風扇組合及風扇調速方法
2023-10-26 02:13:02 4
專利名稱：風扇組合及風扇調速方法
技術領域：
本發明涉及電子或通信技術領域的散熱技術，具體涉及一種風扇組合及風扇調速方法。
背景技術：
現在的通信或電子設備越來越複雜、集成度越來越高，使得設備的功耗越來越大。在固定空間內，功耗的大幅增加給系統的散熱帶來了很大的挑戰。通常，在自然散熱不能滿足要求的情況下，需要增加風扇來強迫風冷散熱。但是增加風扇將引發新的問題，即為設備噪音隨著風扇轉速的增大而增大，同時，進出設備的灰塵量也將隨之增加，可見，設備噪音、防塵和散熱效果之間存在矛盾。
為解決上述矛盾，通用的方案為根據設備工作的環境溫度來調節風扇的轉速。獲取設備工作的環境溫度的方法通常是在設備的入風口安裝一個溫度傳感器，設備把讀取的溫度傳感器上的溫度作為等效的環境溫度。圖1為現有技術調速方法的示意圖。如圖所示首先確定兩個風扇變速控制點Tlow和Thigh。其中Tlow為啟動風扇線性調速的最低溫度點，通常定為25℃；Thigh為風扇線性調速的最高溫度點，通常由設備允許的長期工作溫度上限確定。當環境溫度＜Tlow時，風扇轉速為Nmin(一般取風扇額定轉速的50％)；當環境溫度≥Thigh時，風扇轉速為Nmax(一般即為風扇的額定轉速)；當Tlow≤環境溫度＜Thigh時，風扇轉速從Nmin轉速到Nmax轉速之間呈線性變化。具體轉速取如下公式的計算值風扇轉速N＝Nmin+(Nmax-Nmin)*(Tx-Tlow)/(Thigh-Tlow)其中Tx為當前的環境溫度。
但是，現有技術中這種基於環境溫度的調速方法存在如下缺陷
1、實際應用中，由於設備工作狀態的變化，單板溫度隨時可能發生變化。以負責IP報文轉發處理的單板為例，位於單板上的數據報文處理晶片在分別處理10％流量和90％流量時消耗的功耗差別很大，功耗的變化將導致晶片溫度的變化，隨之導致單板溫度的變化。另外，設備配置的變化也可能引起單板溫度的變化。例如，當由於設備擴容而增添功耗較大的單板時，單板散發出的熱量將引起旁邊插槽位單板的工作溫度的升高。
而且，現有技術中基於環境溫度的調速方法，由於溫度傳感器放置於設備的入風口，因此，無法感知設備內部單板溫度的變化。此時，如果外界的環境溫度不變，風扇的轉速將保持不變，從而溫度升高的單板無法降溫，可能影響單板的可靠工作；並且，單板溫度降低時，風扇同樣無法相應調整轉速，以使噪音和灰塵進入量降低。另外，設備內部配置單板變化時，風道阻力隨之變化，進而導致單板接收到的風速的變化，從而影響風扇的調節效果。
2、當設備運行一段時間後，防塵網會出現一定程度的堵塞，如果風扇的轉速不變，則進入設備的風量會由於防塵網的堵塞而減少，從而導致設備內部溫度升高，進而影響單板的可靠工作。
綜上所述，現有技術中基於環境溫度的風扇調速方法無法隨著單板溫度的變化動態調整風扇轉速，進而無法使設備的散熱、噪聲以及防塵三者關係調整到最佳狀態。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種風扇組合及風扇調速方法，能夠根據設備內部單板溫度的變化自動調節風扇的轉速，從而既能滿足設備的散熱要求，也能夠避免由於風扇轉速偏高導致的設備噪聲以及防塵問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種風扇組合，包括單板、位於單板上的晶片、位於晶片上的散熱器及固定在所述散熱器上的風扇，還包括位於單板上的溫度傳感器，用於測量晶片溫度。
其中，所述溫度傳感器可以為熱電耦，所述熱電耦位於所述散熱器上，或位於其溫度與晶片溫度產生強耦合性的晶片附近。
另外，所述溫度傳感器還可以為熱敏電阻或集成的數字溫度傳感器，所述數字溫度傳感器位於其溫度與晶片溫度產生強耦合性的晶片附近。
本發明還提供了一種風扇調速方法，包括步驟1)獲取風扇的最低轉速和最高轉速；2)分別獲取所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度；3)根據所述最低轉速和最高轉速以及所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度，確定風扇轉速與晶片溫度的變化關係；4)獲取當前的晶片溫度；5)根據所述當前的晶片溫度和風扇轉速與單板溫度的變化關係確定風扇的轉速。
