CN1791318A - 风扇组合及风扇调速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风扇调速方法，使用该方法时，首先获取风扇的最低转速和最高转速；然后分别获取所述最低转速和最高转速时的芯片温度；并根据所述最低转速和最高转速以及所述最低转速和最高转速时的芯片温度，确定风扇转速与芯片温度的变化关系；当需要进行调速时，获取当前的芯片温度；根据所述当前的芯片温度和风扇转速与单板温度的变化关系确定风扇的转速。为了测量芯片温度，本发明还公开了一种风扇组合，包括：单板、位于单板上的芯片、位于芯片上的散热器及固定在所述散热器上的风扇，和位于单板上的温度传感器，用于测量芯片温度。本发明不仅很好地解决了单板的散热问题，而且可以有效解决风扇的噪音和防尘问题。

Description

风扇组合及风扇调速方法

技术领域

本发明涉及电子或通信技术领域的散热技术，具体涉及一种风扇组合及风扇调速方法。

背景技术

现在的通信或电子设备越来越复杂、集成度越来越高，使得设备的功耗越来越大。在固定空间内，功耗的大幅增加给系统的散热带来了很大的挑战。通常，在自然散热不能满足要求的情况下，需要增加风扇来强迫风冷散热。但是增加风扇将引发新的问题，即为：设备噪音随着风扇转速的增大而增大，同时，进出设备的灰尘量也将随之增加，可见，设备噪音、防尘和散热效果之间存在矛盾。

为解决上述矛盾，通用的方案为根据设备工作的环境温度来调节风扇的转速。获取设备工作的环境温度的方法通常是：在设备的入风口安装一个温度传感器，设备把读取的温度传感器上的温度作为等效的环境温度。图1为现有技术调速方法的示意图。如图所示：首先确定两个风扇变速控制点：T_low和T_high。其中T_low为启动风扇线性调速的最低温度点，通常定为25℃；T_high为风扇线性调速的最高温度点，通常由设备允许的长期工作温度上限确定。当环境温度＜T_low时，风扇转速为N_min(一般取风扇额定转速的50％)；当环境温度≥T_high时，风扇转速为N_max(一般即为风扇的额定转速)；当T_low≤环境温度＜T_high时，风扇转速从N_min转速到N_max转速之间呈线性变化。具体转速取如下公式的计算值：

风扇转速N＝N_min+(N_max-N_min)*(T_x-T_low)/(T_high-T_low)

其中T_x为当前的环境温度。

但是，现有技术中这种基于环境温度的调速方法存在如下缺陷：

1、实际应用中，由于设备工作状态的变化，单板温度随时可能发生变化。以负责IP报文转发处理的单板为例，位于单板上的数据报文处理芯片在分别处理10％流量和90％流量时消耗的功耗差别很大，功耗的变化将导致芯片温度的变化，随之导致单板温度的变化。另外，设备配置的变化也可能引起单板温度的变化。例如，当由于设备扩容而增添功耗较大的单板时，单板散发出的热量将引起旁边插槽位单板的工作温度的升高。

而且，现有技术中基于环境温度的调速方法，由于温度传感器放置于设备的入风口，因此，无法感知设备内部单板温度的变化。此时，如果外界的环境温度不变，风扇的转速将保持不变，从而温度升高的单板无法降温，可能影响单板的可靠工作；并且，单板温度降低时，风扇同样无法相应调整转速，以使噪音和灰尘进入量降低。另外，设备内部配置单板变化时，风道阻力随之变化，进而导致单板接收到的风速的变化，从而影响风扇的调节效果。

2、当设备运行一段时间后，防尘网会出现一定程度的堵塞，如果风扇的转速不变，则进入设备的风量会由于防尘网的堵塞而减少，从而导致设备内部温度升高，进而影响单板的可靠工作。

