CN114326851A

CN114326851A - 一种基于tec的边缘智能温控方法及系统

Info

Publication number: CN114326851A
Application number: CN202111365354.2A
Authority: CN
Inventors: 黄智�
Original assignee: Suzhou Inspur Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Inspur Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明提供了一种基于TEC的边缘智能温控方法及系统，所述方法包括实时获取边缘计算产品中芯片所处环境的温度值；基于所述温度值，控制半导体制冷片TEC的电压方向，进行加热模式和制冷模式的切换，控制芯片所处的环境温度。本发明通过半导体制冷片TEC对边缘计算产品的芯片运行环境进行温度控制，分别设置加热模式和制冷模式，通过控制TEC电压的方向实现模式的切换，短时间内将环境温度调控至所需温度，满足边缘计算产品在极端温度下的适用场景，提高产品竞争力。

Description

一种基于TEC的边缘智能温控方法及系统

技术领域

本发明涉及边缘计算产品散热技术领域，尤其是一种基于TEC的边缘智能温控方法及系统。

背景技术

边缘计算场景复杂多样，在能源交通、通信、互联网、工业制造、金融、零售等行业均有一定应用。尤其在工业场景，边缘计算产品需要在高达70℃的高温下正常运行，同时需要在-40℃的极低温条件下正常启动并运行，这给当前的产品热设计带来很大难度。

当前应对此类极端温度下的边缘计算产品最为常用的热设计方案是自然散热+热传导+加热片加热技术。在高温环境下，将元器件的热量通过直接接触导热界面材料，传递至机箱外壳上，最后机箱外壳通过自然散热的方式对外交换热量。而在极低温环境下，部分元器件需要加热至0℃以上方可启动或者正常运行，因此将加热片贴在PCB背面或机壳上通过加热，在通过热传导将热量传递至元器件。

自然散热+加热片技术有很多缺陷，使其越来越难以满足极端温度的热设计需求。在极高温环境下，尺寸一定的产品解热能力会受限于核心芯片的温度规格，导致产品不能达到所需要支持的最高温度。而在极低温环境下，若需要产品正常启动，加热片将元器件加热至所能正常启动的温度，而这个时间一般较长，一般为1小时以上，导致现有边缘计算产品的热设计无法满足实际需求。

发明内容

本发明提供了一种基于TEC的边缘智能温控方法及系统，用于解决现有边缘计算产品的热设计无法满足实际需求的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种基于TEC的边缘智能温控方法，所述方法包括以下步骤：

实时获取边缘计算产品中芯片所处环境的温度值；

基于所述温度值，控制半导体制冷片TEC的电压方向，进行加热模式和制冷模式的切换，控制芯片所处的环境温度。

进一步地，所述方法还包括步骤：

在制冷模式时，基于TEC冷端温度通过PID控制风扇转速，进行温度调控。

进一步地，通过所述制冷模式，控制芯片所处环境的温度，具体过程为：

控制TEC靠近芯片的一端为冷端面，靠近导热凸台的一端为热端面；

热量由TEC冷端面传递至热端面，风扇基于TEC冷端面温度通过PID控制转速，调节TEC热端面的温度；

控制TEC电流数值，使TEC冷端面的温度达到冷端设计温度。

进一步地，传递至TEC热端面的热量通过导热界面材料、导热凸台传递至机壳和散热鳍片上。

进一步地，所述制冷模式在边缘计算产品开机状态下，TEC冷端面温度超过冷端设计温度时启动。

进一步地，所述加热模式在边缘计算产品通电未开机状态下，环境温度小于温度阈值时启动。

进一步地，所述加热模式，控制芯片所处环境的温度，具体过程为：

控制TEC靠近芯片的一端为热端面，靠近导热凸台的一端为冷端面；

TEC对导热界面材料进行加热，热量通过导热界面材料传递至芯片，达到芯片工作温度。

本发明第二方面提供了一种基于TEC的边缘智能温控系统，所述系统包括：

温度传感器，用于实时获取边缘计算产品中芯片所处环境的温度值；

控制模块，基于所述温度值，控制半导体制冷片TEC的电压方向，进行加热模式和制冷模式的切换，控制芯片所处的环境温度。

进一步地，所述TEC设置在两层导热界面材料之间，下层导热界面材料接触芯片，上层导热材料接触导热凸台，所述导热凸台连接散热鳍片；所述系统还包括风扇，所述风扇在制冷模式下，风扇基于TEC冷端面温度通过PID控制转速，调节TEC热端面的温度。

