风扇保护电路的制作方法

1.本公开涉及电子电路领域，更具体地，涉及具有改进性能的风扇保护电路。


背景技术：

2.电气设备中经常出于例如散热等目的而使用(直流)风扇。为避免风扇烧坏，需要提供过流/短路保护功能。通常，这种功能由风扇的供电电源提供。例如，当风扇出现过流/短路时，供电电源触发过流/短路保护，切断供电。但是，这会影响整个电气设备的供电，使电气设备不能正常工作。另外，电气设备也不能提供风扇过流/短路报警。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种具有改进性能的风扇保护电路。
4.根据本公开的实施例，提供了一种风扇保护电路，包括：连接在风扇的供电通道中的开关器件，被配置为根据风扇控制信号的有效与否而连通或断开风扇的供电通道；连接在风扇的供电通道中的电流采样部件，被配置为采样风扇的供电通道中流过的电流；自锁电路，被配置为当电流采样部件所采样的电流超过预定阈值时被触发而进入自锁状态，并在自锁状态下持续提供保护关断信号，其中，自锁电路和开关器件被连接为自锁电路提供的保护关断信号能够覆盖风扇控制信号而使开关器件断开风扇的供电通道。
5.自锁电路还可以被配置为在进入自锁状态时提供报警信号。
6.风扇控制信号可以来自风扇保护电路所在的电气设备中的控制器，报警信号可以被发送至该控制器。控制器与风扇保护电路之间可以是电气隔离的。
7.自锁电路可以包括pnp三极管和npn三极管，其中pnp三极管的基极连接至npn三极管的集电极，npn三极管的基极连接至pnp三极管的集电极。电流采样部件可以包括电阻器，电阻器可以被连接为电阻器上的电压被施加至npn三极管的基极-发射极，pnp三极管的发射极可以用于提供报警信号。
8.该风扇保护电路还可以包括rc滤波器，其中电阻器上的电压可以经过rc滤波器进行滤波之后被施加至npn三极管的基极-发射极。
9.该风扇保护电路还可以包括：放大器，被配置为放大电阻器上的电压；比较器，被配置为将经放大的电压与预定基准电压进行比较，其中，比较器的输出被施加至npn三极管的基极-发射极，pnp三极管的发射极用于提供报警信号。
10.开关器件可以包括控制端子，用于控制开关器件的接通或关断。该风扇保护电路还可以包括：针对控制端子的第一通道，被配置为施加风扇控制信号；以及针对控制端子的第二通道，其中自锁电路设置在第二通道中，自锁电路在自锁状态下接通第二通道，且第二通道在接通时旁路第一通道。
11.自锁电路可以包括晶闸管，晶闸管的阳极用于提供报警信号，晶闸管的控制极上施加有电流采样部件的电压。
12.根据本公开的实施例，提供了一种风扇保护电路，其中，风扇连接在供电电源与地之间。该风扇保护电路可以包括：第一光耦部件，被连接为根据原边处接收的风扇控制信号的有效与否而接通或关断；连接在风扇与地之间的开关器件；与第一光耦部件的副边串联连接的电阻器，被连接为电阻器上的电压被施加至开关器件的控制端子；连接作为电阻器的旁路的自锁电路，包括pnp三极管和npn三极管，pnp三极管的基极连接至npn三极管的集电极，npn三极管的基极连接至pnp三极管的集电极；连接在开关器件与地之间的电流采样电阻器，被连接为电流采样电阻器上的电压被施加至npn三极管的基极-发射极；第二光耦部件，被连接为副边通过pnp三极管的发射极而与自锁电路串联连接，原边输出报警信号。
13.根据本公开的实施例，在风扇的供电通道中设置开关器件，从而在检测到过流/短路时可以单独切断风扇的供电，而不必完全切断电气设备的供电。另外，自锁电路可以响应于检测到过流/短路而进入自锁状态，并且可以在自锁状态下持续提供能够使开关器件关断的保护关断信号。于是，可以锁死过流/短路保护功能，直至风扇的供电电源重启或风扇控制信号重启。另外，基于自锁电路进入自锁状态，可以提供过流/短路报警信号。
附图说明
14.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
15.图1示意性示出了根据本公开实施例的风扇保护电路的方框图；