综上所述，现有技术中基于环境温度的风扇调速方法无法随着单板温度的变化动态调整风扇转速，进而无法使设备的散热、噪声以及防尘三者关系调整到最佳状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：提供一种风扇组合及风扇调速方法，能够根据设备内部单板温度的变化自动调节风扇的转速，从而既能满足设备的散热要求，也能够避免由于风扇转速偏高导致的设备噪声以及防尘问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风扇组合，包括：单板、位于单板上的芯片、位于芯片上的散热器及固定在所述散热器上的风扇，还包括：位于单板上的温度传感器，用于测量芯片温度。

其中，所述温度传感器可以为热电耦，所述热电耦位于所述散热器上，或位于其温度与芯片温度产生强耦合性的芯片附近。

另外，所述温度传感器还可以为热敏电阻或集成的数字温度传感器，所述数字温度传感器位于其温度与芯片温度产生强耦合性的芯片附近。

本发明还提供了一种风扇调速方法，包括步骤：

1)获取风扇的最低转速和最高转速；

2)分别获取所述最低转速和最高转速时的芯片温度；

3)根据所述最低转速和最高转速以及所述最低转速和最高转速时的芯片温度，确定风扇转速与芯片温度的变化关系；

4)获取当前的芯片温度；

5)根据所述当前的芯片温度和风扇转速与单板温度的变化关系确定风扇的转速。

其中，所述风扇转速与芯片温度的变化关系具体为：

当所述当前的芯片温度低于所述风扇的最低转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最低转速；

当所述当前的芯片温度大于或等于所述风扇的最高转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最高转速；

否则，按照下述公式确定风扇转速：

$N=N_{\min }+(N_{\max }-N_{\min })*\frac{T-T\min }{T\max -T\min }$

其中，N为风扇转速，N_min为风扇的最低转速，N_max为风扇的最高转速，T为当前的芯片温度，T_min为风扇最低转速时的芯片温度，T_max为风扇最高转速时的芯片温度。

另外，所述风扇转速与芯片温度的变化关系还可以具体为：

当所述当前的芯片温度低于所述风扇的最低转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最低转速；

当所述当前的芯片温度大于或等于所述风扇的最高转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最高转速；

否则，在风扇的最低转速和最高转速之间划分固定数量的量化台阶，将当前单板温度所属的量化台阶的转速确定为风扇的转速。

进一步，当所述芯片数量为N时，按照下述步骤确定所述风扇转速：

A)按照所述当前的芯片温度和变化关系分别获取N个芯片的风扇转速；

B)将N个芯片中的风扇转速的最大值作为所述风扇转速。

其中，所述最高转速为单板标准配置时风扇的额定转速；所述最低转速为单板标准配置时，启动风扇线性调速的最低转速。

另外，本发明还适用于所述最高转速为单板满配置时风扇的额定转速；所述最低转速为单板满配置时，启动风扇线性调速的最低转速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的通过在单板上安装温度传感器，然后根据大功率芯片温度的变化自动调节风扇转速的方法，能够实时根据芯片温度来调节风扇的转速，不仅很好的解决了单板的散热问题，而且可以有效解决风扇的噪音和防尘问题。当由于环境温度升高、防尘网堵塞、系统配置变化或其它异常情况，导致内部温度升高时，本发明可以及时调节风扇的转速，确保设备不会因为内部温度偏高而影响系统工作的稳定性和可靠性。并且风扇转速始终保持在合理的状态，因此提高了风扇的使用寿命。

另外，本发明还提供了设备中存在多个大功率芯片的解决方案，进一步增强了本发明的实用性。

附图说明

图1是现有技术中温度传感器的温度调速曲线模型；

图2是本发明中的温度传感器的一种安装方法；

图3是本发明中的温度传感器的另一种安装方法；

图4是本发明中的温度传感器的一种温度调速曲线模型；

图5是本发明中的温度传感器的另一种温度调速曲线模型。

具体实施方式

本发明提供一种风扇组合及一种风扇调速方法，可以根据系统内部芯片温度的变化自动调节风扇的转速，从而既能很好的满足系统的散热要求，同时也不会由于风扇转速偏高(过散热)导致系统的噪声以及带来防尘问题，并且还可以最大限度提高风扇的使用寿命。