本发明第三方面提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机指令，所述计算机指令在所述系统上运行时，使所述系统执行所述方法的步骤。

本发明第二方面的所述边缘智能温控系统能够实现第一方面及第一方面的各实现方式中的方法，并取得相同的效果。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明通过半导体制冷片TEC对边缘计算产品的芯片运行环境进行温度控制，分别设置加热模式和制冷模式，通过控制TEC电压的方向实现模式的切换，短时间内将环境温度调控至所需温度，满足边缘计算产品在极端温度下的适用场景，提高产品竞争力。另外本发明实施例增加了散热风扇，该风扇基于TEC冷端温度进行PID控制转速，提高边缘计算产品的最高支持温度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述方法实施例的流程示意图；

图2是本发明实施例中热设计部分的结构示意图；

图3是本发明所述方法实施例中其一实现方式的流程示意图；

图4是本发明所述系统实施例的结构示意图，

图中，100电路板、200散热鳍片、201机壳、202导热凸台、300第一芯片、301第二芯片、302第三芯片、303第四芯片、400导热界面材料、500第一半导体制冷片、501第二半导体制冷片、600第一温度传感器、601第二温度传感器、700风扇、800百叶窗。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于TEC的边缘智能温控方法，所述方法包括以下步骤：

S1,实时获取边缘计算产品中芯片所处环境的温度值；

S2,基于所述温度值，控制半导体制冷片TEC的电压方向，进行加热模式和制冷模式的切换，控制芯片所处的环境温度。

步骤S1中，所述温度值为芯片所述电路板的温度值，通过设置在电路板上的温度传感器获取，如图2所示。

图2中，本发明实施例中的热设计结构包括电路板100、散热鳍片200、机壳201、导热凸台202、第一芯片300、第二芯片301、第三芯片302、第四芯片303、导热界面材料400、第一半导体制冷片500、第二半导体制冷片501、第一温度传感器600、第二温度传感器601、风扇700和百叶窗800。第一芯片300和第二芯片301为核心芯片，一般功耗较高，同时其温度规格要求较高，在零下无法正常启动或工作，在高温下会出现降频。第三芯片302和第四芯片303为功耗低的芯片，同时其使用温度范围较宽，高低温均能正常工作。半导体制冷片内部为若干P/N节组成，接通电流后可将热量从冷端面转移到热端面。半导体制冷片500、501具有不同规格的加热制冷能力，分别根据电路板上温度传感器600和601的读数调节电压方向，进而调节加热或制冷模式。

步骤S2中，当TEC处于制冷模式时，风扇PID系统会根据TEC冷端温度对风扇转速进行控制，使TEC冷端温度达到其设计温度。百叶窗800为系统风扇的进风处，相比不加风扇的系统，增加风扇后散热上盖的散热能力增强，TEC热端降温能力增强，因此加风扇的系统所支持的最高环境温度增加。

如图3所示，边缘计算产品通过开关电路上电后，首先检测电路板上的温度传感器的数值，若板上温度传感器数值低于温度阈值，此处为0℃，则无法开机，TEC启动加热模式，直至电路板上温度传感器数值大于等于0℃。当电路板上温度传感器数值大于等于0℃，系统可开机，开机后TEC制冷模式启动，同时检测TEC冷端温度，风扇PID控制系统运行，输出PWM值调节风扇转速。不断采集TEC冷端温度以调节风扇转速，最后TEC冷端温度稳定在冷端设计温度，风扇转速稳定。

风扇PID控制为基于以下公式：

FS(k)＝FS_act(k-1)+Kp*(T(k)-T(k-1))+Ki*(T(k)-Tref)+Kd*(T(k)-2*T(k-1)+T(k-2))

式中，FS(k)为k时刻的PWM，FS_act(k-1)为k-1时刻的PWM，Tref为Tec冷端设计温度，T(k)为k时刻的Tec冷端温度，T(k-1)为(k-1)时刻的Tec冷端温度，T(k-2)为(k-2)时刻的Tec冷端温度；Kp*(T(k)-T(k-1))为P因子项，Ki*(T(k)-Tref)为I因子项，Kd*(T(k)-2*T(k-1)+T(k-2))为D因子项。

P因子项＝P值*{K时刻sensor值-(K-1)时刻sensor值}，为偏差项；I因子项＝I值*{K时刻sensor值-SP值}，为积分项；D因子项＝D值*{K时刻sensor值-2*(K-1)时刻sensor值+(K-2)时刻sensor值}，为微分项。

