CN104135838A - 一种高密度机柜散热集中管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高密度机柜散热集中管理方法，其具体实现过程为：合理设置总体构架，设计两级热拔插保护电路，设置风扇转速检测及通过PWM进行风扇转速管理，采用自动切换可选风扇转速的管理功能，当上级管理死机时，自动切换到固定转速，风扇控制板上集成温度传感器实现对rack系统出风口温度检测，并根据散热方案实现整机柜的散热智能控制，对每个风扇进行ID识别、风扇absent检测功能；并对每个风扇进行状态展示。该一种高密度机柜散热集中管理方法和现有技术相比，极大提高了稳定性、可靠性；散热管理更加全面，更加智能；稳定性好；实用性强，适用范围广泛，易于推广。

Description

一种高密度机柜散热集中管理方法

技术领域

本发明涉及服务器机柜散热技术领域，具体的说是一种实用性强、高密度机柜散热集中管理方法。

背景技术

随着IT行业的不断发展，云计算、大数据（Big Data）时代的来临。互联网应用范围不断扩大：信息服务、网上通讯、协同工作、电子商务、网上教育、网上娱乐，人们工作生活上的许多业务都呈现信息化的发展趋势。随着用户业务需求的不断增长对IT基础架构提出了更高的要求，对网络服务器的计算及存储性能要求越来越大，高密度服务器机柜系统已经逐渐成为趋势。

随着物联网时代的到来，对于系统管理的要求也越来越高。尤其在服务器系统领域，随着用户业务需求的不断增长对IT基础架构提出了更高的要求，高密度服务器机柜系统已经逐渐成为趋势。这种架构可以解决我们海量数据的同一时刻共同计算问题，提高整体的系统性能；而且还可以节省服务器机房宝贵的空间限制，能够最大密度的部署计算单元。这种高密度的服务器机柜对其管理系统提出更高的要求，尤其是对其散热管理系统，其需求也逐步朝着更加系统、更加全方位、更加智能的方向发展。

为能够智能的处理好功耗与散热之间的关系，现提供一种新型的高密度机柜散热集中管理方法。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种实用性强、高密度机柜散热集中管理方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的，该一种高密度机柜散热集中管理方法，其具体实现过程为：

一、设置散热构架：将整个机柜设置成N层，每层为一个风扇窗且均匀分布若干散热风扇；每个风扇窗内的所有风扇由一个风扇控制板控制和供电，所述风扇控制板上均设置有管理主板；

二、设置两级热拔插保护：

第一级保护，在风扇控制板上设置热交换芯片，该热交换芯片通过I2C总线接入上述管理主板，该热交换芯片还连接有铜排，在管理主板与热交换芯片之间的风扇控制板上还设置有风扇控制板检测电路和风扇控制板电流监控电路，进而形成初步热插拔保护电路，当风扇控制板发生故障时，电流增大触发管理主板控制热交换芯片断开铜排与机柜的电连；

第二级保护，在单个风扇处设置热拔插保护电路，该保护电路包括连接风扇的热拔插保护芯片，热拔插保护芯片通过I2C总线连接上述管理主板，当风扇电流超过过流保护电流值时，热插拔保护芯片触发风扇断电，该热拔插保护芯片还连接有设置在风扇控制板上的自恢复电路，当故障风扇替换后，该自恢复电路启动恢复风扇的正常运转；

三、设置风扇转速检测及通过PWM进行风扇转速管理：

设置N个与机柜每层相对应的风扇拔插板，该风扇拔插板上设置有监控芯片，该监控芯片通过设置在风扇插拔板上的ESD保护电路与每个风险相连通，所述监控芯片通过U2C总线与管理主板通信连接，该监控芯片对每个风扇的转速检测并通过PWM信号对每个风扇进行转速管理；

四、在风扇控制板上安装温度传感器，实时监测机柜服务器内的环境温度，并将该温度信息传递给上述监控芯片；

五、在风扇控制板上增加固定转速电路、转速自动切换电路：当机柜管理主板故障或断电时，风扇控制板按照固定转速电路预设的风扇转速运转；当机柜管理主板正常工作时，控制该控制信号的电平变化，转速自动切换电路切换到由管理主板控制风扇控制板，从而控制风扇转速；

