CN101667042B - 一种风扇型温控方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种简单有效的风扇型温控方法及装置，装置包括三个温控开关、一个二极管、两个电扇组和两个电源，第一风扇组一端接第一电源正极，一端接第一温控开关，第一温控开关另一端接二极管正极，第二风扇组一端接二极管负极，一端接第二电源负极；第二温控开关一端接第一风扇组与第一温控开关之间，一端接第一电源负极；第三温控开关一端接二极管负极，一端接第二电源正极。工作流程为：1)环境温度t低于第一温控开关临界温度t1时，风扇停转；2)t高于t1低于第二温控开关临界温度t2时，风扇半转；t高于t2，低于第三温控开关的临界温度t3时，第一风扇组全速转动，第二风扇组停转；3)t高于t3时，所有风扇全速转动。

Description

一种风扇型温控方法及装置
技术领域
本发明涉及一种强迫风冷的热设计方案，尤其涉及一种风扇温控方法及装置。
背景技术
随着系统的集成度越来越高，大功耗器件的广泛使用，产品体积的小型化要求，使用环境的更加广泛，系统工作速度的不断提升，热管理设计成为提高系统可靠性不可缺少的手段。
热设计中，考虑设备的热流密度、体积功率密度及温升，常用的冷却方式有自然散热和强迫风冷。当电子设备的热流密度超过0.08w/cm2，体积功率密度超过0.18w/cm3时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，很多系统要求额外增加动力以保持足够的空气流动，进行强迫空气冷却或其它冷却方法，以风扇为主要组成部件的强迫风冷方式得到广泛应用。
常用的风扇温度控制方案有：PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)智能温控风扇、风扇电路串联热敏电阻、电压比较输出调整风扇转速等。PWM风扇调节根据不同的温度，温控风扇会有不同的转速调节与之对应，由于是脉宽信号的实时调节，风扇转速的变化非常灵敏，转速和温度的变化几乎是同步的。风扇电路串联热敏电阻主要原理是当电源开始工作时，风扇供电电压若为7V，随着电源内温度升高，热敏电阻阻值逐步减小，于是风扇的电压逐渐增加，风扇转速也提高。这样在负载很轻的情况下，能够实现静音效果，负载很大时，能保证散热。电压比较输出调整风扇转速是通过检测温度并根据温度生成控制电信号，将测温电路的输出端连接到比较电路的第一输入端，比较电路的第二输入端输入参考电信号，比较电路比较该控制电信号和参考电信号，并产生输出到转速控制电路的输出电信号调整风扇的转速。
当要求简单、快速、低成本实现风扇分档调速时，上述方法就显得纷繁复杂同时存在一些不足。PWM温控电路以单片机为核心，需要通过硬件与软件的密切配合才能实现风扇的智能控制，相对而言，成本比较高，实现复杂，一般应用于对风扇转速有精确控制要求的场景。风扇电路串联热敏电阻方法的弊端在于NTC热敏电阻的低温范围很宽，所以存在温度适宜时只能调整风扇的转速快慢，而非控制风扇停转，因此不满足节能要求。电压比较输出调整风扇转速方案需要设计专门的测温电路、比较电路以及转速控制电路，电路设计比较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种简单有效的风扇型温控方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明风扇型温控方法包括如下步骤：
低温处理步骤，该步骤用于：当待冷却设备的温度t低于预设的第一温度t1时，使所有风扇的电路均保持断开状态，即所有的风扇均停转；