其中，所述風扇轉速與晶片溫度的變化關係具體為當所述當前的晶片溫度低於所述風扇的最低轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最低轉速；當所述當前的晶片溫度大於或等於所述風扇的最高轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最高轉速；否則，按照下述公式確定風扇轉速N=Nmin+(Nmax-Nmin)*T-TminTmax-Tmin]]>其中，N為風扇轉速，Nmin為風扇的最低轉速，Nmax為風扇的最高轉速，T為當前的晶片溫度，Tmin為風扇最低轉速時的晶片溫度，Tmax為風扇最高轉速時的晶片溫度。
另外，所述風扇轉速與晶片溫度的變化關係還可以具體為當所述當前的晶片溫度低於所述風扇的最低轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最低轉速；
當所述當前的晶片溫度大於或等於所述風扇的最高轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最高轉速；否則，在風扇的最低轉速和最高轉速之間劃分固定數量的量化臺階，將當前單板溫度所屬的量化臺階的轉速確定為風扇的轉速。
進一步，當所述晶片數量為N時，按照下述步驟確定所述風扇轉速A)按照所述當前的晶片溫度和變化關係分別獲取N個晶片的風扇轉速；B)將N個晶片中的風扇轉速的最大值作為所述風扇轉速。
其中，所述最高轉速為單板標準配置時風扇的額定轉速；所述最低轉速為單板標準配置時，啟動風扇線性調速的最低轉速。
另外，本發明還適用於所述最高轉速為單板滿配置時風扇的額定轉速；所述最低轉速為單板滿配置時，啟動風扇線性調速的最低轉速。
與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明提供的通過在單板上安裝溫度傳感器，然後根據大功率晶片溫度的變化自動調節風扇轉速的方法，能夠實時根據晶片溫度來調節風扇的轉速，不僅很好的解決了單板的散熱問題，而且可以有效解決風扇的噪音和防塵問題。當由於環境溫度升高、防塵網堵塞、系統配置變化或其它異常情況，導致內部溫度升高時，本發明可以及時調節風扇的轉速，確保設備不會因為內部溫度偏高而影響系統工作的穩定性和可靠性。並且風扇轉速始終保持在合理的狀態，因此提高了風扇的使用壽命。
另外，本發明還提供了設備中存在多個大功率晶片的解決方案，進一步增強了本發明的實用性。
圖1是現有技術中溫度傳感器的溫度調速曲線模型；圖2是本發明中的溫度傳感器的一種安裝方法；圖3是本發明中的溫度傳感器的另一種安裝方法；圖4是本發明中的溫度傳感器的一種溫度調速曲線模型；圖5是本發明中的溫度傳感器的另一種溫度調速曲線模型。
具體實施例方式
本發明提供一種風扇組合及一種風扇調速方法，可以根據系統內部晶片溫度的變化自動調節風扇的轉速，從而既能很好的滿足系統的散熱要求，同時也不會由於風扇轉速偏高(過散熱)導致系統的噪聲以及帶來防塵問題，並且還可以最大限度提高風扇的使用壽命。
本發明的核心思想是在設備單板的大功率晶片附近放置溫度傳感器，通過溫度傳感器實時監測大功率晶片的溫度變化，並根據實時收集的溫度傳感器採集的溫度，結合本發明提供的算法，計算每個對應溫度需要的風扇轉速，實現對風扇轉速的實時調節。
本發明主要涉及以下幾個技術要點溫度傳感器的布放位置要求以及轉速的計算方法。以下分別進行詳細介紹。
由於絕大多數晶片都不支持內部集成溫度傳感器來實現對自身結溫的監測，為了測量晶片的溫度，本發明公開了一種風扇組合，在所述風扇組合中說明了溫度傳感器的布放位置要求。所述風扇組合包括風扇、單板、位於單板上的晶片、位於晶片上的用於輔助散熱的散熱器，另外，在設備的單板上外接溫度傳感器，來檢測單板上的大功率晶片溫度。
對於溫度傳感器的選用，首選熱電耦。安裝時將其置於晶片的散熱器上，使其能夠比較精確的測量晶片散熱器的溫度，如圖2所示。
但是使用熱電耦，由於生產安裝過程比較複雜，另外成本也較高，因此，本發明所述的具有風扇的設備中，溫度傳感器還可以使用熱敏電阻或集成的數字溫度傳感器，圖3為安裝示意圖。如圖所示，將所述溫度傳感器安裝在印刷電路板PCB上(即生產時直接焊接到單板的PCB上)，並使其靠近被監測的高功耗器件附近，使其溫度能夠與晶片的溫度具有強耦合性，即所述溫度傳感器的溫度能夠隨著晶片的溫度變化相同的溫度。(一般距離大功率晶片最近的邊緣距離不超過2cm)。同時，為了保證溫度傳感器讀出來的溫度與被監測晶片的實際溫度有強耦合性以及變化規律有趨同性，將溫度傳感器放置於被監測晶片的風道下遊，使得當晶片散熱的熱量被風吹過後，能被溫度傳感器監測到。
