CN107829967A - 一种设备散热风扇智能管理装置及方法 - Google Patents

一种设备散热风扇智能管理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种散热风扇智能管理装置，包括数字可调降压模块、微处理器和供电模块；微处理器根据感知到的当前设备运行温度实时控制数字可调降压模块，数字可调降压模块在微处理器的控制下将设备电源模块输出的电源进行降压、滤波处理，并输出不同大小的散热风扇工作电压；供电模块为微处理器提供稳定的工作电源。进一步的，还公开具有该装置的设备及散热风扇智能管理方法。通过本发明所述的散热风扇智能管理装置，可以对设备的散热风扇进行智能化管理，抑制风扇对系统电源的干扰，延长风扇的使用寿命，降低设备输出噪声，从而实现最大效率、最低噪声的设备散热处理。

Description

一种设备散热风扇智能管理装置及方法
技术领域
本发明属于专用通信电子设备低噪声风冷散热技术领域，具体涉及一种设备散热风扇智能管理装置及方法。
背景技术
目前多种整机设备的功耗都越来越高，设备的散热对于工作可靠性影响至关重要。大功率的有源器件工作时所产生的热量，将导致板卡内其它芯片和设备内其他板卡的温度升高，如果没有及时有效的将热量导出，就可能导致设备内部板卡和芯片长期工作在较高的温度环境下，从而导致器件性能恶化或损坏。所以选用合适的散热方式，并进行最优的设计，是保证设备长时间可靠工作的基本条件。
常用的设备散热方法有自然风冷、强制风冷和水冷等。自然风冷通常采用在发热单元安装散热片的方式，利用冷热空气的密度差造成的空气对流将热量导出，实现比较容易，成本也较低，但散热效率不高，不适用于高发热量的整机设备。强制风冷是利用风扇强制空气对流，将散热片上的热量及时传导到周围环境，达到散热的目的，其实现结构简单，价格相对低廉，安全可靠，但散热风扇的高速转动，会产生较高的空气扰动噪声和电磁信号干扰，风扇的工作寿命也有一定的时间限制。水冷散热的原理和强制风冷很相似，只是用液体代替气体来作为导热介质，水道管路代替风道，导热效率会更高，但实现结构复杂，成本较高，目前在设备中应用还不太广泛。
发明内容
本发明目的是，公开一种散热风扇智能管理装置及方法，可以对设备的散热风扇进行智能化管理，延长风扇的使用寿命，降低设备输出噪声，从而实现最大效率、最低噪声的设备散热处理。
本发明公开一种设备散热风扇智能装置，包括数字可调降压模块、微处理器和供电模块；微处理器根据感知到的当前设备运行温度实时控制数字可调降压模块，数字可调降压模块在微处理器的控制下将设备电源模块输出的电源进行降压、滤波处理，并输出不同大小的散热风扇工作电压；供电模块为微处理器提供稳定的工作电源。
作为一种优选方案，数字可调降压模块配置有依次连接的输入电源滤波电容、电源降压芯片及外围电路、输出电源滤波电容；输入电源滤波电容用于抑制散热风扇电源与设备电源之间的干扰信号；电源降压芯片及外围电路用于控制散热风扇的工作状态(运行或停止)及调整散热风扇的工作电压；输出电源滤波电容用于降低电源降压芯片及外围电路输出电源的纹波，提高电源信号质量。
作为一种优选方案，电源降压芯片及外围电路包括电源降压芯片、使能控制IO口和电压控制IO口；使能控制IO口输出用于控制散热风扇的工作状态(运行或停止)的电源降压芯片工作使能控制信号；电压控制IO口具有多个输出电压配置端口，通过控制各输出电压配置端口有效与否配置不同大小的散热风扇工作电压。
作为一种优选方案，电压控制IO口具有八个输出电压配置端口，输出电压分别为0.1V、0.2V、0.4V、0.8V、1.6V、3.2V、6.4V，通过控制各输出电压配置端口有效与否，配置8.0V～14.5V，最小变化步进为0.5V的散热风扇工作电压。
作为一种优选方案，微处理器通过内置的温度传感器感知当前设备运行温度，或通过与微处理器电连接的设备温度检测模块感知当前设备运行温度。
作为一种优选方案，该装置还包括至少两个负载电流检测模块，用于实时检测所连接的散热风扇的工作电流，并将检测到的散热风扇的工作电流输出至微处理器；微处理器根据负载电流检测模块输出的散热风扇的工作电流判断散热风扇是否工作正常，并在散热风扇工作异常时，关闭散热风扇。
作为一种优选方案，该装置还包括与微处理器电连接的报警模块，用于在负载电流检测模块检测到风扇工作异常时，向设备主控单元发出告警信号。
