CN114658680A - 一种板卡散热风扇的控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种板卡散热风扇的控制方法和控制装置，涉及计算机技术领域，用于板卡上的主控芯片，板卡上集成有散热风扇和至少一个温度传感器、电压传感器及电流传感器；包括：确定板卡散热风扇的目标工作模式；获取温度传感器、电压传感器以及电流传感器的传感器数据，并根据传感器数据确定输出PWM波的占空比；基于驱动电压驱动散热风扇的第一转速和目标散热温度对应的目标转速之间的转速差，确定调整输出的目标PWM波。本申请通过获取传感器数据调节PWM波占空比的方式，实现对散热风扇更精准和更实时的转速调节，将板卡温度维持在恒定范围内。

Description

一种板卡散热风扇的控制方法和控制装置

技术领域

本申请实施例涉及计算机技术领域，特别涉及一种板卡散热风扇的控制方法和控制装置。

背景技术

随着目前芯片制造工艺的不断精进，各种芯片的算力在不断的提高，板卡的集成度也越来越高。但是随之而来的就会导致，芯片以及板卡的散热要求也变得越来越高。

相关技术中，板卡的散热主要是通过散热风扇对芯片或者板卡进行散热，散热风扇按照固定功率或转速进行散热，无论板卡处在低速、高速或者其他状态，只要板卡进行供电，其散热风扇就会满载运行。还有一些散热风扇通过获取板卡中的温度传感器，根据获取的温度信息，来调节风扇的风速大小。该种方法可以在一定程度上节省功耗，但是一般情况下，温度传感器只能测量一块固定区域的温度，不能够完整表现出整个板卡的温度和功耗信息。

发明内容

本申请提供了一种板卡散热风扇的控制方法和控制装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种板卡散热风扇的控制方法，所述方法用于板卡上的主控芯片，所述板卡上集成有散热风扇和至少一个温度传感器、电压传感器及电流传感器；所述方法包括：

确定板卡散热风扇的目标工作模式，不同的目标工作模式对应不同的目标散热温度；

获取所述温度传感器、所述电压传感器以及所述电流传感器的传感器数据，并根据所述传感器数据确定输出PWM波的占空比；其中，所述PWM波占空比用于调节驱动器的驱动电压；

确定所述驱动电压驱动所述散热风扇的第一转速和所述目标散热温度对应的目标转速之间的转速差，并确定输出的目标PWM波。

另一方面，提供了一种板卡散热风扇的控制方法装置，所述装置包括板卡、主控芯片、散热风扇、温度传感器、电压传感器、电流传感器、驱动器、编码器和电机；

所述温度传感器用于采集所述板卡各区域的温度值，所述电压传感器用于采集所述板卡各区域的电压值，所述电流传感器用于采集所述板卡各区域的工作电流；

所述主控芯片分别连接所述温度传感器、所述电压传感器和所述电流传感器，并根据采集的温度值、电流值和电压值计算PWM波的占空比；

所述驱动器用于根据所述主控芯片输出的PWM波驱动电机转动，所述电机和所述散热风扇连接，带动所述散热风扇进行散热；

所述编码器连接所述电机和所述主控芯片，用于检测电机的实时转速，并向所述主控芯片反馈转速信息。

上述技术方案带来的有益效果至少包括：在板卡上设置多个温度传感器、电流传感器和电压传感器，并通过实时采集温度数据、电压电流数据计算出目标散热温度下驱动电压的占空比，根据PWM波占空比的变化实现对散热风扇的变速调节；此外，当扇热风扇的转速和驱动电压对应的目标转速存在差异时，可以通过计算二者的转速差来进行转速补偿，对PWM波进行调整输出，最终将板卡的温度维持在合理范围。相较于现有根据温度反馈调节散热风扇转速的方式，通过传感器数据调节PWM波占空比的方式能够实现更精准和更实时的转速调节，且能够将板卡温度维持在恒定范围内。

附图说明

图1是本申请实施例提供的板卡散热风扇的控制方法的流程图；

图2是本申请另一实施例提供的板卡散热风扇的控制方法的流程图；

图3是本申请实施例提供的板卡散热风扇的控制装置的结构框图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在相关技术中，虽然集成板卡上内置有散热风扇，但是散热风扇往往是按照固定的运行功率进行散热，其本身无法实现根据设备的运行状态智能调控，因而该方式会导致功耗的增加，以及资源的浪费。而市面上存在一些通过检测板卡温度进行散热的方式来调节风扇的风速大小，该种方法可以在一定程度上节省功耗，但是一般情况下，温度传感器只能测量一块固定区域的温度，不能够完整表现出整个板卡的温度，功耗信息。

