CN109416566B - 使用温度和功率传感器的预测性热控制管理 - Google Patents

Abstract

本公开的实施方案包括被构造成冷却电子设备的微控制器。所述微控制器被构造成接收所述电子设备的功耗值；基于所述功耗值和存储的先前功耗值确定更改值，所述更改值表示所述电子设备的功耗与所述电子设备的先前功耗相比的更改量；至少部分地基于所述更改值来确定输出冷却控制值；以及使用所述输出冷却控制值控制用于冷却所述电子设备的输出。

Description

使用温度和功率传感器的预测性热控制管理

技术领域

本公开涉及电功率控制系统。更具体地讲，本公开涉及用于降低在空气冷却系统中的电扇的功耗的功率控制系统和方法。

相关专利申请

本申请要求2016年8月25日提交的美国临时申请62/379,688的优先权，该申请的内容据此全文以引用方式并入。

背景技术

在操作期间由电子设备生成的热以各种方式耗散。使用例如空气、流体或散热器的冷却系统可附接至电子设备或集成到电子设备中。用于电子设备的冷却系统通常本身包括有助于耗散热的电子部件。最为常见的此类部件为电扇，其通过移动空气来冷却电子设备。另一个示例性部件为流体泵，该流体泵通过管并跨电子设备移动流体。当然，通电的冷却系统消耗电功率并产生对应的公用设施成本。

附图说明

图1是示出根据本公开的实施方案的冷却系统的框图。

图2示出根据本公开的实施方案的用于降低电子设备的冷却系统的功耗的另一个示例性装置。

图3示出根据本公开的实施方案的比例积分微分(PID)控制器的逻辑图。

图4是示出根据本公开的实施方案的用于冷却系统的方法的流程图。

图5示出根据本公开的实施方案的曲线图，该曲线图示出电子设备和风扇随时间推移的示例性记录的功率使用值。

发明内容

本公开提供了装置，该装置通过在电子设备的功率使用减少时，减少冷却系统的一个或多个部件的功耗来降低电子设备的冷却系统的平均功耗或功率使用。在本公开的一个方面，该装置包括功率传感器，该功率传感器周期性地检测电子设备的功耗或功率使用，并产生表示检测到的功率使用的功率使用值，以及与功率传感器和风扇电子通信的微控制器，该风扇以第一风扇速度旋转并将空气吹送到电子设备上。微控制器接收功率使用值并执行存储的程序指令以：根据功率使用值以及存储的先前功率使用值确定减少值，该减少值表示电子设备的功率使用与电子设备的先前功率使用相比减少的量；至少部分地基于第一风扇速度以及减少值来确定第二风扇速度，该第二风扇速度低于第一风扇速度；以及控制风扇以第二风扇速度旋转。在一些实施方案中，微控制器可进一步与温度传感器电子通信，该温度传感器周期性地检测电子设备的温度并产生表示检测到的温度的温度值，并且微控制器可接收温度值并进一步根据温度值确定第二风扇速度。

在本公开的另一方面，描述了用于降低电子设备的冷却系统的功耗的方法。该方法可在冷却系统的控制器中实现，并且包括：从功率传感器接收第一功率使用值，该第一功率使用值表示电子设备在第一时间的功率使用；从功率传感器接收第二功率使用值，该第二功率使用值表示电子设备在第一时间之后的第二时间的功率使用；从温度传感器接收温度值，该温度值表示电子设备在第二时间的温度；接收第一风扇速度值，该第一风扇速度值表示冷却系统的风扇在第二时间的旋转速度；通过第一功率使用值和第二功率使用值确定减少值，该减少值表示电子设备的功率使用从第一时间到第二时间减少的量；通过减少值、温度值和第一风扇速度值确定低于第一风扇速度的第二风扇速度；以及控制风扇以第二风扇速度旋转。