六、在风扇控制板上安装逻辑控制芯片，然后对每个风扇进行ID编码识别，并通过逻辑检测芯片完成风扇absent检测；

七、在风扇控制板上安装电平转换芯片，该电平转换芯片连接管理主板，管理主板根据检测到的风扇状态控制该电平转换芯片的IO高低电平变化，实现信号灯的状态提示。

所述机柜分为4层，每层高度为10U，每个风扇窗内通过风道隔离分成9个独立散热区域，每个散热区域内置一个散热风扇。

所述步骤四中管理主板通过监控芯片发送的温度区间调控风扇转速：即温度小于27℃、27℃～31℃、31℃～34℃、大于34℃时，对应的风扇起始转速分别为：10%、15%、20%、30%。

所述固定转速电路包括控制转速电路，该控制转速电路连接其控制的风扇；所述转速自动切换电路包括连接风扇且实现自动切换功能的MCU、与该MCU连接的RMC芯片、该MCU和RMC芯片均连接逻辑控制电路。

所述固定转速电路的详细内容包括通用定时器U2，该U2包括8个针脚：针脚1为接地引脚；针脚2为控制端输入引脚；针脚3为输出引脚；针脚4为复位信号输入端；针脚5为屏显绿色输出引脚；针脚6为高触发引脚；针脚7为放电端引脚；针脚8为供电电压输入引脚；

其中电压输入端分成三组：第一组经并联的电容C8和C9后接地；第二组连接U2的针脚4和针脚8；第三组经单刀双掷开关sw1后接入并联的电阻R10和R11，该并联电阻R10和R11的输出端也分成两条线路，第一条直接接入针脚7，第二条经单刀双掷开关sw2后接入并联的电阻R8和R9后再分成两条线路，第一条经电容C10后接地，第二条接入U1的针脚2和针脚6；

上述U1的针脚1接地，针脚3接输出端，针脚5经电容C7后接地。

所述步骤六中absent检测过程为：逻辑检测芯片的IO口初始状态设置为高电平，当风扇插入该IO口则变为低电平，完成该风扇的在位检测，然后逻辑检测芯片通过I2C将风扇信息传送给管理主板，这里的风扇信息包括：风扇ID、故障风扇告警时ID、风扇在位检测结果。

所述第二级保护的热插拔保护电路具体结构包括热拔插保护芯片U1，该U1包括10个针脚：针脚1为允许电压输入引脚；针脚2为参考电压输入引脚；针脚3为充电电流设定、充电电流监控和停机引脚；针脚4为定时器输入引脚；针脚5为接地引脚；针脚6为电源输出有效引脚；针脚7电压输出引脚；针脚8为N沟道MOS管连接引脚；针脚9为采样电阻引脚；针脚10为供电电压输入引脚；

其中针脚1经过电阻R1接入电源输入端，针脚2顺序经过电阻R3、R4后接地，针脚3经过电阻R4后接地，针脚4经过电容C6后接地，针脚5接地，针脚6经电阻R5后接电源输出端，针脚7直接接电源输出端，针脚8经电阻R6后接N沟道MOS管的栅极，该MOS管的源极接电源输出端、漏极经电阻R7接电源输入端，针脚9经电阻R7接电源输入端，针脚10直接连接电源输入端。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明的一种高密度机柜散热集中管理方法中的整个产品散热系统的总体架构，适用于高密度的机柜配置，满足不同客户需求的不同搭配；风扇控制采用二级的热拔插保护功能，实现风扇控制板的带电热拔插功能及单个风扇的可恢复热拔插功能，极大提高了稳定性、可靠性；散热管理更加全面，更加智能；稳定性好；实用性强，适用范围广泛，易于推广。

附图说明

附图1为本发明的风扇窗外观图。

附图2是本发明的风扇控制板部分结构示意图。

附图3是本发明的两级热拔插保护结构示意图。

附图4是风扇热拔插保护电路图。

附图5是本发明的风扇转速管理结构示意图。

附图6是可选择风扇转速电路图。

附图7是中板温度为31～34℃时的系统功耗与转速调控曲线图。

附图8是本发明的风扇状态控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种高密度机柜散热集中管理方法作以下详细说明。

1）为了实现在高度为44U，需要在40U空间内实现最多80个计算节点或存储节点的部署。实现整机柜的更加系统、更加全方位、更加智能的散热管理，现提供一种新型的高密度机柜散热集中管理方法。具体发明内容可以分为如下七个方面：散热系统的总体架构。在40U空间内分层次风扇窗设计，提高扩展型，满足不同客户需求的不同搭配；二级热拔插保护功能。实现风扇控制板的带电热拔插功能及单个风扇的可恢复热拔插功能，极大提高了稳定性、可靠性；风扇转速转速检测及通过PWM进行风扇转速管理；可自动切换可选风扇转速的管理功能，当上级管理死机时，自动切换到固定转速而保证节点的散热有效性；风扇控制板上集成温度传感器实现对rack系统出风口温度检测，并根据散热方案实现整机柜的散热智能控制；具有对每个风扇的ID识别、风扇absent检测功能；具有对每个风扇的状态管理指示功能（fail、ok状态指示）。基于此设计思路，如附图1～8所示，现提供一种高密度机柜散热集中管理方法，其具体实现过程为：

