CN1220925C - 根据cpu温度闭环控制冷却风扇转速的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的方法，它至少包括如下步骤：利用CPU内部传感器检测CPU核心温度，通过控制器将CPU温度对应的数值换算；设定CPU拐点温度，建立冷却风扇之间的对应关系；检测冷却风扇转速；将检测冷却风扇转速送控制器进行比较，根据比较结果控制风扇转速；对应CPU不同的温度，冷却风扇工作于不同的转速。冷却风扇为CPU风扇和系统风扇，分别独立进行检测和控制。CPU拐点温度设为一个以上，优选为3个，CPU风扇、系统风扇设有对应的转速。本发明根据CPU温度来控制CPU风扇转速及机箱风扇转速，在满足电脑主机散热的情况下，降低整机系统的噪音，同时本发明CPU风扇及机箱风扇工作电压稳定，保证器件使用寿命长，并且转速输出准确。

Description

根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种通过风扇进行CPU冷却的方法和装置，尤其是一种根据CPU的温度，控制CPU风扇转速及机箱风扇转速的冷却CPU，并且降低整机系统噪音的方法及其装置。属于计算机技术应用领域。

背景技术

目前，越来越多的计算机厂商对整机系统的噪音十分重视，特别是国内外著名的计算机厂商都在以各种各样的方式来降低整机系统的噪音。就目前统计的情况来看，计算机噪音的来源有相当大一部分是由CPU风扇和机箱风扇全速运转时产生的，转速越高噪音越大。而有些厂商单纯为了满足散热的需要而忽视了CPU风扇、机箱风扇全速运转带来的噪音。其实CPU并不是时刻都工作在满负荷状态，在多数正常使用的情况下CPU的负荷并不大，这种情况下CPU的发热量也不是很大，那么在这种情况下CPU风扇和系统风扇的全速运转就是一种浪费，同时也带来了很大的噪音。如果在这种情况下降低CPU风扇和系统风扇的转速，那么既可以保证CPU正常工作同时也达到了静音的目的，使用户有一台“安静的电脑”。

当然，这种降低噪音的方法并不是将CPU的散热弃之不顾，而其实这种方法是根据CPU的发热量来动态调节CPU风扇和系统风扇的转速，使CPU风扇和系统风扇受控于CPU的发热量，随着CPU发热量的不同来动态控制CPU风扇和系统风扇提供不同转速，也就是在CPU发热量和CPU风扇以及系统风扇之间建立一种密切的联系，这样既可以保证CPU的散热又可以达到整机系统降低噪音的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的方法及其装置，它能够根据CPU温度来控制CPU风扇转速及机箱风扇转速，在满足电脑主机散热的情况下，降低整机系统的噪音。

本发明的又一目的在于提供一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的方法及其装置，使CPU风扇及系统风扇工作电压稳定，能够保证器件使用寿命长，并且转速输出准确。

为此，本发明提供如下技术方案实现上述目的：

一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的方法，它至少包括如下步骤：设定CPU拐点温度，建立冷却风扇转速与CPU内核温度之间的对应关系，对应CPU不同的内核温度，冷却风扇工作于不同的转速；利用CPU内部传感器检测CPU内核温度，通过控制器将CPU温度对应的数值换算；检测冷却风扇转速；将检测冷却风扇转速送控制器进行比较，根据比较结果控制风扇转速。

冷却风扇包括CPU风扇和系统风扇。对于CPU风扇和系统风扇分别独立进行检测和控制。

具体地，CPU风扇、系统风扇转速控制由控制器通过输出控制电路，控制风扇的电压平均值，而进行调速。控制风扇电压包括对电压进行脉宽调制控制产生脉动电压，生成具有占空比的工作电压。输出控制电路还进一步包括整流电路，该整流电路设置在脉宽调制电路与风扇控制端之间用于提供平稳的工作电压，CPU温度到达低于拐点温度一数值N后，再调整风扇的转速，防止风扇调速振荡。