在上述方面中，风扇速度以预测性方式降低：当电子设备开始使用较少功率时，则产生较少的热能。因此，风扇不必强效运行也能冷却电子设备；可降低风扇速度而不允许目标电子设备中的温度升高。较慢的风扇速度转换为风扇的较小功耗。相应地，降低了冷却系统的总体功耗。为了补充这些方面，本公开进一步提供了用于在电子设备中检测到功率使用增加时增加风扇速度的系统和方法。微控制器的另外的和替代的实施方案可对其他冷却系统部件(例如，流体泵或空调单元)提供与如风扇所公开的相同的功率管理。本公开的前述和其他优点将从以下描述中显现。

本公开的实施方案包括功率控制器，该功率控制器包含指令。这些指令在被加载并由处理器执行时，致使处理器接收指示电子设备的功耗的功耗值，根据功耗值以及存储的先前功耗值确定更改值，该更改值表示电子设备的功耗与电子设备的先前功耗相比的更改量。可进一步致使处理器至少部分地基于更改值来确定输出冷却控制值。可进一步致使处理器使用输出冷却控制值控制用于冷却电子设备的输出。与上述实施方案中的任一个组合，输出冷却控制值可为风扇速度。与上述实施方案中的任一个组合，可致使处理器在以第一风扇速度的先前功耗期间冷却电子设备。与上述实施方案中的任一个组合，更改值可为功耗的减少。与上述实施方案中的任一个组合，输出冷却值可表示低于第一风扇速度的第二风扇速度。与上述实施方案中的任一个组合，更改值可为功耗的增加，并且输出冷却值表示高于第一风扇速度的第二风扇速度。与上述实施方案中的任一个组合，更改值是功耗的减少，并且输出冷却值表示低于第一风扇速度的第二风扇速度，并且处理器接收温度数据，该温度数据指示温度在先前功耗期间并未降低。与上述实施方案中的任一个组合，可进一步致使处理器至少部分地基于电子设备的更改值和温度来确定输出冷却控制值。与上述实施方案中的任一个组合，可进一步致使处理器使用比例积分微分控制回路来确定输出冷却控制值。与上述实施方案中的任一个组合，可进一步致使处理器使用比例积分微分(PID)控制回路来确定输出冷却控制值，并使用更改值来调节PID控制回路的积分累加器。与上述实施方案中的任一个组合，可进一步致使处理器使用更改值预测实际温度变化之前的温度变化。

本公开的实施方案还可包括微控制器，该微控制器包括上述功率控制器中的任一个；或者由微控制器或功率控制器执行的方法。

具体实施方式

本公开提供了用于控制电子设备的冷却系统的一个或多个部件的功耗的系统和方法。可为生成热能或对温度敏感并且必须在操作期间冷却的许多不同类型的电子设备实施系统和方法。对作为服务器或其他类型的计算设备的电子设备的参考仅出于示例的目的并且不限制本公开适合其他电子设备的适用性和适应性。相似地，尽管参考用于控制风扇的功耗或速度的描述目的，但是本公开适用于消耗功率以在冷却系统内操作的其他类型的冷却系统部件。

图1是示出根据本公开的实施方案的冷却系统100的框图。冷却系统100可被构造成向诸如电子设备102的目标施加冷却效果。冷却效果可包括例如空气或液体冷却。

冷却系统100可包括控制器110，该控制器被构造成控制执行冷却效果的一个或多个单元的操作。执行冷却效果的单元可包括通电冷却部件112。通电冷却部件112可包括风扇、泵、空调或液体注入单元，并且可通过模拟和数字电路的任何合适的组合实现以进行物理冷却。控制器110能够以模拟和物理电路的任何合适的组合实现，诸如合适的微处理器、微控制器、控制板、或具有用于与其他设备通信的输入和输出接口的其他计算设备，以及用于控制器110执行以发送和接收信号和过程数据的程序逻辑/指令的存储器或其他存储装置。通电冷却部件112可以是被构造成消耗功率的部件，并且另外通电冷却部件112直接或间接地向电子设备102提供冷却效果。