一、如附图1、图2所示，设置散热构架：将整个机柜设置成N层，每层为一个风扇窗且均匀分布若干散热风扇；每个风扇窗内的所有风扇由一个风扇控制板控制和供电，所述风扇控制板上均设置有管理主板，图1中的框格即为每个单独的风扇窗。

在实际制作时，将整机柜分成4层，每层高度为10U，每10U为一个风扇窗。风扇窗之间有风道隔离，每个风扇窗由9个风扇组成，如附图1所示。每个风扇窗可以由一个风扇控制板进行单独控制和供电。可以根据客户需求的节点数量（0～80），搭配相应的风扇窗及风扇数量，将不使用的风扇位置用挡板挡死。通过这种灵活的搭配极大提高产品的易用性及多样性。

二、如附图3所示，设置两级热拔插保护：

第一级保护，在风扇控制板上设置热交换芯片，该热交换芯片通过I2C总线接入上述管理主板，该热交换芯片还连接有铜排，在管理主板与热交换芯片之间的风扇控制板上还设置有风扇控制板检测电路和风扇控制板电流监控电路，进而形成初步热插拔保护电路，当风扇控制板发生故障时，电流增大触发管理主板控制热交换芯片断开铜排与机柜的电连，不影响整机柜其它单元正常运行。

第二级保护，在单个风扇处设置热拔插保护电路，该保护电路包括连接风扇的热拔插保护芯片，热拔插保护芯片通过I2C总线连接上述管理主板，当风扇电流超过过流保护电流值时，热插拔保护芯片触发风扇断电，该热拔插保护芯片还连接有设置在风扇控制板上的自恢复电路，当故障风扇替换后，该自恢复电路启动恢复风扇的正常运转。

如附图4所示，所述第二级保护的热插拔保护电路具体结构包括热拔插保护芯片U1，该U1包括10个针脚：针脚1为允许电压输入引脚；针脚2为参考电压输入引脚；针脚3为充电电流设定、充电电流监控和停机引脚；针脚4为定时器输入引脚；针脚5为接地引脚；针脚6为电源输出有效引脚；针脚7电压输出引脚；针脚8为N沟道MOS管连接引脚；针脚9为采样电阻引脚；针脚10为供电电压输入引脚；

其中针脚1经过电阻R1接入电源输入端，针脚2顺序经过电阻R3、R4后接地，针脚3经过电阻R4后接地，针脚4经过电容C6后接地，针脚5接地，针脚6经电阻R5后接电源输出端，针脚7直接接电源输出端，针脚8经电阻R6后接N沟道MOS管的栅极，该MOS管的源极接电源输出端、漏极经电阻R7接电源输入端，针脚9经电阻R7接电源输入端，针脚10直接连接电源输入端。

三、设置风扇转速检测及通过PWM进行风扇转速管理：

如附图5所示，设置N个与机柜每层相对应的风扇拔插板，该风扇拔插板上设置有监控芯片，该监控芯片通过设置在风扇插拔板上的ESD保护电路与每个风险相连通，所述监控芯片通过U2C总线与管理主板通信连接，该监控芯片对每个风扇的转速检测并通过PWM信号对每个风扇进行转速管理。

这样在风扇监控电路中能够同时检测多个风扇的转速信息，比提供相关信号给检测芯片根据其信号特征进行PWM管理，并且通过肖特基二极管BAT54C对风扇转速检测信号及PWM信号进行ESD防护，稳定其工作电压，提高工作性能。

四、在风扇控制板上安装温度传感器，实时监测机柜服务器内的环境温度，并将该温度信息传递给上述监控芯片。

每块风扇控制板均可以通过温度传感器实时监测机柜服务器内的环境温度，并及时的传递给监控芯片，从而实现根据环境的温度变换对风扇墙上的所有风扇的转速进行智能的自动调整，提高了风扇监控的实时性，保证风扇的合理运行，有效降低了系统散热功耗和噪音水平，同时保证了散热系统的冗余性。