为了解决上述方案中所存在的问题，本申请提出了一种针对板卡散热风扇的控制方法和控制装置。

如图1所示，为本申请实施例提供的散热风扇的控制方法的流程图，包括：

步骤101，确定板卡散热风扇的目标工作模式，不同的目标工作模式对应不同的目标散热温度。

本申请实施例中板卡上安装有散热风扇，散热风扇由主控芯片进行控制，主控芯片内置有多种工作模式，不同的工作模式对应不同的散热温度。该工作模式可以根据用户操作计算机设备时自主选择，例如针对计算机设备的工作算力需求将散热风扇的工作状态分为普通散热模式和高效散热模式，普通散热模式对应低算力场景，对应的目标散热温度较低，设置为40℃；高效散热模式对应高算力场景，对应的目标散热温度相对较高，设置为60℃。当计算机处于工作状态时，主控芯片需要先确定出目标工作模式对应的目标散热温度，然后再通过输出驱动电压控制其散热。

步骤102，获取温度传感器、电压传感器以及电流传感器的传感器数据，根据传感器数据确定输出PWM波的占空比，并基于PWM波产生的驱动电压驱动所述散热风扇进行散热。

与传统的散热风扇不同的是，传统方案中仅设置单个温度传感器，由于板卡集成度各有差异，会导致本身工作温度存在较大偏差，因而测量温度仅能以设置温度阈值的方式粗略判断和调控，其无法实时根据板卡的工作状态和温度变化对散热风扇的速度进行无极变速调控。

本方案中通过在板卡上设置多个温度传感器、电压传感器和电流传感器，通过预设周期间隔内收集温度传感器、电压传感器以及电流传感器的传感器数据，其中包括温度数据，电压数据和电流数据。而且集成的板卡上本身会设置有电压传感器和电流传感器，在应用时无需额外增设过多的传感器。主控芯片通过收集的传感器数据进行计算得到对应目标散热温度下PWM波的占空比，PWM波的占空比用于调节不同的驱动电压，且不同的驱动电压都对应有各自的预设转速，用以实现对散热风扇的精准调控。

步骤103，响应于所述驱动电压驱动所述散热风扇产生的第一转速和所述预设转速之间存在转速差，基于所述转速差确定调整输出的目标PWM波，并根据所述目标PWM波驱动所述散热风扇。

考虑到板卡工作时的芯片以其他元器件发热引起温度变化，或者电压电流变化产生变化，根据占空比生成的驱动电压作用在散热风扇上的第一转速会与预设转速存在转速差，此时可以通过二者的转速差确定需要调节PWM波的调节量，进而输出调整后的目标PWM波，以达到对应的预设转速，尽快将板卡温度重新拉回到目标散热温度附近。而目标PWM波的占空比又可以实时根据传感器采集到的数据进行调节，因此目标PWM波驱动下的散热风扇可以实现实时根据传感器数据进行无极调节，将板卡温度维持在一个相对稳定范围。

综上所述，本申请通过在板卡上设置多个温度传感器、电流传感器和电压传感器，并通过实时采集温度数据、电压电流数据计算出目标散热温度下驱动电压的占空比，根据PWM波占空比的变化实现对散热风扇的变速调节；此外，当扇热风扇的转速和驱动电压对应的目标转速存在差异时，可以通过计算二者的转速差来进行转速补偿，对PWM波进行调整输出，最终将板卡的温度维持在合理范围。相较于现有根据温度反馈调节散热风扇转速的方式，通过传感器数据调节PWM波占空比的方式能够实现更精准和更实时的转速调节，且能够将板卡温度维持在恒定范围内。

如图2所示，为本申请另一实施例提供的散热风扇的控制方法的流程图，包括：

步骤201，确定板卡散热风扇的目标工作模式，不同的目标工作模式对应不同的目标散热温度。

步骤202，确定各个温度传感器的预设最高温度和当前温度值、电压传感器的预设最高电压和当前电压值以及电流传感器的预设最高电流和当前电流值，并根据测量值和对应预设最大值的比值确定温度校正值、电压校正值和电流校正值。