本發明在提供的風扇調速方法中公開了轉速的計算方法。其關鍵點是根據設備工作時晶片的溫度而不是環境溫度來調節風扇的轉速。當使用該方法進行轉速控制時，首先獲取風扇的最低轉速和最高轉速；然後分別獲取所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度；並根據所述最低轉速和最高轉速以及所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度，確定風扇轉速與晶片溫度的變化關係；接著獲取當前的晶片溫度；根據所述當前的晶片溫度和風扇轉速與單板溫度的變化關係確定風扇的轉速。
轉速的計算方法的關鍵是要確定每個溫度傳感器的溫度調速曲線。然後根據這個溫度調速曲線來計算當前溫度需要的風扇轉速。
溫度傳感器的溫度調速曲線模型與現有的基於環境溫度調速曲線模型類似，如圖4所示。其中，縱坐標表示風扇轉速的範圍，Nmin為啟動風扇線形轉動的最低轉速，Nmax為風扇轉動的最高轉速；與現有技術關鍵的區別在於本發明的橫坐標溫度是單板上溫度傳感器的溫度，不是環境溫度。對於不同的單板上的不同的溫度傳感器，其溫度調速點Tmin和Tmax以及風扇轉速範圍Nmin、Nmax可以不相同。
確定單板上溫度傳感器對應調速點Tmin和Tmax的方法如下。
根據上述的溫度調速曲線，設系統風扇的最低轉速為Nmin，最高轉速為Nmax。另外設產品允許的長期工作溫度上限為Thigh(例如產品允許的長期工作溫度範圍是0℃～40℃，則Thigh＝40℃)。
Tmin在產品工作環境溫度為常溫情況下，風扇的額定轉速控制在Nmin，讀出此時的溫度傳感器值，即為該溫度傳感器的Tmin。
Tmax在產品工作環境溫度為Thigh情況下，風扇的額定轉速控制在Nmax，讀出此時的溫度傳感器值，即為該溫度傳感器的Tmax。
值得提出的是以上確定Tmin和Tmax的方法，前提是系統在常溫環境溫度下，以Nmin轉速可以滿足散熱要求；在Thigh環境溫度下，以Nmax轉速可以滿足散熱要求。
對於風扇的最高轉速Nmax一般為風扇的額定轉速，最低轉速Nmin為啟動風扇線性調速的最低溫度點，具體的制定方法在以下的兩個實施例中詳細介紹。
根據溫度傳感器的溫度調速曲線以及實測溫度值，確定當前溫度需要的風扇轉速。
設溫度傳感器S1當前實測溫度為T1該溫度傳感器的溫度調速點Tmin為T1min該溫度傳感器的溫度調速點Tmax為T1max設該溫度傳感器當前溫度需要的風扇轉速為N1，則(1)當T1≤T1min時，N1＝Nmin(2)當T1min＜T1≤T1max時，T1-T1minT1max-T1min=N1-NminNmax-Nmin]]>即N1=Nmin+(Nmax-Nmin)T1-T1minT1max-T1min]]>由於在實際應用時，按照上述公式確定風扇的轉速的方法，一旦溫度有一些變化，風扇的轉速就要隨之變化，在實際應用中需要不斷去調整風扇轉速。為了避免這種情況，可以使用以下簡化的方法來替代將風扇轉速範圍劃分為i個等分的量化臺階，然後按照下述公式獲得風扇的轉速，如圖4所示如圖所示，調速曲線上共有i個拐點，其坐標分別為(T1min，N1min)、(T1，N1)、(T2，N2)、。。。。。。、(Ti-2，Ni-2)、(T1max，N1max)。
其中T1=T1min+T1max-T1mini-1]]>T2=T1min+2T1max-T1mini-1]]>T3=T1min+3T1max-T1mini-1]]>Ti-2=T1min+(i-2)T1max-T1mini-1]]>N1=N1min+N1max-N1mini-1]]>N2=N1min+2N1max-N1mini-1]]>N3=N1min+3N1max-N1mini-1]]>Ni-2=N1min+(i-2)N1max-N1mini-1]]>則實測溫度與風速轉速的對應關係為當T1min＜T≤T1時，N1＝N1當T1＜T≤T2時，N1＝N2當T2＜T≤T3時，N1＝N3............