在一些实施方案中，控制器110通过传输通电冷却部件112执行的程序指令来管理通电冷却部件112。除此之外或另选地，控制器110可通过脉宽调制(PWM)控制通电部件，该脉宽调制可为PWM信号或通电部件112电源或电流的直接PWM的形式。通电冷却部件112可通过控制信号致动并根据控制信号参数操作。例如，风扇的旋转速度可由PWM信号的脉冲宽度或周期确定：较短的脉冲宽度可致使风扇以更慢速度旋转。相应地，通电冷却部件112的功耗根据控制信号变化。使用风扇作为示例，致使风扇以较慢速度自旋的较短脉冲也致使风扇在操作期间使用较少电流。控制器110能够以预先确定的间隔或仅当控制器110更改控制信号的参数时，连续地将控制信号施加至通电冷却部件112。

控制器110可处理一个或多个输入以确定控制信号的参数。一个或多个输入可由通电冷却部件112本身提供。例如，控制器110可获取当前(即，实时)或先前记录的描述部件112的功耗的风扇速度或速率或其他值。先前记录的风扇速度可存储在存储器或查找表中。控制器110可除此之外或另选地接收作为输入的数据，该数据描述电子设备102的实时或过去的操作。一种此类输入可包括一个或多个温度传感器120产生的温度值。温度传感器120可被构造成监视电子设备102的温度。如果温度升高或处于特定阈值，控制器110可更新控制信号以提升冷却效果，或者如果温度值在可接受的范围内，可更新控制信号以降低冷却效果。

在一个实施方案中，控制器110可被构造成利用电子设备102的功率使用来确定如何操作通电冷却部件112。控制器110可从一个或多个功率传感器130接收功率使用的测量值。功率传感器130可被构造成测量或监视电子设备102的瞬时功率使用。瞬时功率使用值可表示例如流过或流向电子设备102的实时电流。瞬时功率使用值可表示电子设备102的功耗的另一特征，诸如使用的瓦特数。如下文进一步所述，控制器110可被构造成根据可由控制器110访问的历史功率使用信息来评估电子设备102的当前功率使用。历史功率使用信息可包括或衍生自先前记录的功率使用值，该功率使用值可由板载存储器或外部存储器中的控制器110存储和检索。控制器110可被构造成产生评估结果，该评估结果单独或与其他输入组合指示通电冷却部件112的控制信号可更改以降低通电部件112的功耗。

例如，控制器110可确定电子设备102的当前功率使用低于先前值，以负方向变化，并且因此减少。控制器110可例如因为电子设备102消耗功率较少并且因此产生较少的热能而预期需要较少的冷却效果时，更改控制信号中的脉冲宽度以根据电子设备102的减少的功率使用来降低风扇速度。例如，即使电子设备102的温度保持高于阈值(在该阈值处控制器110将以其他方式保持或增加风扇速度来保持或增加电子设备102的冷却)，也可做出这种决定。另外，控制器110可例如因为电子设备102消耗功率较多并且因此产生较多的热能而预期需要较多的冷却效果时，更改控制信号中的脉冲宽度以根据电子设备102的功率使用的增加的变化来提升风扇速度。例如，即使电子设备102的温度保持低于阈值(在该阈值处控制器110将以其他方式保持或降低风扇速度来保持或减少电子设备102的冷却)，也可做出这种决定。因此，控制器110可考虑尚未体现为温度变化的功率使用变化。

图2示出根据本公开的实施方案的用于降低电子设备200的冷却系统的功耗的另一个示例性装置。电子设备200可经由典型的电源装置接收直流电流(DC)；例如，交流电流(AC)电源(未示出)可向产生第一DC信号(例如，在12V/40W时)的AC/DC转换器202提供AC电流，并且DC/DC转换器204(其可为例如Microchip Technology,Inc.(“Microchip”)MIC45116)可接收并修改第一DC电流(例如，逐步降低电压至2-10V)并向电子设备200供应第二DC电流。

一个或多个传感器208,210可电连接至电子设备200的电源轨以测量温度、电流消耗/功率使用或两者。在各种实施方案中，第一传感器208可测量电子设备200的温度而第二传感器210可测量电子设备200的功率使用或反之亦然，或者传感器208,210可各自测量温度和功率使用。仅一个此类传感器可用在各种实施方案中。传感器208,210(其可连同内部温度传感器212为例如Microchip的EMC1704、EMC 14xx、PAC1921以及相似的传感器或模拟和数字电路的其他合适的组合)可生成一个或多个温度值和一个或多个功率使用值并且可将值发送至微控制器230(例如，经由I2C总线)。值可出于诊断目的发送。尽管I2C总线作为示例示出，可使用任何合适的总线。