中温处理步骤，该步骤用于：当待冷却设备的温度t高于所述预设的第一温度t1同时低于预设的第二温度t2时，向所有的风扇均施加低于温控装置电源电压的电压，此时所有的风扇均以低于最高转速的速度运转；
高温处理步骤，该步骤用于：当待冷却设备的温度t高于预设的第三温度t3时，向所有的风扇均施加温控装置的电源电压，此时所有的风扇均以最高转速运转，即均处于全速转动状态；
其中，t1＜t2≤t3。
进一步地，所述中温处理步骤还用于：当t2＜t3，且当待冷却设备的温度t高于所述预设的第二温度t2，同时低于所述预设的第三温度t3时，向其中的部分风扇施加温控装置电源电压，同时断开另一部分风扇的电路，则此时部分风扇全速转动，而另一部分风扇停转。
进一步地，所述中温处理步骤中，所述低于温控装置电源电压的电压为所述温控装置电源电压的一半。
为解决上述技术问题，本发明风扇型温控装置包括风扇单元、电源和风扇控制单元；
其中，所述风扇单元包括若干个风扇，用于对待冷却设备进行散热；
所述电源用于为所述风扇单元中的风扇运转提供电能；
所述风扇控制单元用于按照如下方案对所述风扇单元中的风扇进行控制：
a)当待冷却设备的温度t低于预设的第一温度t1时，使所有风扇的电路均保持断开状态，即所有的风扇均停转；
b)当待冷却设备的温度t高于所述预设的第一温度t1同时低于预设的第二温度t2时，向所有的风扇均施加低于电源电压的电压，此时所有的风扇均以低于最高转速的速度运转；
c)当待冷却设备的温度t高于预设的第三温度t3时，向所有的风扇均施加所述电源电压，此时所有的风扇均以最高转速运转，即均处于全速转动状态；
其中，t1＜t2≤t3。
进一步地，所述风扇控制单元对所述风扇单元中的风扇进行控制采用的所述方案还包括：
当t2＜t3，且当待冷却设备的温度t高于所述预设的第二温度t2，同时低于所述预设的第三温度t3时，向其中的部分风扇施加所述电源电压，同时断开另一部分风扇的电路，则此时部分风扇全速转动，而另一部分风扇停转。
进一步地，所述低于电源电压的电压，指所述电源电压的一半。
进一步地，所述风扇控制单元包括三个温控开关和一个二极管，所述三个温控开关即第一温控开关、第二温控开关和第三温控开关；所述风扇单元包括两部分，即第一风扇部分和第二风扇部分；电源为两个，其中第一电源为第一风扇部分提供电能，第二电源为第二风扇部分提供电能，两个电源的额定电压相等；
其中，所述第一风扇部分一端与第一电源正极相连，另一端接所述第一温控开关的一端，所述第一温控开关的另一端接所述二极管的正极，所述第二风扇部分一端接所述二极管的负极，另一端接第二电源负极；所述第二温控开关的一端接在所述第一风扇部分与所述第一温控开关之间，另一端接第一电源负极；所述第三温控开关的一端接所述二极管的负极，另一端接第二电源正极；
其中，所述第一温控开关在待冷却设备的温度t高于所述预设的第一温度t1时闭合；所述第二温控开关在待冷却设备的温度t高于所述预设的第二温度t2时闭合；所述第三温控开关在待冷却设备的温度t高于所述预设的第三温度t3时闭合。
更进一步地，所述第一风扇部分为一个并联风扇组，所述第二风扇部分也为一个并联风扇组，且所述第一风扇部分与所述第二风扇部分中的风扇个数相同，规格也相同。
再进一步地，所述各温控开关在各自的临界温度均设置了回差保护，以避免风扇转速在各温控开关的温度临界点震荡变化。
又进一步地，所述电源为两个，分别为所述第一风扇部分和第二风扇部分提供电能，所述两个电源的额定电压相等。
本发明的有益效果为：