该散热方案根据实测值把中板的调控温度分为四个区间：小于27℃，27℃～31℃，31℃～34℃，大于34℃。四个温度区间对应的风扇墙起始转速分别设置为：10%，15%，20%，30%。机柜管理主板根据通过I2C检测到的机柜温度与上述温度区间相对应，并通过SMB总线连接风扇传感器，对相应的寄存器进行访问，监控风扇转速，并根据相对应温度区间的调控方案进行智能调控。例如，当中板温度为31℃～34℃风扇起始转速为20%时，系统的功耗与风扇转速的调控曲线如附图7所示。

另外，当通过FANCTL信号检测到单个风扇损坏时，管理主板通过PWM信号控制其余风扇，按照调速策略提升风扇转速，同时输出风扇损坏报警日志信息并进行报警，方便客户进行风扇的热拔插更换。

五、在风扇控制板上增加固定转速电路、转速自动切换电路：当机柜管理主板故障或断电时，风扇控制板按照固定转速电路预设的风扇转速运转；当机柜管理主板正常工作时，控制该控制信号的电平变化，转速自动切换电路切换到由管理主板控制风扇控制板，从而控制风扇转速。

所述固定转速电路包括控制转速电路，该控制转速电路连接其控制的风扇；所述转速自动切换电路包括连接风扇且实现自动切换功能的MCU、与该MCU连接的RMC芯片、该MCU和RMC芯片均连接逻辑控制电路。

如附图6所示，所述固定转速电路的详细内容包括通用定时器U2，该U2包括8个针脚：针脚1为接地引脚；针脚2为控制端输入引脚；针脚3为输出引脚；针脚4为复位信号输入端；针脚5为屏显绿色输出引脚；针脚6为高触发引脚；针脚7为放电端引脚；针脚8为供电电压输入引脚；

其中电压输入端分成三组：第一组经并联的电容C8和C9后接地；第二组连接U2的针脚4和针脚8；第三组经单刀双掷开关sw1后接入并联的电阻R10和R11，该并联电阻R10和R11的输出端也分成两条线路，第一条直接接入针脚7，第二条经单刀双掷开关sw2后接入并联的电阻R8和R9后再分成两条线路，第一条经电容C10后接地，第二条接入U1的针脚2和针脚6；

上述U1的针脚1接地，针脚3接输出端，针脚5经电容C7后接地。

上述两个单刀双掷开关可分别选择36%、48%、52%、64%转速的电路，根据实际应用进行预设电路选择。

六、在风扇控制板上安装逻辑控制芯片，然后对每个风扇进行ID编码识别，并通过逻辑检测芯片完成风扇absent检测。

所述absent检测过程为：逻辑检测芯片的IO口初始状态设置为高电平，当风扇插入该IO口则变为低电平，完成该风扇的在位检测，然后逻辑检测芯片通过I2C将风扇信息传送给管理主板，完成风扇ID识别、故障风扇告警时ID识别、风扇在位检测功能。

七、如附图8所示，在风扇控制板上安装电平转换芯片，该电平转换芯片连接管理主板，管理主板根据检测到的风扇状态控制该电平转换芯片的IO高低电平变化，实现信号灯的状态提示，即实现每个风扇的ok（绿色）LED灯、Fail（红色）灯的状态控制。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种高密度机柜散热集中管理方法，其特征在于其具体实现过程为：

一、设置散热构架：将整个机柜设置成N层，每层为一个风扇窗且均匀分布若干散热风扇；每个风扇窗内的所有风扇由一个风扇控制板控制和供电，所述风扇控制板上均设置有管理主板；

二、设置两级热拔插保护：

第一级保护，在风扇控制板上设置热交换芯片，该热交换芯片通过I2C总线接入上述管理主板，该热交换芯片还连接有铜排，在管理主板与热交换芯片之间的风扇控制板上还设置有风扇控制板检测电路和风扇控制板电流监控电路，进而形成初步热插拔保护电路，当风扇控制板发生故障时，电流增大触发管理主板控制热交换芯片断开铜排与机柜的电连；

第二级保护，在单个风扇处设置热拔插保护电路，该保护电路包括连接风扇的热拔插保护芯片，热拔插保护芯片通过I2C总线连接上述管理主板，当风扇电流超过过流保护电流值时，热插拔保护芯片触发风扇断电，该热拔插保护芯片还连接有设置在风扇控制板上的自恢复电路，当故障风扇替换后，该自恢复电路启动恢复风扇的正常运转；