拐点温度转速调节为施密特曲线控制方式。

CPU拐点温度设为一个以上，优选为3个，CPU风扇、系统风扇设有对应的转速。

本发明的另一技术方案，提供了一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的控制装置。它包括CPU内部测温传感器以及控制器，传感器输出接控制器。其中控制器包括检测温度信号处理换算模块，用于将温度信号处理换算后存储在该控制器的寄存器中；在该控制器内设置CPU拐点温度，建立CPU温度与冷却风扇转速的对应关系，该控制器比较模块实时将输入CPU温度与冷却风扇转速数值进行比较，输出控制信号通过控制电路管理冷却风扇转速。冷却风扇为CPU风扇、系统风扇。CPU风扇、系统风扇分别具有独立的检测控制电路和输出控制电路。

检测控制电路为风扇和主板的接口，它读取风扇转速，通过脉冲信号提供给温度控制器。

输出控制电路包括一电压脉宽调制电路，调整风扇供电电压平均值，平均值改变，风扇转速改变。其中脉宽调制电路由电阻R1、R2、R3以及三极管T1、场效应管G1构成；控制器输出接电阻R1，场效应管G1输出接风扇控制端。

进一步地，输出控制电路还包括整流电路，该整流电路设置在脉宽调制电路与风扇风扇控制端之间用于提供平稳的工作电压，该电路由电感L1、电容C1以及二极管D1构成。

与现有技术相比，本发明具有明显的优点：它根据CPU的发热量来动态调节CPU风扇和系统风扇的转速，使CPU风扇和系统风扇受控于CPU的发热量，随着CPU发热量的不同来动态控制CPU风扇和系统风扇提供不同转速，也就是在CPU发热量和CPU风扇以及系统风扇之间建立一种密切的联系，这样在不同的CPU发热量下提供不同的风扇转速，在CPU发热量不大的情况下，提供较低的风扇转速以保持低噪音，在CPU发热量很大的情况下提供较高的风扇转速以保证CPU的散热，这样既可以保证CPU的散热又可以达到整机系统降低噪音的目的，并且这种监测和控制是实时的，动态的。

再有，本发明大大降低整机系统正常工作情况下的噪音，使其低于国标要求的36db。

另外，本发明也不会对于主板造成太高的成本增加，整体经济性能比较好。

附图说明

图1为温控控制器与CPU之间的电气连接关系图。

图2为本发明CPU温度与CPU风扇转速对应关系示意图。

图3为本发明风扇转速监测和控制的电路原理图。

图4为本发明风扇的脉宽调制信号示意图。

图5为本发明方法流程图。

图6为本发明控制模块构成框图。

图7为本发明一种较佳实施例的CPU风扇转速和CPU温度对应关系示意图。

图8为本发明一种较佳实施例的系统风扇转速和CPU温度对应关系示意图。

具体实施方式

本发明为一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的方法及其装置，它主要思想在于根据CPU的发热量来动态调节CPU风扇和系统风扇的转速，使CPU风扇和系统风扇受控于CPU的发热量，随着CPU发热量的不同来动态控制CPU风扇和系统风扇提供不同转速，也就是在CPU发热量和CPU风扇以及系统风扇之间建立一种密切的联系，这样在不同的CPU发热量下提供不同的风扇转速，在CPU发热量不大的情况下，提供较低的风扇转速以保持低噪音，在CPU发热量很大的情况下提供较高的风扇转速以保证CPU的散热，这样既可以保证CPU的散热又可以达到整机系统降低噪音的目的，并且这种监测和控制是实时的，动态的。

具体地，本发明第一步、实现CPU的温度监测。

在这里CPU温度的监测方式是利用CPU内部的热敏二极管，由于热敏二极管被内置到CPU内核中，因此能够很准确的体现CPU的内核温度(CPU的发热量体现在CPU的内核温度上，CPU内核温度超过某一规定值工作就不稳定，甚至烧毁CPU)。在目前的CPU中，已经提供了这项功能的支持，也就是CPU内部集成了热敏二极管，以供用户监测温度之用。