本方案在板卡上设置多个温度传感器、电压传感器和电流传感器，且覆盖整个板卡的区域，各种传感器的数量根据板卡集成度、板卡尺寸以及电气元器件的数量决定。其中，温度传感器需要在靠近半导体芯片或发热模块附近位置，以增加温度检测的准确性，而电压和电流传感器可以根据电路结构均匀选取设置位置，具体本实施例不予阐述。其中的预设最大值分别表示各个温度传感器理论上检测到的板卡最高温度，电压传感器和电流传感器检测到的理论最大电压和电流。例如在板卡上显卡、CPU和GPU等作为主要发热模块，按照发热温度分配靠近CPU的温度传感器设定其预设最高温度为100℃，靠近显卡的温度传感器设定其预设最高温度为90℃。同理电压和电流传感器的理论最大值根据具体元器件能够达到的电压和电流峰值设定。

示意性的，假设板卡上设置有a个传温度感器，b个电流传感器以及c个电压传感器。具体第一温度传感器、第二温度传感器至第a温度传感器测量的当前板卡温度分别是T₁、T₂至T_a，其各个温度传感器能够测量的预设最高温度分别是T1_max、T2_max至Ta_max，则a个温度传感器的温度校正值可以用如下公式表示：

其中，x₁表示通过第一温度传感器计算的第一温度校正值，x_a表示通过第a温度传感器计算的第a温度校正值。

第一电流传感器、第二电流传感器至第b电流传感器测量的电流值分别表示为I₁，I₂至I_b，各个电流传感器能够测量的预设最高电流分别是I_1max、I_2max和I_bmax，则b个电流传感器的电流校正值可以用如下公式表示：

其中，y₁表示通过第一电流传感器计算的第一电流校正值，y_b表示通过第b电流传感器计算的第b电流校正值。

对应的，第一电压传感器采集至第c电压传感器检测的电压值分别为V₁、V₂和V_c，其各个电压传感器能够测量的预设最高电压分别是V_1max、V_2max和V_cmax，则c个电压传感器的电压校正值可以用如下公式表示：

其中，z₁表示通过第一电压传感器计算的第一电压校正值，z_c表示通过第c电压传感器计算的第c电压校正值。

步骤203，确定第一温度传感器的第一温度权重系数至第a温度传感器的第a温度权重系数，第一电流传感器的第一流压权重系数至第b电流传感器的第b电流权重系数，第一电压传感器的第一电压权重系数至第c电压传感器的第c电压权重系数。

本方案在计算PWM波时，为了将各个温度校正值、电压校正值和电流校正值和输出的PWM波关联，实现散热风扇的无极变速，而不是根据温度阈值触发散热风扇的转速变换。通过对所有温度校正值、电流校正值和电压校正值设置相应的权重系数，权重系数根据目标散热温度确定，不同的目标散热温度对应的权重系数不同。且温度权重系数、电压权重系数和电流权重系数分别表示的是对应温度校正值、电压校正值和电流校正值在计算PWM波占空比时的比例。

步骤204，根据各个温度校正值、电压校正值、电流校正值以及对应权重系数的乘积和构建基于目标散热温度下的恒温模型，并确定输出PWM波的占空比。

根据上述内容可以构建出基于目标散热温度下输出PWM波占空比的恒温模型，PWM波占空比可以通过如下公式表示：

其中，x_m表示第m个温度传感器的第m温度校正值，y_n表示第n个电流传感器的第n电流校正值，z_u表示第u个电压传感器的第u电压校正值，A_m表示第m个温度传感器的第m权重系数，B_n表示第n个电流传感器的第n权重系数，C_u表示第u个电压传感器的第u权重系数，且m、n和u分别是小于a、b和c的正整数；P表示用于输出PWM波的占空比。

需要说明的是，A_m、B_n和C_u是下选定目标散热温度的前提下，通过枚举法进行一一实验确定的模型数值。该恒温模型可以将板卡温度维持在目标散热温度规定的误差范围。内假设为了使得整个板卡的温度保持在30°左右，本方案事先进行多次的测量，得出多组x_m、y_n和z_u和P的值，再使用最小二乘法，可以得出该板卡测量系统中目标散热温度的A_m、B_n与C_u与P的数值。且由于P值代表的是PWM波的占空比，也即P的取值范围为[0，1]，散热风扇在满负荷运转时P的取值为0，停止运转时P的取值为1，P＝0.5时表示占空比为50％。