16.图2示意性示出了根据本公开实施例的风扇保护电路的电路图；
17.图3示意性示出了根据本公开另一实施例的风扇保护电路的电路图。
具体实施方式
18.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
19.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
20.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
21.除非另外明确指出，否则本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含特定数量在一些实施例中例如
±
10％或更多或更少的变化。
22.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等用词，以修饰相应的元件，其本身并不代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或
是制造方法上的顺序，或是其重要性。序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
23.图1示意性示出了根据本公开实施例的风扇保护电路的方框图。
24.在图1的方框图中，为更清楚地示出部件之间的连接，还示出了风扇本身。但是需要指出的是，根据本公开实施例的风扇保护电路可以不包括风扇。例如，根据本公开实施例的风扇保护电路可以集成到风扇中，从而与风扇一起提供；或者，根据本公开实施例的风扇保护电路可以制作成与风扇分离的模块。
25.如图1所示，风扇101可以连接在供电电源与地之间。也即，存在从供电电源经风扇101到地的电流路径(也称作风扇101的供电通道)。根据本公开的实施例，为了能够单独地控制风扇101的供电通道的通断，风扇保护电路100可以包括连接在该供电通道中的开关器件103。在此，将开关器件103示出为连接在风扇101与地之间，这是因为如此连接的情况下风扇保护电路100的动作可以基于相同的电压基准(地电压)，这可以通过以下的进一步详细描述而明了。但是，本公开不限于此。例如，开关器件103也可以连接在供电电源与风扇101之间。来自例如控制器的风扇控制信号可以连接到开关器件103的控制端子，并可以根据扇控制信号的有效与否而控制开关器件103的通断，并因此控制风扇101的供电通道的通断。于是，可以基于风扇控制信号，单独地控制风扇101的关断，而无需完全切断风扇101所在的电气设备的供电。
26.在风扇101的供电通道中，还设置了电流采样部件105。例如，电流采样部件105可以与风扇串联连接在该供电通道中。于是，流过风扇101的电流(或与之相关例如成比例的电流)同样流过电流采样部件105。例如，电流采样部件105可以是电阻器，因此可以将(流过风扇101的)电流转换为电压。在此，电流采样部件105连接在地一侧，这是为了简化电路配置，因为如上所述可以基于相同的电压基准(地电压)进行动作。
27.电流采样部件105的采样信号(例如，电阻器两端的电压)可以用作自锁电路107的控制信号，以触发自锁电路107进入自锁状态。所谓“自锁”，是指在触发之后，可以一直保持状态直至重启，即便触发信号消失。自锁电路107可以各种合适的方式实现，例如如下所述的两个三极管相连接的形式。在过流/短路的情况下，电流采样部件105采样到的电流增大(例如，电阻器两端的电压增大)，可以在其增大到超过预定阈值时触发自锁电路107。
28.基于自锁电路107进入自锁状态，可以向开关器件103施加保护关断信号。该保护关断信号可以覆盖(override)风扇控制信号，以使开关器件103关断。由于自锁电路107在自锁状态下可以维持其自身状态，因此保护关断信号可以被持续提供，从而使开关器件103一直处于关断状态(即，风扇101断电)，直至重启。保护关断信号对风扇控制信号的覆盖可以通过各种方式实现，例如通过它们的连接方式或者通过组合逻辑等。