本发明所述的风扇型温控方法及装置，巧妙利用风扇工作电压与风扇转速的对应关系，通过温控开关、二极管、电源的合理布局以及配合实现了风扇的停转/半转/全速转动控制。本发明不需要设计复杂的电路，也不需要印刷电路板PCB就能够实现风扇的简单调速，适合于现场改造。本发明提供的温控方法及装置，其电路连接关系简单，实现成本低，有效实现了停转/半转/全速转动的逐级控制，延长了风扇使用寿命，降低了系统噪声，同时有助于实现系统整体节能。
附图说明
图1是本发明一个实施例的风扇型温控装置结构示意图；
图2是t＜t1时，第一风扇部分M1停转、第二风扇部分M2停转等效原理图；
图3是t1＜t＜t2时，第一风扇部分M1半转、第二风扇部分M2半转等效原理图；
图4是t1＜t2＜t＜t3时，第一风扇部分M1全速转动、第二风扇部分M2停转等效原理图；
图5是t1＜t2＜t3＜t时，第一风扇部分M1全速转动、第二风扇部分M2全速转动等效原理图；
图6是各温控开关临界温度点回差示意图；
图7是本发明风扇型温控装置一个具体实施例示意图；
图8是本发明实施例中第一风扇部分M1、第二风扇部分M2转速示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
下面首先对本发明风扇型温控方法进行具体说明：
预先将待冷却设备的温度划分为低中高三个等级，当待冷却设备的温度低于30度时，认为处于低温阶段；当待冷却设备的温度高于60度时，认为处于高温阶段；当待冷却设备的温度在30至60度之间时，认为处于中温阶段。则本发明风扇型温控方法具体包括如下步骤：
低温处理步骤：当待冷却设备的温度t低于30度时，使所有风扇的电路均保持断开状态，即所有的风扇均停转；
中温处理步骤：当待冷却设备的温度t高于30度低于40度时，向所有的风扇均施加低于温控装置电源电压的电压，则此时所有的风扇均以低于最高转速的速度来运转，本实施例中向所有的风扇均施加温控装置电源电压的一半；当待冷却设备的温度t高于40度低于60度时，向其中的部分风扇施加温控装置电源电压，同时断开另一部分风扇的电路，则此时部分风扇全速转动，而另一部分风扇停转；
高温处理步骤：当待冷却设备的温度t高于60度时，向所有的风扇均施加温控装置的电源电压，此时所有的风扇均全速转动。
根据本发明提供的技术方案，中温处理步骤也可以是：当待冷却设备的温度t高于30度低于60度时，向所有的风扇均施加低于温控装置电源电压的电压，则此时所有的风扇均以低于最高转速的速度来运转。这相当于本发明技术方案部分涉及的预设的第二温度t2等于预设的第三温度t3的情形。
下面对本发明风扇型温控装置做进一步说明。
本发明风扇型温控装置包括电源、风扇单元和风扇控制单元。
其中，风扇单元包括若干个风扇，用于对待冷却设备进行散热，电源用于为风扇单元中的风扇运转提供电能，风扇控制单元用于按照如下方案对风扇单元中的风扇进行控制：
a)当待冷却设备的温度t低于预设的第一温度t1时，使所有风扇的电路均保持断开状态，即所有的风扇均停转；
b)当待冷却设备的温度t高于预设的第一温度t1同时低于预设的第二温度t2时，向所有的风扇均施加低于电源电压的电压，此时所有的风扇均以低于最高转速的速度来运转；
当待冷却设备的温度t高于预设的第二温度t2，同时低于所述预设的第三温度t3时，向其中的部分风扇施加电源电压，同时断开另一部分风扇的电路，则此时部分风扇全速转动，而另一部分风扇停转；
c)当待冷却设备的温度t高于预设的第三温度t3时，向所有的风扇均施加电源电压，此时所有的风扇均全速转动；
其中，t1＜t2≤t3。
图1是本发明一个实施例的风扇型温控装置结构示意图，如图所示，该实施例中，风扇控制单元包括三个温控开关和一个二极管，三个温控开关即第一温控开关k01、第二温控开关k 02和第三温控开关k03；风扇单元包括两部分，即第一风扇部分M1和第二风扇部分M2，其中第一风扇部分M1为一个并联风扇组，第二风扇部分M2也为一个并联风扇组，且第一风扇部分M1与第二风扇部分M2中的风扇个数相同，规格型号也相同；电源为两个，其中第一电源v1为第一风扇部分M1提供电能，第二电源v2为第二风扇部分M2提供电能，两个电源的额定电压相等。