作为一种优选方案，该装置还包括与微处理器电连接的存储模块，微处理器实时统计散热风扇的累计工作时间、加电连续工作时间和负载功率数据中的至少一种，并记录于存储模块。
本明还公开一种设备，包括设备主控单元、设备电源模块、散热风扇、以及具有上述特征的设备散热风扇智能装置。
本明还公开一种设备散热风扇智能管理方法，采用散热风扇智能管理装置对设备的散热风扇进行智能管理，散热风扇智能管理装置配置有数字可调降压模块、负载电流检测模块、微处理器和供电模块；微处理器根据感知的当前设备运行温度来实时控制数字可调降压模块，数字可调降压模块在微处理器的控制下将设备电源模块输出的电源进行降压、滤波处理，并输出不同大小的散热风扇工作电压；供电模块为微处理器提供稳定的工作电源；通过设备主控单元预设的控制程序配置散热风扇工作在静态控制模块或动态控制模式；静电控制模式时，散热风扇输出固定的工作电压；动态控制模式时，微处理器根据感知到的设备温度变化动态调整散热风扇的工作电压。
作为一种优选方案，设备启动且未收到设备主控单元发出的控制指令时，散热风扇智能管理装置默认选择动态控制模式并使散热风扇工作在最大风量；在动态控制模式下，微处理器根据感知到的设备温度变化动态调整散热风扇的工作电压；当接收到设备主控单元发出的切换至静态控制模式的控制指令时，根据指令要求设置散热风扇在静态控制模式下的工作电压。
作为一种优选方案，散热风扇智能管理装置还配置有负载电流检测模块和报警模块，负载电流检测模块实时检测散热风扇的工作电流，并将检测到的散热风扇的工作电流输出至微处理器；微处理器根据散热风扇的工作电流判断散热风扇是否工作正常，若异常，则关闭散热风扇电源并通过报警模块向设备主控单元发出告警信号，若正常，则根据设备主控单元预设的控制程序配置散热风扇工作在静态控制模块或动态控制模式。
作为一种优选方案，控制数字可调降压模块的输入电压不小于15V；动态控制模式时，微处理器控制数字可调降压模块输出电压的范围为8.0V～14.5V，最小变化步进为0.5V，从而为散热风扇提供14种不同的工作电压。
作为一种优选方案，散热风扇智能管理装置还配置有与微处理器电连接的存储模块，微处理器实时统计散热风扇的累计工作时间、加电连续工作时间和负载功率数据中的至少一种，并记录于存储模块。
本发明所公开的设备散热风扇智能管理装置及方法能非常好的用于设备内部散热风扇的智能管理，具有以下有益效果：
(1)实时感知设备内部温度，根据感知到的温度来控制输出给散热风扇的工作电压，通过配置输出给风扇不同的工作电压，让其工作在不同的功率、风量、噪声等性能状态下，能同时对多个散热风扇进行智能管理，实现对设备最优散热的同时，达到最小的噪声输出，保证设备低噪声指标的要求，实现最大效率、最低噪声的设备散热处理。
(2)将设备工作电源经过降压、滤波处理后再输出给散热风扇，可以有效隔离风扇对系统电源的有线串扰。
(3)可同时管理多个散热风扇，实时检测风扇的工作电流，监控风扇运行状态，当风扇出现过流、断路等故障时还能及时处理并向设备发出告警信号，提高时频设备的风扇模块感知能力和长时间工作可靠性。
(4)还可以统计风扇的累计工作时间、加电连续工作时间和负载功率，通过与风扇的可靠工作时间指标进行比较，可以预估出风扇剩余工作寿命，实现对风扇进行及时、有效、长时的管理、统计、检测，降低了风扇故障后对设备工作造成的影响。
(5)该装置主要通过硬件平台，软件检测、决策、执行的方式，具有较好的可编程特性，方便不同的设备使用的可更改、优化能力。
(6)将风扇隔离成一个相对独立的设备子系统，降低了其与设备之间的耦合，更利于设备模块化、标准化设计的趋势。
附图说明
图1为散热风扇智能管理装置组成框图；
图2为微处理器信号连接框图；
图3为微处理器内部资源框图；
图4为散热风扇电源处理电路图；
图5为散热风扇智能管理装置PCB正面示意图；
图6为散热风扇智能管理装置PCB反面示意图；
图7为散热风扇智能管理方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
结合图1至图3所示，实施例1公开一种用于时频设备的散热风扇智能管理装置(简称该装置)，该装置主要由风扇电源降压、检测电路和微处理器控制电路组成。风扇电源降压、检测电路主要将设备主电源降压、滤波后输出给风扇供电，并检测风扇工作电流。微处理器控制电路主要采集风扇的工作电流和设备的工作温度，通过软件算法控制风扇的工作状态，并通过串口保持与时频设备的主控单元的通信和管理。该时频设备具有两个散热风扇，散热风扇智能管理装置用于时频设备中两个散热风扇的智能管理，当然，也可以设计时频设备具有多个散热风扇。并且，该装置也可以用于需要小功率散热风扇的其它设备，例如通信类专用设备等。