29.另外，在自锁电路107进入自锁状态时，还可以向例如控制器提供报警信号。于是，可以向外部通知风扇发生过流/短路。
30.风扇保护电路100可以应用于需要设置风扇的各种电气设备中，如变频器、电机等。在某些电气设备中，根据操作电压的高低和安全性的考虑，可以分为低压侧和高压侧。出于电气安全性的考虑，在低压侧与高压侧之间，通常会设置电隔离部件，例如光耦、容耦、磁耦等既能在低压侧与高压侧之间实现电气隔离又能传递信号的部件。根据本公开的实施例，控制器与风扇保护电路100之间可以设置有这样的电隔离部件。
31.图2示意性示出了根据本公开实施例的风扇保护电路的电路图。
32.如图2所示，直流风扇fan1连接在供电电源vdd与地gnd之间。在直流风扇fan1上，反向并联了二极管d1，以作逆向电流保护。如上所述，在直流风扇fan1的供电通道中，设置了用作开关器件的功率mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)q1和用作电流采样部件的电阻器r1。
33.风扇控制信号fan_on/off通过光耦ic1而施加至开关器件q1的控制端子。例如，光耦ic1的原边二极管的阳极通过电阻器r5连接至供电电源vbb，阴极通过开关器件q4如npn三极管连接至基准电压udc-1。风扇控制信号fan_on/off可以通过电阻器r6施加至开关器件q4的控制端子(例如，npn三极管的基极)。光耦icl的副边一方面通过电阻器r4连接至供电电源vdd，另一方面通过电阻器r3连接至地gnd。节点a处的电压(即，电阻器r3上的电压)可以施加至开关器件q1的控制端子(例如，功率mosfet的栅极)。
34.在此，假设风扇控制信号fan_on/off高电平指示接通风扇，而低电平指示关断风扇。在风扇控制信号fan_on/off为高电平时，开关器件q4导通，于是光耦ic1的原边二极管导通，从而副边也导通。于是，a节点处的电压(约为vdd*r3/(r3 r4))为能够导通开关器件q1的“高电平”(即，大于开关器件q1的阈值电压)。于是，风扇fan1的供电通道接通，风扇fan1运转。另一方面，在风扇控制信号fan_on/off为低电平时，开关器件q4截止，于是光耦icl的原边二极管截止，从而副边也截止。于是，a节点处的电压(约为地电压gnd)为不能导通开关器件q1的“低电平”(即，小于开关器件q1的阈值电压)。于是，fan1的供电通道关断，风扇fan1停止运转。
35.在此，光耦ic1将风扇控制信号fan_on/off的控制逻辑从原边一侧传递至副边一侧的a节点，并因此施加至开关器件q1。本领域技术人员可以设想光耦icl的多种方式，来实现这种控制逻辑的传递。
36.流过风扇fan1的电流同样流过电阻器r1。因此，节点c处的电压(即，电阻器r1两端的电压)与流过风扇fan1的电流成正比，并因此可以指示过流/短路状态。具体地，当风扇fan1出现过流/短路时，节点c处的电压增大(例如，大于基于正常状态确定的阈值)。于是，节点c处的电压可以用作自锁电路的触发信号。为避免电压波动导致的影响(例如，误触发)，可以通过滤波电路如电阻器r2和电容器c1构成的rc滤波电路，对节点c处的电压进行滤波，滤波后的电压可以施加至节点b(自锁电路的控制端子)。
37.在该示例中，自锁电路由pnp三极管q2和npn三极管q3连接而成。具体地，pnp三极管q2的基极连接至npn三极管q3的集电极，npn三极管q3的基极在节点b处连接至pnp三极管q2的集电极。pnp三极管q2的发射极和npn三极管q3的发射极用作自锁电路的输入/输出端子。在此，pnp三极管q2的发射极(经由其他部件，这在以下描述)连接至供电电源vdd，npn三极管q3的发射极连接至地gnd。