步骤205，基于PWM波的占空比输出第一驱动电压，第一驱动电压作用于驱动器，并通过驱动器驱动散热风扇。

在确定出PWM的占空比后，此时主控芯片会根据P值输出第一驱动电压的PWM波给散热风扇的驱动器，通过驱动器驱动电机，使散热风扇运行。

如图3所示，是本申请实施例提供的板卡散热风扇的控制装置。具体包括主控芯片、散热风扇、温度传感器、电压传感器、电流传感器、驱动器、编码器和电机；

a个温度周期性传感器采集板卡各区域的温度值，b个电压传感器周期性采集板卡各区域的电压值，c个电流传感器周期性采集板卡各区域的电流值；主控芯片分别连接n个温度传感器、b个电压传感器和c个电流传感器，并根据采集的温度值、电流值和电压值计算PWM波的占空比。驱动器用于根据主控芯片输出的PWM波驱动电机转动，电机和散热风扇连接，带动散热风扇进行散热。编码器连接电机和主控芯片，用于检测电机的实时转速，并向主控芯片实时反馈转速信息。

在装置的运行过程中，当板卡的温度发生变化、或者电压电流发生变化时，主控芯片实时根据传感器数据计算PWM波的占空比，并根据占空比动态调整散热风扇的转速。由于A_m、B_n和C_u是基于目标散热温度确定的数值，在权重系数的作用下，通过散热风扇进行无极调速，可以在最短时间内将板卡的温度维持在目标散热温度规定的范围内。

步骤206，通过编码器检测第一驱动电压驱动散热风扇达到的第一转速。

步骤207，响应于第一转速和目标散热温度对应的预设转速存在差值，计算当前周期内第一转速和预设转速的第一转速差。

在装置的运行过程中，由于电压波动、转换效率和电机等中间设备的影响，PWM波生成的驱动电压驱动电机达到的转速与预设转速会存在转速差，转速差的差别会影响到对散热风扇转速的精准控制，进而拉长散热到目标散热温度的时间。本方案中引入增量式PID控制算法来达到对控制散热风扇的精准调控。增量式PID控制算法通过检测散热风扇实际转速和预设转速之间的转速差，也即计算当前周期内第一转速和预设转速的第一转速差来实现对转速的调控，使其尽快平稳的恢复至稳态。

步骤208，获取前两个周期内散热风扇转速和预设转速之间的第二转速差及第三转速差，并基于第一转速差、第二转速差、第三转速差计算获得目标调整转速。

增量式PID控制算法可以用如下公式表示：

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)

＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中，Δu(k)表示第k周期(当前周期)的目标调整转速，e(k)表示第k周期(当前周期)内的第一转速差，e(k-1)表示第k-1周期(上一周期)内的第二转速差，e(k-2)]表示第k-2周期(上上周期)内的第三转速差。K_p、K_i和K_d为调整系数，通过海量实验数据测试获得，表示控制系统尽快恢复至预设温度时的调控参数。

该过程仅需保存最近三个周期内散热风扇实际转速和对应预设之间的转速差即可，而无需保存海量关于转速的历史数据，其调节过程更为平稳，调节至预设转速的时间更快。例如，PWM波占空比为60％，散热风扇的预设转速应为6000r/min，但因为调压电流波动或电机负载以及转换效率等因素，电机带动风扇的实际转速(第一转速)为5500r/min，此时若按照第一转速散热会影响散热至目标散热温度的时间，也即恢复至稳态的时间加长，甚至无法使板卡恢复至目标散热温度。按照PID控制算法计算前两个周期和当前周期内的转速差(不同周期内P值可能不同，对应预设转速也不同)，按照转速差进行多次调控，在最短时间周期内对风扇进行无极调速。

步骤209，基于目标调整转速调整PWM波的占空比，并根据输出的目标PWM波驱动散热风扇。

确定每个周期内的转速差后，再对PWM波进行补偿，也即修正PWM波的占空比，再次根据PWM波驱动散热风扇进行散热，同时进入到下一循环周期，不断监控风扇转速。

本申请实施例提供的方案，通过在板卡上设置多个温度传感器、电压传感器和电流传感器，并根据传感器测量值及预设最大值的比值计算相应的校正值，通过目标散热温度所匹配的权重系数，构建出基于传感数据计算PWM波占空比的恒温模型，实现在任意周期内根据传感器数据变化对散热风扇无极变速调控。此外，考虑到实际运行时转速的波动问题，在该控制装置加入增量式PID控制算法，根据相应几个周期内实际风扇转速和预设转速的转速差进行PWM波的补偿，以确保散热风扇转速的精度，缩短散热至目标散热温度范围的时间，将板卡温度维持在恒定范围内，保证设备高效稳定运行。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述；需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容；因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种板卡散热风扇的控制方法，其特征在于，所述方法用于板卡上的主控芯片，所述板卡上集成有散热风扇和至少一个温度传感器、电压传感器及电流传感器；所述方法包括：