如图1所示，散热风扇智能管理装置主要由数字可调降压模块，负载电流检测模块，微处理器和微处理器供电模块组成。数字可调降压模块和负载电流检测模块构成风扇电源降压、检测处理电路，具体可由输入电源滤波电容、电源降压芯片及外围电路、输出电源滤波电容、电源指示发光二极管、两个负载电流检测芯片及外围电路组成；微处理器和微处理器供电模块构成微处理器控制电路。
数字可调降压模块在微处理器的控制下，可以将设备电源模块输入的电源进行降压、滤波处理，输出不同的电压给风扇供电，让风扇工作在不同的功率和风量状态下。负载电流检测模块实时检测每路风扇的工作电流，并输出给微处理器，判断其是否正常。如果微处理器判断负载电流检测模块检测到的风扇工作电流出现异常，则控制经数字可调降压模块的输出电压，以及时关闭风扇电源，避免风扇故障后造成更大的损伤，进一步，还可通过与处理器电连接的告警模块(在图中未视出)及时向设备主控单元上报风扇故障状态，以便调整整机工作状态并给出相应故障告警。风扇正常工作时，微处理器通过内部的温度传感器实时检测时频设备工作温度，在动态控制模式下，微处理器根据检测到的当前时频设备温度来实时控制风扇工作的工作电压，让其工作在最优的散热和最低的噪声状态下，将时频设备的产生的热量及时导出，延长了风扇的工作寿命，更控制了设备的风扇输出噪声，提高了设备低噪声指标性能。实施例中选用内置温度传感器的微处理器，这样能更节省硬件资源和空间，当然也可以采用外置温度传感器来实时检测时频设备的温度。
结合图2和图3所示，微处理器集成了与8051单片机兼容的处理器内核，17个通道可配置10位ADC，16K字节可在系统编程的FLASH存储器，1280字节的片内RAM，SPI和UART串行通信接口(即串口)，25个数字GPIO口(P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0)。
微处理器是该装置的通信、决策和控制中心，时频设备主控单元可以通过串口与散热风扇智能管理装置的微处理器连接通信，通过预设的控制程序来配置风扇工作在静态控制模块或动态控制模式。当静电控制模式时，风扇会工作在一个固定的工作电压下；当动态控制模式时，微处理器会实时检测设备的温度并通过相应的优化算法，调整风扇的工作电压，让风扇的散热能力与设备工作温度相匹配，根据温度的变化进行实时的动态调整，以保持设备内部的正常工作温度。
实施例1中的风扇电源降压、检测电路主要由输入电源滤波电容、电源降压芯片及外围电路、输出电源滤波电容、电源指示发光二极管、两个负载电流检测芯片及外围电路组成。如图4所示，1是系统输入电源信号，其电压不小于15V；2是输入电源信号滤波电容组，可以抑制风扇电源与系统电源之间的干扰信号；3是电源降压芯片，该芯片可通过软件控制其进入休眠状态，也可设置其输出电压值；4是降压输出电源信号滤波电容组，可以有效的降低输出电源的纹波，提高电源信号质量；5是使能控制IO口，输出电源降压芯片工作使能控制信号，通过该信号可以打开或关闭风扇；6是电压控制IO口，是电源降压芯片输出电压控制信号，通过该控制IO口可将电源输出电压控制为如表1中所示的14种；7是装置电源工作指示灯，当输出有电压时发光二极管亮，无输出电压时二极管不亮；8是第一路风扇工作电流检测芯片；9是第二路风扇工作电流检测芯片；10是第一路风扇工作电源；11是第一路风扇工作电流信号，其输出到微处理器进行实时检测，检测风扇的运行状态，判断其是否正常；12是第二路风扇工作电源；13是第二路风扇工作电流信号，其输出到微处理器进行实时检测，检测风扇的运行状态，判断其是否正常。
如图5所示，设备散热风扇智能管理装置的印制板正面主要包括：风扇智能管理装置印制板14；输入电源信号滤波电容组15；处理器供电降压电源16，给微处理器提供3V工作电压；第一路风扇工作电流检测电路17；第二路风扇工作电流检测电路18；印制板安装固定孔19，由两个M3螺丝固定与底板。如图6所示，设备散热风扇智能管理装置印制板的反面主要包括：对外信号接口插座20，共10芯，通过该插座将系统电源输入，与设备主控单元进行通信；4微处理器电路21；4风扇电源处理电路22；4降压输出电源信号滤波电容组23；4风扇1连接器24，通过它与风扇连接；4风扇2连接器25。印制板的外形尺寸为66mm×16.5mm。