热设计的工作原理为：在环境温度较高时，第一芯片300位于电路板100上方，当接通电源时，第一芯片300产生热量传递至直接接触的导热界面材料400。此时半导体制冷片TEC的冷端面温度高于TEC冷端设计温度，TEC开启制冷模式，制冷片靠近第一芯片300一端为冷端面，靠近导热凸台202的为热端面。TEC在制冷模式下运行时会一直检测TEC冷端温度，并通过风扇PID调控系统调节风扇700转速，从而调节TEC热端温度，然后TEC通过控制电流大小，最终使TEC冷端温度达到冷端设计温度。导热材料400通过热传导将热量传递半导体制冷片500的冷端面，半导体制冷片的热端面将热量传导至导热凸台202上，最后热量传递至机壳201和散热鳍片200上，通过与外界的自然散热释放热量。第二芯片301和第一芯片300的散热原理类似，唯一不同的是第二芯片301和第一芯片300的功耗不同，所对应的半导体制冷片规格不同。第三芯片302和第四芯片303为低功耗芯片，其热量通过导热界面材料400依次传递至导热凸台202、机壳201和散热鳍片202。

当环境温度低于0℃时，此时芯片300、301的温度也低于0℃，系统上电后芯片300、301无法正常启动并工作，芯片302、303可以正常启动并工作。此时系统检测到芯片300、301周围的电路板温度传感器600、601低于0℃，启动半导体制冷片TEC，控制管理系统输出反向直流电压，半导体制冷片500、501开启加热模式，靠近芯片300、301处为热端面，靠近导热凸台202处为冷端面。半导体制冷片迅速对导热界面材料400进行加热，热量再通过导热界面材料400传递至芯片上，对芯片300、301加热，短时间后芯片300、301温度大于0℃，系统随后可以正常开机运行。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种基于TEC的边缘智能温控系统，所述系统包括温度采集模块1和控制模块2。

温度采集模块1用于实时获取边缘计算产品中芯片所处环境的温度值；控制模块2基于所述温度值，控制半导体制冷片TEC的电压方向，进行加热模式和制冷模式的切换，控制芯片所处的环境温度。

所述TEC设置在两层导热界面材料之间，下层导热界面材料接触芯片，上层导热材料接触导热凸台，所述导热凸台连接散热鳍片；所述系统还包括风扇，所述风扇在制冷模式下，风扇基于TEC冷端面温度通过PID控制转速，调节TEC热端面的温度。

本发明实施例还提供了了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机指令，所述计算机指令在系统上运行时，使所述系统执行所述方法的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于TEC的边缘智能温控方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

实时获取边缘计算产品中芯片所处环境的温度值；

2.根据权利要求1所述基于TEC的边缘智能温控方法，其特征是，所述方法还包括步骤：

3.根据权利要求2所述基于TEC的边缘智能温控方法，其特征是，通过所述制冷模式，控制芯片所处环境的温度，具体过程为：

控制TEC电流数值，使TEC冷端面的温度达到冷端设计温度。

4.根据权利要求3所述基于TEC的边缘智能温控方法，其特征是，传递至TEC热端面的热量通过导热界面材料、导热凸台传递至机壳和散热鳍片上。

5.根据权利要求1-4任一项所述基于TEC的边缘智能温控方法，其特征是，所述制冷模式在边缘计算产品开机状态下，TEC冷端面温度超过冷端设计温度时启动。

6.根据权利要求1所述基于TEC的边缘智能温控方法，其特征是，所述加热模式在边缘计算产品通电未开机状态下，环境温度小于温度阈值时启动。

7.根据权利要求1所述基于TEC的边缘智能温控方法，其特征是，所述加热模式，控制芯片所处环境的温度，具体过程为：

8.一种基于TEC的边缘智能温控系统，其特征是，所述系统包括：

9.根据权利要求8所述基于TEC的边缘智能温控系统，其特征是，所述TEC设置在两层导热界面材料之间，下层导热界面材料接触芯片，上层导热材料接触导热凸台，所述导热凸台连接散热鳍片；所述系统还包括风扇，所述风扇在制冷模式下，风扇基于TEC冷端面温度通过PID控制转速，调节TEC热端面的温度。

10.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机指令，其特征是，所述计算机指令在权利要求8或9系统上运行时，使所述系统执行如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。