三、设置风扇转速检测及通过PWM进行风扇转速管理：

设置N个与机柜每层相对应的风扇拔插板，该风扇拔插板上设置有监控芯片，该监控芯片通过设置在风扇插拔板上的ESD保护电路与每个风险相连通，所述监控芯片通过U2C总线与管理主板通信连接，该监控芯片对每个风扇的转速检测并通过PWM信号对每个风扇进行转速管理；

四、在风扇控制板上安装温度传感器，实时监测机柜服务器内的环境温度，并将该温度信息传递给上述监控芯片；

五、在风扇控制板上增加固定转速电路、转速自动切换电路：当机柜管理主板故障或断电时，风扇控制板按照固定转速电路预设的风扇转速运转；当机柜管理主板正常工作时，控制该控制信号的电平变化，转速自动切换电路切换到由管理主板控制风扇控制板，从而控制风扇转速；

六、在风扇控制板上安装逻辑控制芯片，然后对每个风扇进行ID编码识别，并通过逻辑检测芯片完成风扇absent检测；

七、在风扇控制板上安装电平转换芯片，该电平转换芯片连接管理主板，管理主板根据检测到的风扇状态控制该电平转换芯片的IO高低电平变化，实现信号灯的状态提示。

2.根据权利要求1所述的一种高密度机柜散热集中管理方法，其特征在于：所述机柜分为4层，每层高度为10U，每个风扇窗内通过风道隔离分成9个独立散热区域，每个散热区域内置一个散热风扇。

3.根据权利要求1所述的一种高密度机柜散热集中管理方法，其特征在于：所述步骤四中管理主板通过监控芯片发送的温度区间调控风扇转速：即温度小于27℃、27℃～31℃、31℃～34℃、大于34℃时，对应的风扇起始转速分别为：10%、15%、20%、30%。

4.根据权利要求1所述的一种高密度机柜散热集中管理方法，其特征在于：所述固定转速电路包括控制转速电路，该控制转速电路连接其控制的风扇；所述转速自动切换电路包括连接风扇且实现自动切换功能的MCU、与该MCU连接的RMC芯片、该MCU和RMC芯片均连接逻辑控制电路。

5.根据权利要求4所述的一种高密度机柜散热集中管理方法，其特征在于：所述固定转速电路的详细内容包括通用定时器U2，该U2包括8个针脚：针脚1为接地引脚；针脚2为控制端输入引脚；针脚3为输出引脚；针脚4为复位信号输入端；针脚5为屏显绿色输出引脚；针脚6为高触发引脚；针脚7为放电端引脚；针脚8为供电电压输入引脚；

其中电压输入端分成三组：第一组经并联的电容C8和C9后接地；第二组连接U2的针脚4和针脚8；第三组经单刀双掷开关sw1后接入并联的电阻R10和R11，该并联电阻R10和R11的输出端也分成两条线路，第一条直接接入针脚7，第二条经单刀双掷开关sw2后接入并联的电阻R8和R9后再分成两条线路，第一条经电容C10后接地，第二条接入U1的针脚2和针脚6；

上述U1的针脚1接地，针脚3接输出端，针脚5经电容C7后接地。

6.根据权利要求1所述的一种高密度机柜散热集中管理方法，其特征在于：所述步骤六中absent检测过程为：逻辑检测芯片的IO口初始状态设置为高电平，当风扇插入该IO口则变为低电平，完成该风扇的在位检测，然后逻辑检测芯片通过I2C将风扇信息传送给管理主板，这里的风扇信息包括：风扇ID、故障风扇告警时ID、风扇在位检测结果。

7.根据权利要求1所述的一种高密度机柜散热集中管理方法，其特征在于：所述第二级保护的热插拔保护电路具体结构包括热拔插保护芯片U1，该U1包括10个针脚：针脚1为允许电压输入引脚；针脚2为参考电压输入引脚；针脚3为充电电流设定、充电电流监控和停机引脚；针脚4为定时器输入引脚；针脚5为接地引脚；针脚6为电源输出有效引脚；针脚7电压输出引脚；针脚8为N沟道MOS管连接引脚；针脚9为采样电阻引脚；针脚10为供电电压输入引脚；

其中针脚1经过电阻R1接入电源输入端，针脚2顺序经过电阻R3、R4后接地，针脚3经过电阻R4后接地，针脚4经过电容C6后接地，针脚5接地，针脚6经电阻R5后接电源输出端，针脚7直接接电源输出端，针脚8经电阻R6后接N沟道MOS管的栅极，该MOS管的源极接电源输出端、漏极经电阻R7接电源输入端，针脚9经电阻R7接电源输入端，针脚10直接连接电源输入端。