38.在节点b处的电压高于npn三极管q3的阈值电压时，npn三极管q3导通，于是可以将pnp三极管q2的基极下拉至地，从而pnp三极管q2导通。另一方面，在pnp三极管q2导通时，可以将npn三极管q3的基极(即，节点b)上拉至一定的电压(取决于pnp三极管q2的发射极与供电电源vdd之间的连接部件)，从而npn三极管q3导通。这样，pnp三极管q2和npn三极管q3实现了自锁(类似于晶闸管)。这种状态下，即使节点c处的电压回复正常(即，经滤波之后不高于npn三极管q3的阈值电压)，pnp三极管q2和npn三极管q3也能一直保持导通状态。只有当
供电电源vdd或者风扇控制信号fan_on/off重启后，pnp三极管q2和npn三极管q3才会释放锁死状态。
39.可以基于npn三极管q3的阈值电压、风扇fan1正常状态下的电流(例如，标称电流)，来设定电阻器r1的阻值。
40.在此，为了实现自锁电路对风扇控制信号的覆盖，自锁电路与电阻器r3并联连接在节点a与地gnd之间。也即，自锁电路在进入自锁状态之后，可以旁路电阻器r3，从而可以覆盖通过电阻器r3来施加的风扇控制信号。更具体地，自锁电路在自锁状态下，将节点a处的电压下拉至地gnd，从而向开关器件q1的控制端子施加低电平的信号。换言之，针对节点a(开关器件q1的控制端子)，可以设置两个通道：电阻器r3所在的通道，可以向开关器件q1的控制端子施加风扇控制信号(或等价的逻辑)；自锁电路所在的通道，在自锁状态下可以旁路前一通道，使得开关器件q1不再受风扇控制信号控制，而是截止从而关断风扇fan1。
41.在此，为了实现报警功能，还设置了光耦ic2。例如，自锁电路的一个输入/输出端子(pnp三极管q2的发射极)经由光耦ic2的原边二极管连接至节点a。另外，光耦ic2的副边一方面通过电阻器r7连接至供电电源vbb，另一方面通过电阻器r8连接至基准电压udc-1。在正常状态下，光耦ic2的原边二极管截止，从而副边也截止，过流/短路报警信号可以为低电平。另一方面，在检测到过流/短路时，自锁电路进入自锁状态，使光耦ic2的原边二极管导通，从而副边也导通，过流/短路报警信号可以为高电平。
42.在此，光耦ic2将自锁电路的状态从原边一侧传递至副边一侧。本领域技术人员可以设想光耦ic2的多种方式，来实现这种传递。
43.根据该实施例，可以利用较少器件，实现过流/短路保护。电路简单，成本低，可靠性高，保护延时小。
44.在以上实施例中，使用两个三极管串接来实现自锁电路。但是，本公开不限于此。例如，可以使用晶闸管来实现自锁电路。所采样的电压(电阻器r1两端的电压)可以施加至晶闸管的控制极，并且晶闸管的阳极可以用于提供报警信号。更具体地，图2中所示的节点b可以相当于晶闸管的控制极，pnp三极管q2的发射极可以相当于晶闸管的阳极，npn三极管q3的发射极可以相当于晶闸管的阴极。
45.图3示意性示出了根据本公开另一实施例的风扇保护电路的电路图。
46.图3的电路与图2的电路基本相同，不同之处在于从节点c向自锁电路的控制节点b施加电压的方式。以下，将主要描述这两个实施例之间的不同之处。
47.具体地，采样电阻器r1两端的电压通过电阻器r7、r8施加至放大器ic4，以将其放大。在该示例中，放大器可以为连接有反馈电阻器r9和电容器c1的运算放大器。在节点d处得到放大后的电压，并经由电阻器r10送入比较器ic3，与通过分压电阻器r11和r12得到的基准电压进行比较。比较器ic3的输出可以通过上拉电阻器r2上拉至供电电源vdd，并可以经由例如电阻器r13和电容器c12构成的rc滤波电路而施加至节点b。在出现过流/短路时，比较器ic3的输出可以为高电平，并因此可以使npn三极管q3导通，使自锁电路进入自锁状态。
48.可以基于风扇fan1正常状态下的电流(例如，标称电流)、放大器的增益、分压电阻器r11和r12的分压比，来设定电阻器r1的阻值。
49.在该实施例中，由于存在放大器，因此采样电阻器r1上的压降可以较低，损耗可以
降低，且设计参数调整方便，过流/短路保护触发值的精度高，温漂小。
50.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。