在计算机主板设计中将CPU内部集成的热敏二极管以特定电气连接方式连接到执行温度监测和实现温度处理的芯片中，这种芯片种类很多，目前常用的是计算机主板上的温控控制器，该芯片提供了CPU温度信号接收和处理的功能。它和CPU之间的电气连接关系如图1所示。

第二步、实现CPU温度的接收和处理。

温控控制器通过图1所示的电气连接关系和CPU内部的热敏二极管连接后就可以接收CPU内部发来的温度信号，它利用内部的功能模块将接收到的温度信号进行处理。在其内部有一个特定的计算公式来处理温度信号从而得出CPU的温度值，该公式如下：

$\mathrm{Ifw}=\mathrm{Is}\left\{\hat{e}\right[(\mathrm{Vd}*q)/\left(\mathrm{nkT}\right)]-1\}$

Ifw是热敏二极管的正向导通电流5-300μA；

n为热敏二极管的理想因数1.0057-1.0125(通常取值为1.0080)；

Is为饱和电流；

q为电量；

Vd为正向压降；

K为一个固定常量，由温控控制器的制造商给定；

T为开氏温度，也就是CPU内核温度；

原理是：随着CPU内核温度T的变化Ifw不断变化，这种变化反映到温控控制器中，温控控制器内部的温度监测模块按照和上面的数学等式相反的运算，依据Ifw的变化来换算出温度值，作为温度探测的结果，并存储在温控控制器内部的寄存器中以便在系统读取CPU温度时使用，这样就完成了CPU温度的监测工作。

第三步、设定CPU的拐点温度，建立CPU温度和CPU风扇、机箱风扇之间的对应关系。

通过设定CPU的拐点温度，将CPU的工作温度分割成三个区间，系统把在第二步中监测到的CPU温度值读取出来和拐点温度做对比，以确定当前CPU的温度位于哪一个温度区间中，在不同的温度区间CPU风扇和机箱风扇运转在不同的转速下。

当CPU温度低于T1时，风扇工作在speed1转速下；

当CPU温度高于T1但低于T2时，风扇工作在Speed2转速下；

当CPU温度高于T2时，风扇工作在Speed3转速下(通常也就是最高转速)；

其对应关系如图2所示。

第四步、CPU风扇及机箱风扇转速的监测和控制。

为了实现第三步中建立的CPU温度和CPU风扇及系统风扇转速的对应关系，还必须要监测CPU风扇和系统风扇的转速以便实时对其转速做调控，因为只有监测到CPU风扇和系统风扇的转速后才知道它们工作在哪一个转速下，是否满足第三步中建立的对应关系(如图2)，如果不满足，则要控制CPU风扇和系统风扇的转速使其按照图2建立的曲线运转。图3所示为风扇转速监测和控制的电路原理图。

风扇转速的监测：如图3，FAN3P就是风扇和主板的接口，它是一个有三根管脚的接口，FAN3P(风扇接口)的第三根管脚的功能就是读取风扇转速，这个管脚也和温控控制器的Sensor(传感器)输入端相连，从Sensor端进而连接到温控控制器内部的转速计中。风扇每旋转一周就发出两个脉冲，不断旋转就不断发出脉冲，这些脉冲从风扇内部发出来通过FAN3P的第三根管脚输出给温控控制器的Sensor端，进而被发送到温控控制器内部的转速计中，温控控制器内部的转速计通过计算脉冲个数来计算风扇转速，这样就达到了监测风扇转速的目的。

风扇转速的控制：监测到风扇转速后，系统检验目前的转速是否满足图2所示的对应关系，如果不满足，则系统通过控制手段调整风扇的转速，使其满足图2所示的对应关系。

具体实现风扇控制功能的也是由主板上的温控控制器来完成，在它的内部逻辑中转速监测模块和转速控制模块是相关联的，转速监测完成后温控控制器内部的监测模块将监测到的信息反馈给转速控制模块，转速控制模块通过PWM(脉宽调制控制)方式调整PWM的占空比，使风扇的供电电压发生变化，或提高或降低，风扇供电电压的变化导致风扇转速的变化，这就是风扇转速控制的原理。