AC/DC转换器202还可被构造成供应第一DC信号以向冷却系统的风扇220供电。在一些实施方案中，风扇电流传感器222可电连接至风扇220的电源轨以测量风扇功率使用。风扇电流传感器222(其可为例如Microchip PAC1921)可产生风扇功率使用值并将值发送至微控制器230(例如，经由I2C总线)。传感器222可以在任何合适的模拟或数字电路中实现。传感器222可被构造成作为转速计操作，其中来自传感器222的读数可与风扇220的风扇速度相关。

AC/DC转换器202可被构造成进一步向冷却系统的微控制器230供应电力。诸如Microchip MIC5209的稳压器232或相似的合适的线性低压差调节器可用于保持供应给微控制器230的稳定电压。微控制器230可由任何合适的用于接收传感器输入的微控制器实现，向风扇220提供脉冲宽度调制控制信号，并执行本文描述的计算和算法以确定PWM控制信号的最佳参数。示例性微控制器包括Microchip PIC32MX系列32位微控制器，该微控制器包括PWM输出以及I2C从/主接口。安装微控制器230的控制器板还可具有通用串行总线(USB)到I2C桥接器234以及USB端口236以促进被构造成接合微控制器230的外部计算设备的连接。

微控制器230可实现图1的控制器110。该实现可包括在例如由微控制器230的处理器执行的指令中。此外，该实现可包括在微控制器230中嵌入的逻辑中。

图3示出根据本公开的实施方案的比例积分微分(PID)控制器300的逻辑图。控制器300可由逻辑图示出并且参考图2的微控制器230的操作。图3示出输入值以及控制器300的算法处理以产生如本文所述的降低功耗的风扇(或其他输出)控制信号。示出的逻辑块表示提供所述功能的程序指令和电路部件的组合。

PID控制块302包括成比例增益K_p、积分增益K_i和微分增益K_d。此类增益可能对于PID控制器是常见的，但本公开可能对这些增益应用独特的元素。这些增益可具有温度设定点作为输入，并具有风扇速度的设定点作为输出。来自传感器或监视器的设备温度值也可为输入。可计算温度设定点和设备温度值之间的差异或错误信号并将其传递至PID的增益。

积分增益K_i可进一步通过积分累加器传递其输出。微分增益K_i可进一步通过微分累加器传递其输出。这些累加器可根据来自温度传感器的最近历史记录值的趋势来优化设定点，该温度传感器监视电子设备的温度。PID控制块302的输出、PID输出驱动风扇速度以对最终负载提供冷却。风扇控制块304可将接收的PID信号转换成PWM控制信号，该PWM控制信号具有必要的参数来将风扇设定至对应的速度。风扇控制块304可将PWM控制信号发送至风扇(未示出)。

在一个实施方案中，PID控制块302还可考虑功率传感器产生的功率使用值，该功率传感器测量电子设备的实时功率使用。风扇速度或功率读数值可提供给自适应增益逻辑306，反映风扇的当前速度或功率使用。另外，可将设备温度提供给自适应增益逻辑306。此外，可将来自先前测量值或时间点的设备功率使用提供给自适应增益逻辑306。

自适应增益逻辑块306可根据自适应增益函数归一化输入值并向预测性增益逻辑块310输出自适应增益值。设备的功率使用值还可由有限脉冲响应(FIR)滤波器308接收，该滤波器可被构造成平滑功率使用值的原始数据并将经滤波的功率使用值提供给预测性增益逻辑块310。

