，如图8所示的从高电平转为低电平。此时，如图8所示的上锁信号sff从低电平转为高电平，将单相马达mt维持停转一段时间后，再次驱动单相马达mt，使风扇回复稳定运转。
72.综上所述，本发明提供一种马达前置驱动器的电流限制保护系统及方法，其具有以下主要特点：
73.检测与马达相连接的感测电阻，以检测马达的电流；
74.通过马达前置驱动电路将感测电阻的电流与电流阀值比较，以判断在马达的信号的最大工作周期区间内，是否发生电流限制(current-limit)；
75.若电流限制发生在最大工作周期区间以外的时间内，仅执行电流限制程序，若电流限制发生在最大工作周期区间内，则强制执行休息保护程序，以预防桥式驱动电路的多个开关组件例如晶体管操作温度过高。
76.以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求范围，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求范围内。