如图3，FANPWM(风扇的脉宽调制信号)就是温控控制器上面用于发出脉冲信号的管脚。

如图4所示的就是FANPWM发出的脉冲信号，它的周期是固定的，但它的脉冲宽度是可调的，HIGH代表高电平，LOW代表低电平，Th代表高电平持续的时间，T1代表低电平持续的时间，通过调整高电平持续的时间Th就可以调整风扇供电电压的平均值，风扇供电电压的平均值一被改变风扇的转速就被改变，也就实现了风扇转速控制。

本发明的流程为：

首先系统上电初始化，对拐点温度T1、T2，CPU风扇的速度转折点Vcpu1、Vcpu2、Vcpu3，系统风扇的速度转折点Vsys1、Vsys2、Vsys3进行设置；

启动后系统读取当前的CPU温度Tc；

当CPU温度Tc低于拐点温度T1时，CPU风扇Vcpu以Vcpu1运转(如图7)，系统风扇Vsys以Vsys1运转(如图8)；

为确保CPU风扇和系统风扇以Vcpu1、Vsys1运转，系统会实时读取Vcpu及Vsys的值来和Vcpu1、Vsys1做比较，一旦发现Vcpu、Vsys和Vcpu1、Vsys1不符，就启动风扇控制模块对Vcpu及Vsys进行提升或降低的操作，使Vcpu、Vsys能够时刻跟随Vcpu1、Vsys1，这样做的目的是为了适应各种不同规格的CPU风扇和系统风扇，以及避免某些风扇性能不稳定导致转速不稳定的情况，这样可以避免出现散热不良造成CPU烧毁等问题；

该风扇控制模块包括两个环节：脉动电压产生环节和整流环节(如图3所示为控制模块的具体硬件，如图6所示为控制模块的框图)。

脉动电压产生环节：该环节由电阻R1、R2、R3及一个三极管T1、一个半导体场效应管G1组成，其功能是通过FANPWM的控制将+12V进行脉宽调制处理，在半导体场效应管G1的输出端产生一定占空比的脉动电压。

整流环节：该环节由一个电感线圈L1、一个电解电容C1和一个续流二极管D1组成，电感线圈的电感值、电解电容的容量可根据实际情况适当选择。该环节的功能是将脉动电压产生环节产生的脉动电压整流为平稳的直流电压，其波动范围可控制在300mV之内。而如果没有整流环节，系统仍然可以工作，但提供给风扇的电压是一个脉动的，是类似于三角波的形状，那么这样的供电电压对风扇内部的霍尔IC存在不利因素，一方面长期给霍尔IC提供不平稳的电压会引起霍尔IC工作不正常甚至损坏；另一方面我们通过实验发现提供这种没经过整流的脉动电压会造成风扇转速读取不准确，也就是在这种供电电压下风扇中的霍尔IC不能提供准确的风扇转速数值。因此我们在这里加了整流环节，目的是给风扇提供一个平稳的工作电压，使霍尔IC能够正常工作并延长工作寿命，同时也保证风扇能够输出准确的转速数值。这也是该设计的一个特殊指明的特点。

随着系统的运转，CPU温度会逐渐上升，当CPU温度Tc高于拐点温度T1但低于拐点温度T2时，CPU风扇Vcpu以Vcpu2运转(如图7)，系统风扇Vsys以Vsys2运转(如图8)；

同样为确保CPU风扇和系统风扇以Vcpu2、Vsys2运转，系统会实时读取Vcpu及Vsys的值来和Vcpu2、Vsys2做比较，一旦发现Vcpu、Vsys和Vcpu2、Vsys2不符，就启动风扇控制模块对Vcpu及Vsys进行提升或降低的操作，使Vcpu、Vsys能够时刻跟随Vcpu2、Vsys2；