电压控制IO口6具有8个输出电压配置端口，电源降压芯片3可通过微处理器控制输出电压配置端口的状态，配置电压控制IO口6的输出电压从8.0V到14.5V，最小变化步进为0.5V，共14种不同的电压供风扇工作，具体可参加表1。表1中，输出电压为勾选的降压芯片输出电压配置端口的输入电压之和。
表1
设备选用的风扇在标准工作电压12V时，功耗为2.2W，此时可以算出风扇的额定负载，再算出在14种不同的工作电压下的工作功耗。具体如下：
U＝12V，P＝2.2W
以上公式根据风扇的工作电压和功率，算出其负载电阻约为65Ω。
将电阻代入以上公式计算出风扇在8V工作电压时的功率约为0.98W，按照同样的方法算出表1的14中工作电压下的功率如表2所示。从该表中可看出风扇的功率可控范围从0.98W到3.21W，已经完全满足对其风量和噪声的控制要求。
表2
序号 工作电压 工作功率
1 8.0V 0.98W
2 8.5V 1.10W
3 9.0V 1.24W
4 9.5V 1.38W
5 10.0V 1.53W
6 10.5V 1.68W
7 11.0V 1.85W
8 11.5V 2.02W
9 12.0V 2.20W
10 12.5V 2.39W
11 13.0V 2.58W
12 13.5V 2.78W
13 14.0V 2.99W
14 14.5V 3.21W
如图7所示，实施例2公开了一种设备散热风扇智能管理方法。
设备主控单元通过串口与散热风扇智能管理装置内的微处理器通信控制选择风扇的工作模式，微处理器根据接收到的控制指令执行当前工作模式，主要包括动态控制模式和静态控制模式。
当未收到设备主控单元发出的控制指令时，散热风扇智能管理装置默认选择动态控制模式。该装置在接收设备主控单元的指令前，首先让风扇工作在最大风量下，并检测此时的电流是否正常，如果正常，继续工作；如果异常，立刻关闭风扇电源，并通过串口向设备主控单元发出故障信号。
散热风扇智能管理装置选择进入动态控制模式后，首先检测设备的工作温度，通过内部的智能算法判断此时是否需要调整风扇电压(即通过散热风扇智能管理装置输出至散热风扇的工作电压)。当温度偏高时，调高风扇电压；当温度偏低时，调低风扇电压。完成一次温度判断(即一个控制周期)后，再次接收外部指令(即设备主控单元发出的控制指令)，询问是否需要切换到静态模式，如果需要，即进入静态控制模式；如果不需要，即判断当前工作电流是否正常，正常时，回到动态控制模式入口，进行再一次的控制循环，异常时，立刻关闭风扇电源，并向设备主控单元发出故障信号。
选择进入静态控制模式后，开始接收散热风扇工作电压的外部指令，有指令时，按照指令要求设置静态控制模式下的散热风扇电压；未收到指令，即不设置散热风扇电压。接着询问是否需要切换到动态控制模式，如果需要切换，即进入动态控制模式循环；如果不需要，即检测散热风扇工作电流是否正常，正常时，回到指令接收端，开始静态控制模式的下一个循环周期，不正常时，立刻关闭散热风扇电源，并向设备主控单元发出故障信号。
在上述过程中，故障信号主要包括过流故障、断路故障，具体可根据散热风扇及设备的性能参数等设置不同的工作电流门限，将当前工作电流与工作电流门限实时比较，在故障或失效时进行告警上报。
综上可见，实施例中，散热风扇智能管理装置及方法能很好地对时频设备的多个散热风扇同时进行智能化管理，将设备电源模块输出电源信号经过降压、滤波处理后输出给时频设备的散热风扇，有效隔离散热风扇对设备电源的有线串扰，延长散热风扇的使用寿命，降低设备输出噪声。此外，还可以通过微处理器来统计散热风扇的连续工作时间，当散热风扇加电工作时，微处理器即开始计时直到设备断电前，计算散热风扇工作时间，设备断电前与加电工作开始计时的时间差即为风扇连续工作时间。通过感知设备的工作温度和散热风扇的工作电流，统计散热风扇连续工作时间，并合理配置散热风扇的工作电压和功率，让其根据检测到的设备状况及散热风扇自身状况运行在不同的功率、风量、噪声等性能状态下，实现对设备最优散热的同时，达到最小的噪声输出，保证时频设备低噪声指标的要求。并且，当检测到散热风扇出现过流、断路等故障时，还可以及时处理并向时频设备主控单元输出告警信号，从而提高时频设备的风扇感知能力和长时间工作可靠性。