(1)當Ti-3＜T≤Ti-2時，N1＝Ni-2；(2)當Ti-2＜T≤T1max時，N1＝N1max；(3)當T1≥T1max時，N1＝Nmax。
另外，本發明適用於設備中存在多個溫度傳感器的情況。如果設備中存在多個大功率晶片，則可以根據大功率晶片對單板的溫度影響，選擇在需要測量的每個大功率晶片上分別安裝一個溫度傳感器，安裝方法同上所述，不再贅述。使用本發明進行調速時，首先需要確定每個大功率晶片上不同溫度傳感器的調速溫度範圍。對於位於不同的晶片上的溫度傳感器的溫度曲線相互獨立，其溫度調速點Tmin和Tmax可以不相同。確定每個溫度傳感器的Tmin和Tmax如上所述，不再贅述。然後按照以下步驟確定風扇的轉速。
假設設備一共有n個溫度傳感器。我們使用上面的方法分別確定了每個溫度傳感器當前溫度需要的風扇轉速。
溫度傳感器S1當前溫度需要的風扇轉速為N1溫度傳感器S2當前溫度需要的風扇轉速為N2…溫度傳感器Sn當前溫度需要的風扇轉速為Nn為了防止某些晶片的風扇轉速達不到散熱要求，設備風扇當前需要的轉速取以上各點轉速的最大值N＝max{N1，N2，N3，......，Nn}以下分別介紹應用本發明的兩個具體的實施例以說明上述4個參數的確定方法。
第一實施例在此僅介紹4個參數的確定過程，對於其他的過程由於與上文所述相同，因此不再贅述。
(1)由於本發明是基於設備內部實際的晶片溫度來調速的，一旦設備配置變化或業務運行的狀態變化導致溫度升高，本發明可以自動提高風扇的轉速，保證系統散熱能滿足晶片的要求，所以可以在單板標準配置，按照設備的標準配置以及平均業務流量情況下來確定調速曲線，另外所有單板正常運行業務，業務可以不線速。在確定兩個變速控制點時，將設備放入環境試驗用的溫控箱中，並將溫控箱內部的環境溫度設定為25℃，風扇的轉速設定為額定轉速的40％，通過外接的熱電耦監測晶片的溫度，如果晶片溫度低於其要求的長期穩定工作的門限，則可以把Nmin確定為風扇額定轉速的40％，Tmin為當前該器件旁邊溫度傳感器的實測溫度值。如果溫度傳感器測量發現該晶片的溫度超過了其要求的長期穩定工作的門限，則把風扇的轉速按照一定的量化臺階增加(例如一次增加5％)，溫控箱內部的環境保持不變，再測試晶片溫度。如果此時晶片的溫度低於其要求的長期穩定工作的門限，則Nmin為當前的風扇轉速，Tmin為當前該器件旁邊溫度傳感器的測試溫度值。如果晶片溫度仍然超過了該晶片要求的長期穩定工作的門限，則按照上述方法逐步增加風扇額定轉速。直到找到合適的風扇轉速，保證在溫控箱溫度為25℃時，晶片的溫度滿足要求。此時的轉速即為Nmin，此時的該晶片旁邊溫度傳感器的溫度即為該溫度傳感器對應的Tmin。
(2)最高轉速為Nmax為風扇的額定轉速。
(3)設產品允許的長期工作環境溫度上限為Thigh(例如產品允許的長期工作環境溫度範圍是0℃～40℃，則Thigh＝40℃)。控制溫控箱中環境溫度為Thigh，風扇的額定轉速控制在Nmax，讀出此時的溫度傳感器值，即為該溫度傳感器的Tmax。
第二實施例在此僅介紹4個參數的確定過程，對於其他的過程由於與上文所述相同，因此不再贅述。
為了防止極限狀態下，即晶片業務線速運行、單板滿配置時，設備內部的散熱達不到散熱要求的情況，對於4個參數的確定，也可以按照現有的基於環境溫度進行風扇調速的方法，在確定調速曲線的Tlow和Thigh時，保證系統滿配置，而且所有單板業務線速運行，具體步驟如下所述(1)設備風扇轉速控制在Nmin(一般取風扇額定轉速的50％)，設備滿配置，而且所有業務全部線速運行。把設備放在環境測試的溫控箱中，然後在溫控箱中把環境溫度從20℃逐步提升，並用外接的熱電耦測量晶片的溫度，當監測到晶片的溫度接近其長期穩定工作的門限時(一般留一定的餘量，例如6℃)，此時的溫控箱的環境溫度溫度就是Tmin。
(2)最高轉速為Nmax為風扇的額定轉速。
(3)設產品允許的長期工作環境溫度上限為Thigh(例如產品允許的長期工作環境溫度範圍是0℃～40℃，則Thigh＝40℃)。控制溫控箱中環境溫度為Thigh，風扇的額定轉速控制在Nmax，讀出此時的溫度傳感器值，即為該溫度傳感器的Tmax。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種風扇組合，包括單板、位於單板上的晶片、位於晶片上的散熱器及固定在所述散熱器上的風扇，其特徵在於，還包括位於單板上的溫度傳感器，用於測量晶片溫度。