如果出现长时间CPU负荷很重的情况，CPU的温度会继续上升，当CPU温度Tc高于拐点温度T2时，CPU风扇Vcpu以Vcpu3(全速)运转(如图7)，系统风扇Vsys以Vsys3(全速)运转(如图8)；

同样为确保CPU风扇和系统风扇以Vcpu3、Vsys3运转，系统会实时读取Vcpu及Vsys的值来和Vcpu3、Vsys3做比较，一旦发现Vcpu、Vsys和Vcpu3、Vsys3不符，就启动风扇控制模块对Vcpu及Vsys进行提升或降低的操作，使Vcpu、Vsys能够时刻跟随Vcpu3、Vsys3。

如图7、图8所示：在整个控制过程中，CPU风扇和系统风扇是独立控制的，二者的温度监测和转速控制是完全独立的。并且为了避免CPU和系统风扇的转速在温度拐点T1和T2处出现振荡，该控制方案在拐点温度T1和T2处使用了施密特曲线控制方式。即当CPU温度超过T1或者T2时，CPU风扇转速Vcpu从Vcpu1上升到Vcpu2或者从Vcpu2上升到Vcpu3，系统风扇转速Vsys从Vsys1上升到Vsys2或者从Vsys2上升到Vsys3，但如果随着风扇转速的增加CPU温度逐渐降低，那么并不是当CPU温度回落到T2或T1时CPU风扇转速及系统风扇转速回落到上一转速数值，而是当CPU温度回落到T2-n℃或T1-n℃时CPU风扇转速及系统风扇转速才会回落到上一转速数值，这样就避免了CPU风扇及系统风扇在拐点温度处出现振荡的情况。n的数值可以根据情况确定。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1、一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的方法，其特征在于：它至少包括如下步骤：设定CPU拐点温度，建立冷却风扇转速与CPU内核温度之间的对应关系，对应CPU不同的内核温度，冷却风扇工作于不同的转速；利用CPU内部传感器检测CPU内核温度，通过控制器将CPU温度对应的数值换算；检测冷却风扇转速；将检测冷却风扇转速送控制器进行比较，根据比较结果控制风扇转速。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的冷却风扇转速控制由控制器通过输出控制电路，控制冷却风扇的电压平均值，而进行调速。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的控制冷却风扇电压包括对电压进行脉宽调制控制产生脉动电压，生成具有占空比的工作电压。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的输出控制电路还进一步包括整流电路，该整流电路设置在脉宽调制电路与冷却风扇控制端之间用于提供平稳的工作电压。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：所述的CPU温度到达低于拐点温度一数值N后，再调整冷却风扇的转速，防止冷却风扇调速振荡。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的拐点温度转速调节为施密特曲线控制方式。

7、根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：所述冷却风扇包括CPU风扇和系统风扇。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：对于CPU风扇和系统风扇分别独立进行检测和控制。

9、一种根据CPU温度闭环控制冷却风扇转速的控制装置，它包括CPU内部测温传感器以及控制器，传感器输出接控制器，其特征在于：所述的控制器包括检测温度信号处理换算模块，用于将温度信号处理换算后存储在该控制器的寄存器中；在该控制器内设置CPU拐点温度，建立CPU温度与冷却风扇转速的对应关系，该控制器比较模块实时将输入CPU温度与冷却风扇转速数值进行比较，输出控制信号通过控制电路管理冷却风扇转速。

10、根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于：所述的冷却风扇分别具有独立的检测控制电路和输出控制电路。

11、根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于：所述的检测控制电路为冷却风扇和主板的接口，它读取冷却风扇转速，通过脉冲信号提供给温度控制器。

12、根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于：所述的输出控制电路包括一电压脉宽调制电路，调整冷却风扇供电电压平均值，平均值改变，冷却风扇转速改变。

13、根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于：所述的输出控制电路还进一步包括整流电路，该整流电路设置在脉宽调制电路与冷却风扇控制端之间用于提供平稳的工作电压。

14、根据权利要求9、10、11、12或13所述的的控制装置，其特征在于：所述的冷却风扇为CPU风扇、系统风扇。

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