在实际应用时，该散热风扇智能管理装置不仅可以用于时频设备的散热风扇管理，还可以为用于需要小功率散热风扇的其它设备，例如通信类专用设备等。并且，该散热风扇智能管理装置还可根据需求设计同时管理多个散热风扇。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种设备散热风扇智能装置，其特征在于，包括数字可调降压模块、微处理器和供电模块；
所述微处理器根据其内置传感器感知到的当前设备运行温度实时控制数字可调降压模块；
所述数字可调降压模块在微处理器的控制下将设备电源模块输出的电源进行降压、滤波处理，并输出不同大小的散热风扇工作电压；
所述供电模块为微处理器提供稳定的工作电源。
2.如权利要求1所述的智能管理装置，其特征在于，所述数字可调降压模块配置有依次连接的输入电源滤波电容、电源降压芯片及外围电路、输出电源滤波电容；
所述输入电源滤波电容用于抑制散热风扇电源与设备电源之间的干扰信号；
所述电源降压芯片及外围电路用于控制散热风扇的工作状态及调整散热风扇的工作电压；
所述输出电源滤波电容用于降低电源降压芯片及外围电路输出电源的纹波，提高电源信号质量。
3.如权利要求1所述的智能管理装置，其特征在于，还包括至少两个负载电流检测模块；负载电流检测模块实时检测所连接的散热风扇的工作电流，并将检测到的散热风扇的工作电流输出至微处理器，微处理器根据负载电流检测模块输出的散热风扇的工作电流判断散热风扇是否工作正常，并在散热风扇工作异常时，关闭散热风扇。
4.如权利要求1所述的智能管理装置，其特征在于，还包括与微处理器电连接的报警模块，用于在负载电流检测模块检测到风扇工作异常时，向设备主控单元发出告警信号。
5.一种设备，其特征在于，包括设备主控单元、设备电源模块、散热风扇、以及如权利要求1至4任意一项所述的设备散热风扇智能装置。
6.一种设备散热风扇智能管理方法，其特征在于，采用散热风扇智能管理装置对设备的散热风扇进行智能管理，散热风扇智能管理装置配置有数字可调降压模块、负载电流检测模块、微处理器和供电模块；
微处理器根据感知的当前设备运行温度来实时控制数字可调降压模块，数字可调降压模块在微处理器的控制下将设备电源模块输出的电源进行降压、滤波处理，并输出不同大小的散热风扇工作电压；供电模块为微处理器提供稳定的工作电源；
通过设备主控单元预设的控制程序配置散热风扇工作在静态控制模块或动态控制模式；静电控制模式时，散热风扇输出固定的工作电压；动态控制模式时，微处理器根据感知到的设备温度变化动态调整散热风扇的工作电压。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，
设备启动且未收到设备主控单元发出的控制指令时，散热风扇智能管理装置默认选择动态控制模式并使散热风扇工作在最大风量；
在动态控制模式下，微处理器根据感知到的设备温度变化动态调整散热风扇的工作电压；
当接收到设备主控单元发出的切换至静态控制模式的控制指令时，根据指令要求设置散热风扇在静态控制模式下的工作电压。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，散热风扇智能管理装置还配置有负载电流检测模块和报警模块，
负载电流检测模块实时检测散热风扇的工作电流，并将检测到的散热风扇的工作电流输出至微处理器；微处理器根据散热风扇的工作电流判断散热风扇是否工作正常，若异常，则关闭散热风扇电源并通过报警模块向设备主控单元发出告警信号，若正常，则根据设备主控单元预设的控制程序配置散热风扇工作在静态控制模块或动态控制模式。
9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，控制数字可调降压模块的输入电压不小于15V；动态控制模式时，微处理器控制数字可调降压模块输出电压的范围为8.0V～14.5V，最小变化步进为0.5V，从而为散热风扇提供14种不同的工作电压。
10.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，散热风扇智能管理装置还配置有与微处理器电连接的存储模块，微处理器实时统计散热风扇的累计工作时间、加电连续工作时间和负载功率数据中的至少一种，并记录于存储模块。
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