2.根據權利要求1所述的風扇組合，其特徵在於所述溫度傳感器為熱電耦，所述熱電耦位於所述散熱器上，或位於其溫度與晶片溫度產生強耦合性的晶片附近。
3.根據權利要求1所述的風扇組合，其特徵在於所述溫度傳感器為熱敏電阻或集成的數字溫度傳感器，所述數字溫度傳感器位於其溫度與晶片溫度產生強耦合性的晶片附近。
4.一種風扇調速方法，其特徵在於，包括步驟1)獲取風扇的最低轉速和最高轉速；2)分別獲取所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度；3)根據所述最低轉速和最高轉速以及所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度，確定風扇轉速與晶片溫度的變化關係；4)獲取當前的晶片溫度；5)根據所述當前的晶片溫度和風扇轉速與單板溫度的變化關係確定風扇的轉速。
5.根據權利要求4所述的風扇調速方法，其特徵在於所述風扇轉速與晶片溫度的變化關係具體為當所述當前的晶片溫度低於所述風扇的最低轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最低轉速；當所述當前的晶片溫度大於或等於所述風扇的最高轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最高轉速；否則，按照下述公式確定風扇轉速N=Nmin+(Nmax-Nmin)*T-TminTmax-Tmin]]>其中，N為風扇轉速，Nmin為風扇的最低轉速，Nmax為風扇的最高轉速，T為當前的晶片溫度，Tmin為風扇最低轉速時的晶片溫度，Tmax為風扇最高轉速時的晶片溫度。
6.根據權利要求4所述的風扇調速方法，其特徵在於所述風扇轉速與晶片溫度的變化關係具體為當所述當前的晶片溫度低於所述風扇的最低轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最低轉速；當所述當前的晶片溫度大於或等於所述風扇的最高轉速時的晶片溫度時，風扇轉速為所述風扇的最高轉速；否則，在風扇的最低轉速和最高轉速之間劃分固定數量的量化臺階，將當前單板溫度所屬的量化臺階的轉速確定為風扇的轉速。
7.根據權利要求4或5所述的風扇調速方法，其特徵在於當所述晶片數量為N時，按照下述步驟確定所述風扇轉速A)按照所述當前的晶片溫度和變化關係分別獲取N個晶片的風扇轉速；B)將N個晶片中的風扇轉速的最大值作為所述風扇轉速。
8.根據權利要求6所述的風扇調速方法，其特徵在於所述最高轉速為單板標準配置時風扇的額定轉速；所述最低轉速為單板標準配置時，啟動風扇線性調速的最低轉速。
9.根據權利要求6所述的風扇調速方法，其特徵在於所述最高轉速為單板滿配置時風扇的額定轉速；所述最低轉速為單板滿配置時，啟動風扇線性調速的最低轉速。
全文摘要
本發明公開了一種風扇調速方法，使用該方法時，首先獲取風扇的最低轉速和最高轉速；然後分別獲取所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度；並根據所述最低轉速和最高轉速以及所述最低轉速和最高轉速時的晶片溫度，確定風扇轉速與晶片溫度的變化關係；當需要進行調速時，獲取當前的晶片溫度；根據所述當前的晶片溫度和風扇轉速與單板溫度的變化關係確定風扇的轉速。為了測量晶片溫度，本發明還公開了一種風扇組合，包括單板、位於單板上的晶片、位於晶片上的散熱器及固定在所述散熱器上的風扇，和位於單板上的溫度傳感器，用於測量晶片溫度。本發明不僅很好地解決了單板的散熱問題，而且可以有效解決風扇的噪音和防塵問題。
文檔編號F04D27/00GK1791318SQ20041010120
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月15日 優先權日2004年12月15日
發明者方慶銀, 張冬豔, 龍柏林 申請人:華為技術有限公司