确定板卡散热风扇的目标工作模式，不同的目标工作模式对应不同的目标散热温度；

获取所述温度传感器、所述电压传感器以及所述电流传感器的传感器数据，根据所述传感器数据确定输出PWM波的占空比，并基于PWM波产生的驱动电压驱动所述散热风扇进行散热；其中，PWM波的占空比用于调节驱动器的驱动电压，不用的驱动电压对应不同的预设转速；

响应于所述驱动电压驱动所述散热风扇产生的第一转速和所述预设转速之间存在转速差，基于所述转速差确定调整输出的目标PWM波，并根据所述目标PWM波驱动所述散热风扇。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度传感器包括第一温度传感器至第a温度传感器，且分布于板卡的不同区域，用于检测不同区域的板卡温度；所述电流传感器包括第一电流传感器至第b电流传感器，分别用于检测板卡各区域的工作电流；所述电压传感器包括第一电压传感器至第c电压传感器，分别用于检测板卡各区域的工作电压；其中，a、b和c是大于1的正整数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述温度传感器、所述电压传感器以及所述电流传感器的传感器数据，并根据所述传感器数据确定输出PWM波的占空比，包括：

确定各个所述温度传感器的预设最高温度和当前温度值、所述电压传感器的预设最高电压和当前电压值以及所述电流传感器的预设最高电流和当前电流值，并根据测量值和预设最大值的比值确定温度校正值、电压校正值和电流校正值；

确定所述第一温度传感器的第一温度权重系数至所述第a温度传感器的第a温度权重系数，所述第一电流传感器的第一电流权重系数至所述第b电流传感器的第b电流权重系数，所述第一电压传感器的第一电压权重系数至所述第c电压传感器的第c电压权重系数；其中，各权重系数基于所述目标散热温度确定，是维持板卡保持所述目标散热温度的数值；

根据各个所述温度校正值、所述电压校正值、所述电流校正值以及对应权重系数的乘积和基于目标散热温度下的恒温模型，并确定输出PWM波的占空比。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据各个所述温度校正值、所述电压校正值、所述电流校正值以及对应权重系数的乘积和基于目标散热温度下的恒温模型，并确定输出PWM波的占空比，包括：

按照如下公式计算得到输出PWM波的占空比：

其中，x_m表示第m个温度传感器的第m温度校正值，y_n表示第n个电流传感器的第n电流校正值，z_u表示第u个电压传感器的第u电压校正值，A_m表示第m个温度传感器的第m权重系数，B_n表示第n个电流传感器的第n权重系数，C_u表示第u个电压传感器的第u权重系数，且m、n和u分别是小于a、b和c的正整数；P的取值范围为[0,1]，用于表示输出PWM波的占空比。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定输出PWM波的占空比后，所述方法还包括：

基于所述PWM波的占空比输出第一驱动电压，所述第一驱动电压作用于驱动器，并通过所述驱动器驱动所述散热风扇；

通过编码器检测所述第一驱动电压驱动所述散热风扇达到的所述第一转速。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述响应于所述驱动电压驱动所述散热风扇产生的第一转速和所述预设转速之间存在转速差，基于所述转速差确定调整输出的目标PWM波，并根据所述目标PWM波驱动所述散热风扇，包括：

响应于所述第一转速和所述预设转速存在差值，计算当前周期内所述第一转速和所述预设转速的第一转速差；

获取前两个周期内所述散热风扇转速和所述预设转速之间的第二转速差及第三转速差，并基于所述第一转速差、所述第二转速差、所述第三转速差计算获得目标调整转速；

基于所述目标调整转速调整PWM波的占空比，并根据输出的所述目标PWM波驱动所述散热风扇。

7.根据权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述板卡上的主控芯片按照预设时间周期性采集温度传感器、电压传感器以及电流传感器的温度值、电压值以及电流值，并根据编码器反馈的风扇转速计算转速差和输出PWM波。

8.一种板卡散热风扇的控制装置，其特征在于，所述装置包括板卡、主控芯片、散热风扇、温度传感器、电压传感器、电流传感器、驱动器、编码器和电机；

所述温度传感器用于采集所述板卡各区域的温度值，所述电压传感器用于采集所述板卡各区域的电压值，所述电流传感器用于采集所述板卡各区域的工作电流；

所述主控芯片分别连接所述温度传感器、所述电压传感器和所述电流传感器，并根据采集的温度值、电流值和电压值计算PWM波的占空比；

所述驱动器用于根据所述主控芯片输出的PWM波驱动电机转动，所述电机和所述散热风扇连接，带动所述散热风扇进行散热；

所述编码器连接所述电机和所述主控芯片，用于检测电机的实时转速，并向所述主控芯片反馈转速信息。

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