预测性增益逻辑块310可执行自适应增益值和经滤波的功率使用值的迭代处理以产生连续更新的输出信号，该输出信号包括基于随时间变化的电子设备的功率使用的预测的最小风扇速度。输出信号可递送至微分逻辑块312，该微分逻辑块可被构造成将输出信号求导以确定预测函数的斜率。如果斜率为负，微分逻辑块312可被构造成输出包括减少值的信号，该减少值表示可根据电子设备的功率使用减少而减少的风扇速度量。如果斜率为正，微分逻辑块312可被构造成输出包括递增值的信号，该递增值表示可根据电子设备的功率使用增加而增加的风扇速度量。对于其中微分逻辑块312输出信号的每次迭代，信号可被递送至PID控制块302。在一个实施方案中，微分逻辑块312可将其信号输出至PID控制块302的积分累加器。可从积分累加器中的累加值减去来自微分逻辑块312的信号。这继而减少了风扇速度的输出PID信号，使得风扇运行更慢并消耗更少功率。

图4是示出根据本公开的实施方案的方法400的流程图，其中上述功能由微控制器执行。在步骤402处，微控制器可接收设备功率使用值，该功率使用值表示在第一时间T₁的电子设备的功率使用。在步骤404处，微控制器可接收功率使用值，该功率使用值表示在第一时间T₁之后的第二时间T₂的电子设备的功率使用。在步骤406处，微控制器可接收温度值，该温度值表示在第二时间T₂的电子设备的温度。在步骤408处，微控制器可接收当前风扇速度值，该当前风扇速度值表示冷却系统的风扇在第二时间T₂的旋转速度。在步骤410处，微控制器可通过功率使用值以及也任选地通过上文相对于图3所述的温度值和风扇速度值来确定表示电子设备的功率使用从第一时间到第二时间减少或增加的量的减少值或增加值。在步骤412处，微控制器通过减少值或增加值来确定比当前风扇速度更低或更高的新风扇速度。在步骤416处，微控制器控制风扇以新风扇速度旋转。方法400可任选地中止或者可以重复进行不确定数量的连续迭代。

尽管示出了方法400的步骤的特定数量和序列，但是可采取更多或更少的步骤。此外，方法400的步骤可被重新排列并以其他合适的顺序进行。方法400的一个或多个步骤可被重复、省略、或者并行执行或彼此执行。可递归地执行方法400或方法400的一个或多个步骤。方法400可在任何合适的点开始，诸如在步骤402处。

方法400可被实现为用于由处理器执行的指令，所述指令体现在诸如存储器之类的一个或多个计算机可读介质中。当由处理器加载和执行时，指令可引起微控制器或处理器实现本公开的功能。

图5示出根据本公开的实施方案的曲线图500，该曲线图示出电子设备(线502)和风扇(线504)随时间推移的示例性记录的功率使用值。图5示出以上所示实施方案的示例执行。区域510表示在使用现有冷却系统功率控制器和控制逻辑时的记录的功率使用值；在电子设备的峰值功率使用之后风扇持续斜升至最大速度和功耗，表面上是在温度处于最高值时。相比之下，当使用本公开的装置和方法时，区域512表现出大约低15％的风扇功耗。标记了电子设备功率使用处于其峰值并且风扇功率使用在增加时的示例性时间T₁；在数秒内，在示例性时间T₂，功率使用的导数的斜率变为较大负值，并且随着控制器降低风扇速度，作为响应风扇功耗随后急剧下降。

因此，可在电子设备冷却之前降低风扇功率。通过将功率测量传感器添加至负载，因此可能预测性地感测该负载中的温度将升高或降低。系统采用功率传感器数据并根据PID温度控制反馈将其加权，在诸如图5中的这些的特定试验场景中实现15％以上的风扇功耗降低。

已根据一个或多个实施方案描述了本公开，并且应当理解，除了明确陈述的那些之外，许多等同物、替代物、变型和修改是可能的并且在本公开的范围内。虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其特定示例性实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对特定示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的特定形式。

Claims (13)

1.一种微控制器，包括：

处理器；以及

计算机可读介质中的指令，所述指令在由处理器加载和执行时，致使所述处理器以：

接收指示电子设备的功耗的功耗值；

接收所述电子设备的设备温度值和温度设定点值；

基于所述功耗值和存储的先前功耗值确定更改值，所述更改值表示所述电子设备的功耗与所述电子设备的先前功耗相比的更改量；

使用用于控制风扇的输出冷却控制值控制用于冷却所述电子设备的输出；

其中，所述处理器进一步经配置以：

至少部分地基于与比例积分微分PID控制回路结合使用的更改值确定所述输出冷却控制值，其中所述设备温度值被从所述温度设定点值中减去且结果馈送到所述PID控制回路；

自风扇速度值、所述存储的先前功耗值和所述设备温度值确定自适应增益值；

迭代处理所述自适应增益值和有限脉冲响应FIR滤波过的功耗值以产生持续更新的输出信号，所述持续更新的输出信号包含基于随时间变化的所述电子设备的所述功耗的预测最小风扇速度；