其中，第一风扇部分M1一端与第一电源正极v1+相连，另一端接第一温控开关k01的一端，第一温控开关k01的另一端接二极管的正极，第二风扇部分M2一端接二极管的负极，另一端接第二电源负极v2-；第二温控开关k02的一端接在第一风扇部分M1与第一温控开关k01之间，另一端接第一电源负极v1-；第三温控开关k03的一端接二极管的负极，另一端接第二电源正极v2+。
第一温控开关k01在待冷却设备的温度t高于预设的第一温度t1时闭合，第二温控开关k02在待冷却设备的温度t高于预设的第二温度t 2时闭合，第三温控开关k03在待冷却设备的温度t高于预设的第三温度t3时闭合。各温控开关在各自的临界温度均设置了回差保护，以避免风扇转速在各温控开关的温度临界点震荡变化。
本发明风扇型温控装置工作原理如下：
(1)t＜t1
当t＜t1时，第一温控开关k01、第二温控开关k02、第三温控开关k03断开，第一风扇部分M1和第二风扇部分M2供电回路断开，第一风扇部分M1的各风扇停转、第二风扇部分M2的各风扇停转。
等效电路如图2所示。
(2)t1＜t＜t2
当t1＜t＜t2时，第一温控开关k01闭合，第二温控开关k02断开，第三温控开关k03断开，二极管两端加正向电压，二极管导通。从“第一电源正极V1+到第一风扇部分M1到第一温控开关k01到二极管到第二风扇部分M2到第二电源负极V2-”的供电回路导通，第一风扇部分M1和第二风扇部分M2均分电源电压，第一风扇部分M1的各风扇半转、第二风扇部分M2的各风扇半转。
等效电路如图3所示。
(3)t1＜t2＜t＜t3
当t1＜t2＜t＜t3时，第一温控开关k01闭合，第二温控开关k02闭合，第三温控开关k03断开，二极管两端加反向电压，二极管截止。从“第一电源正极到第一风扇部分M1到第二温控开关k02到第一电源负极V1-”的供电回路导通，第一风扇部分M1两端施加电源电压，第一风扇部分M1的各风扇全速转动。第二风扇部分M2供电回路断开，第二风扇部分M2的各风扇停转。
等效电路如图4所示。
(4)t1＜t2＜t3＜t
当t1＜t2＜t3＜t时，第一温控开关k01闭合，第二温控开关k02闭合，第三温控开关k03闭合，二极管两端加反向电压，二极管截止。从“第一电源正极v1+到第一风扇部分M1到第二温控开关k02到第一电源负极v1-”的供电回路导通，第一风扇部分M1两端施加电源电压，第一风扇部分M1的各风扇全速转动。
从“第二电源正极v2+到第二温控开关k02到第二风扇部分M2到第二电源负极v2-”的供电回路导通，第二风扇部分M2两端施加电源电压，第二风扇部分M2的各风扇全速转动。
等效电路如图5所示。
当第一温控开关k01的临界温度t1＜第三温控开关k03的临界温度t3＜第二温控开关k02的临界温度t 2时，本发明风扇型温控装置的工作流程为：当t＜t1时，第一风扇部分M1的各风扇停转、第二风扇部分M2的各风扇停转；当t2＜t＜t1时，第二风扇部分M2的各风扇半转、第一风扇部分M1的各风扇半转；当t1＜t3＜t＜t2时，第二风扇部分M2的各风扇全速转动、第一风扇部分M1的各风扇停转；当t1＜t3＜t2＜t时，第一风扇部分M1的各风扇全速转动、第二风扇部分M2的各风扇全速转动。
当第一温控开关k01的临界温度t1＜第二温控开关k02的临界温度t2，第二温控开关k02的临界温度t2＝第三温控开关k03的动作温度t3时，本发明风扇型温控装置的工作流程为：当t＜t1时，第一温控开关k01、第二温控开关k02、第三温控开关k03断开，第一风扇部分M1和第二风扇部分M2供电回路断开，第一风扇部分M1的各风扇停转、第二风扇部分M2的各风扇停转。当t1＜t＜t2时，第一温控开关k01闭合，第二温控开关k02断开，第三温控开关k03断开，二极管两端加正向电压，二极管导通。从“第一电源正极V1+到第一风扇部分M1到第一温控开关k01到二极管到第二风扇部分M2到第二电源负极V2-”的供电回路导通，第一风扇部分M1和第二风扇部分M2均分电源电压，第一风扇部分M1的各风扇半转、第二风扇部分M2的各风扇半转。当t1＜t2＝t3＜t时，第一温控开关k01闭合，第二温控开关k02闭合，第三温控开关k03闭合，二极管两端加反向电压，二极管截止。从“第一电源正极v1+到第一风扇部分M1到第二温控开关k02到第一电源负极v1-”的供电回路导通，第一风扇部分M1两端施加电源电压，第一风扇部分M1的各风扇全速转动。从“第二电源正极v2+到第二温控开关k02到第二风扇部分M2到第二电源负极v2-”的供电回路导通，第二风扇部分M2两端施加电源电压，第二风扇部分M2的各风扇全速转动。
本发明实施例，各温控开关的临界温度点均设计有回差保护，以避免各温控单元在临界温度(即t1、t2、t3)附近频繁闭合、断开，导致风扇转速不稳，系统振荡。
图6是各温控开关临界温度点回差示意图，如图所示，当环境温度t即带冷却设备的温度t降低，且t2-□t＜t＜t2，由于在□t温度回差保护范围内，风扇转速保持在全速转动状态。环境温度t降低至t2-□t与t1之间时，超出温度回差保护范围，风扇转速调整为半转。环境温度t继续降低，且t1-□t＜t＜t1，由于在□t温度回差保护范围内，风扇转速保持在半转状态。环境温度t降低至t1-□t以下时，超出温度回差保护范围，风扇控制停转。各温控开关设置温度回差可以避免风扇转速在温度临界点震荡变化。
下面给出本发明风扇型温控装置的一个具体的实施例。
以某通信基站为例，该基站室外电源热交换方式采用风扇散热，第一风扇部分M1、第二风扇部分M2为型号相同，风扇个数相同，供电电压符合电源电压等级的两个风扇组，该两个风扇组均为并联风扇组。采用第一电源v1为第一风扇部分M1提供电能，采用第二电源v2为第二风扇部分M2提供电能。第一温控开关K01闭合的温度为30℃，第二温控开关K02闭合的温度为40℃，第三温控开关K03闭合的温度为60℃，各温控开关的回差□t均为5℃。该实施例的风扇型温度装置电路如图7所示，其工作流程如下：
(1)t＜30℃
当t＜30℃时，第一温控开关K01、第二温控开关K02、第三温控开关K03均断开，第一风扇部分M1和第二风扇部分M2供电回路断开，第一风扇部分M1的各风扇停转、第二风扇部分M2的各风扇停转。
(2)30℃＜t＜40℃
当30℃＜t＜40℃时，第一温控开关K01闭合，第二温控开关K02断开，第三温控开关K03断开，二极管VD正向导通。从“第一电源正极V1+到第一风扇部分M1到第一温控开关K01到二极管VD到第二风扇部分M2到第二电源负极V2-”的供电回路导通，第一风扇部分M1和第二风扇部分M2均分电源电压，第一风扇部分M1的各风扇半转、第二风扇部分M2的各风扇半转。
(3)30℃＜40℃＜t＜60℃
当T1＜T2＜t＜T3时，第一温控开关K01闭合，第二温控开关K02闭合，第三温控开关K03断开，二极管VD反向截止。从“第一电源正极V1+到第一风扇部分M1到第二温控开关K02到第一电源负极V1-”的供电回路导通，第一风扇部分M1两端施加电源电压，第一风扇部分M1的各风扇全速转动。第二风扇部分M2供电回路断开，第二风扇部分M2的各风扇停转。