导出所述输出信号以确定其斜率，且如果所述斜率为负，提供表示所述风扇速度能减少的量的减少值给所述PID控制回路，如果所述斜率为正，则提供表示所述风扇速度能增加的量的递增值给所述PID控制回路。

2.一种用于减少功耗的装置，其包括根据权利要求1所述的微控制器。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述输出冷却控制值馈送至产生脉冲宽度调制控制信号的风扇控制块。

4.根据权利要求2所述的装置，其中：

致使所述处理器在一段时间期间以第一风扇速度的所述先前功耗控制所述风扇以冷却所述电子设备；

所述更改值是功耗的减少；并且

所述输出冷却值表示低于所述第一风扇速度的第二风扇速度。

5.根据权利要求2所述的装置，其中：

致使所述处理器在一段时间期间以第一风扇速度的所述先前功耗控制所述风扇以冷却所述电子设备；

所述更改值是功耗的增加；并且

所述输出冷却值表示高于所述第一风扇速度的第二风扇速度。

6.根据权利要求2所述的装置，其中：

致使所述处理器在一段时间期间以第一风扇速度的所述先前功耗控制所述风扇以冷却所述电子设备；

所述更改值是功耗的减少；

当所述处理器接收指示温度尚未降低的温度数据时，所述输出冷却值表示低于所述第一风扇速度的第二风扇速度。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的装置，其中进一步致使所述处理器以：

基于所述导出而从所述PID控制回路的积分累加器的累加值中减去所述减少值或所述递增值。

8.一种用于冷却电子设备的方法，所述方法包括：

接收指示所述电子设备的功耗的负载功耗值；

接收所述电子设备的设备温度值和温度设定点值；

基于所述负载功耗值和存储的先前功耗值确定更改值，所述更改值表示所述电子设备的功耗与所述电子设备的先前功耗相比的更改量；以及

使用用于控制风扇的输出冷却控制值控制用于冷却所述电子设备的输出；

其中，

至少部分地基于与比例积分微分PID控制回路结合使用的更改值确定所述输出冷却控制值，其中从所述温度设定点值减去所述设备温度值且结果馈送到的所述PID控制回路；

自风扇速度值、所述存储的先前功耗值和所述设备温度值确定自适应增益值；

迭代处理所述自适应增益值和有限脉冲响应FIR滤波过的功耗值以产生持续更新的输出信号，所述持续更新的输出信号包含基于随时间变化的所述电子设备的所述功耗的预测最小风扇速度；

执行所述输出信号的导出以确定其斜率，且如果所述斜率为负，提供表示所述风扇速度能减少的量的减少值给所述PID控制回路，如果所述斜率为正，则提供表示所述风扇速度能增加的量的递增值给所述PID控制回路。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述输出冷却控制值被转换为脉冲宽度控制信号。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中：

所述电子设备在以第一风扇速度的所述先前功耗期间被冷却；

所述更改值是功耗的减少；并且

所述输出冷却值表示低于所述第一风扇速度的第二风扇速度。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其中：

所述电子设备在以第一风扇速度的所述先前功耗期间被冷却；

所述更改值是功耗的增加；并且

所述输出冷却值表示高于所述第一风扇速度的第二风扇速度。

12.根据权利要求8或9所述的方法，其中：

所述电子设备在以第一风扇速度的所述先前功耗期间被冷却；

所述更改值是功耗的减少；

当接收到指示温度在所述先前功耗期间尚未降低的温度数据时，所述输出冷却值表示低于所述第一风扇速度的第二风扇速度。

13.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：

基于所述导出而从所述PID控制回路的积分累加器的累加值中减去所述减少值或所述递增值。

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