(4)30℃＜40℃＜60℃＜t
当30℃＜40℃＜60℃＜t时，第一温控开关K01闭合，第二温控开关K02闭合，第三温控开关K03闭合，二极管VD反向截止。从“第一电源正极V1+到第一风扇部分M1到第二温控开关K02到第一电源负极V1-”的供电回路导通，第一风扇部分M1两端施加电源电压，第一风扇部分M1的各风扇全速转动。
从“第二电源正极V2+到第二温控开关K02到第二风扇部分M2到第二电源负极V2-”的供电回路导通，第二风扇部分M2两端施加电源电压，第二风扇部分M2的各风扇全速转动。
第一风扇部分M1、第二风扇部分M2随待冷却设备温度变化的转速变化如图8所示。
总之，通过本发明提供的低成本的风扇型温控方法及装置，能够方便实现风扇的逐级调速，有效延长风扇使用寿命，降低系统噪声，同时有助于实现系统整体节能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种风扇型温控装置，包括风扇单元、电源和风扇控制单元，其中，所述风扇单元包括若干个风扇，用于对待冷却设备进行散热，所述电源用于为所述风扇单元中的风扇运转提供电能；其特征在于，所述风扇控制单元用于按照如下方案对所述风扇单元中的风扇进行控制：
当待冷却设备的温度t低于预设的第一温度t1时，使所有风扇的电路均保持断开状态，即所有的风扇均停转；
当待冷却设备的温度t高于所述预设的第一温度t1同时低于预设的第二温度t2时，向所有的风扇均施加低于电源电压的电压，此时所有的风扇均以低于最高转速的速度运转；
当待冷却设备的温度t高于预设的第三温度t3时，向所有的风扇均施加所述电源电压，此时所有的风扇均全速转动；
其中，t1＜t2≤t3；
所述风扇控制单元包括三个温控开关和一个二极管，所述三个温控开关即第一温控开关、第二温控开关和第三温控开关；所述风扇单元包括两部分，即第一风扇部分和第二风扇部分；电源为两个，其中第一电源为第一风扇部分提供电能，第二电源为第二风扇部分提供电能，两个电源的额定电压相等；
其中，所述第一风扇部分一端与第一电源正极相连，另一端接所述第一温控开关的一端，所述第一温控开关的另一端接所述二极管的正极，所述第二风扇部分一端接所述二极管的负极，另一端接第二电源负极；所述第二温控开关的一端接在所述第一风扇部分与所述第一温控开关之间，另一端接第一电源负极；所述第三温控开关的一端接所述二极管的负极，另一端接第二电源正极；
其中，所述第一温控开关在待冷却设备的温度t高于所述预设的第一温度t1时闭合；所述第二温控开关在待冷却设备的温度t高于所述预设的第二温度t2时闭合；所述第三温控开关在待冷却设备的温度t高于所述预设的第三温度t3时闭合。
2.根据权利要求1所述的风扇型温控装置，其特征在于，所述风扇控制单元对所述风扇单元中的风扇进行控制采用的所述方案还包括：
当t2＜t3，且当待冷却设备的温度t高于所述预设的第二温度t2，同时低于所述预设的第三温度t3时，向其中的部分风扇施加所述电源电压，同时断开另一部分风扇的电路，则此时部分风扇全速转动，而另一部分风扇停转。
3.根据权利要求1所述的风扇型温控装置，其特征在于：
所述低于电源电压的电压，指所述电源电压的一半。
4.根据权利要求1所述的风扇型温控装置，其特征在于：
所述第一风扇部分为一个并联风扇组，所述第二风扇部分也为一个并联风扇组，且所述第一风扇部分与所述第二风扇部分中的风扇个数相同，规格也相同。
5.根据权利要求1所述的风扇型温控装置，其特征在于：
所述各温控开关在各自的临界温度均设置了回差保护。
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