本发明的核心思想是在设备单板的大功率芯片附近放置温度传感器，通过温度传感器实时监测大功率芯片的温度变化，并根据实时收集的温度传感器采集的温度，结合本发明提供的算法，计算每个对应温度需要的风扇转速，实现对风扇转速的实时调节。

本发明主要涉及以下几个技术要点：温度传感器的布放位置要求以及转速的计算方法。以下分别进行详细介绍。

由于绝大多数芯片都不支持内部集成温度传感器来实现对自身结温的监测，为了测量芯片的温度，本发明公开了一种风扇组合，在所述风扇组合中说明了温度传感器的布放位置要求。所述风扇组合包括风扇、单板、位于单板上的芯片、位于芯片上的用于辅助散热的散热器，另外，在设备的单板上外接温度传感器，来检测单板上的大功率芯片温度。

对于温度传感器的选用，首选热电耦。安装时将其置于芯片的散热器上，使其能够比较精确的测量芯片散热器的温度，如图2所示。

但是使用热电耦，由于生产安装过程比较复杂，另外成本也较高，因此，本发明所述的具有风扇的设备中，温度传感器还可以使用热敏电阻或集成的数字温度传感器，图3为安装示意图。如图所示，将所述温度传感器安装在印刷电路板PCB上(即生产时直接焊接到单板的PCB上)，并使其靠近被监测的高功耗器件附近，使其温度能够与芯片的温度具有强耦合性，即所述温度传感器的温度能够随着芯片的温度变化相同的温度。(一般距离大功率芯片最近的边缘距离不超过2cm)。同时，为了保证温度传感器读出来的温度与被监测芯片的实际温度有强耦合性以及变化规律有趋同性，将温度传感器放置于被监测芯片的风道下游，使得当芯片散热的热量被风吹过后，能被温度传感器监测到。

本发明在提供的风扇调速方法中公开了转速的计算方法。其关键点是根据设备工作时芯片的温度而不是环境温度来调节风扇的转速。当使用该方法进行转速控制时，首先获取风扇的最低转速和最高转速；然后分别获取所述最低转速和最高转速时的芯片温度；并根据所述最低转速和最高转速以及所述最低转速和最高转速时的芯片温度，确定风扇转速与芯片温度的变化关系；接着获取当前的芯片温度；根据所述当前的芯片温度和风扇转速与单板温度的变化关系确定风扇的转速。

转速的计算方法的关键是要确定每个温度传感器的温度调速曲线。然后根据这个温度调速曲线来计算当前温度需要的风扇转速。

温度传感器的温度调速曲线模型与现有的基于环境温度调速曲线模型类似，如图4所示。其中，纵坐标表示风扇转速的范围，N_min为启动风扇线形转动的最低转速，N_max为风扇转动的最高转速；与现有技术关键的区别在于本发明的横坐标温度是单板上温度传感器的温度，不是环境温度。对于不同的单板上的不同的温度传感器，其温度调速点T_min和T_max以及风扇转速范围N_min、N_max可以不相同。

确定单板上温度传感器对应调速点T_min和T_max的方法如下。

根据上述的温度调速曲线，设系统风扇的最低转速为N_min，最高转速为N_max。另外设产品允许的长期工作温度上限为T_high(例如产品允许的长期工作温度范围是0℃～40℃，则T_high＝40℃)。

T_min：在产品工作环境温度为常温情况下，风扇的额定转速控制在Nmin，读出此时的温度传感器值，即为该温度传感器的T_min。

T_max：在产品工作环境温度为T_high情况下，风扇的额定转速控制在N_max，读出此时的温度传感器值，即为该温度传感器的T_max。

值得提出的是：以上确定T_min和T_max的方法，前提是系统在常温环境温度下，以N_min转速可以满足散热要求；在T_high环境温度下，以N_max转速可以满足散热要求。

对于风扇的最高转速N_max一般为风扇的额定转速，最低转速N_min为启动风扇线性调速的最低温度点，具体的制定方法在以下的两个实施例中详细介绍。

根据温度传感器的温度调速曲线以及实测温度值，确定当前温度需要的风扇转速。

设温度传感器S1当前实测温度为：T1

该温度传感器的温度调速点T_min为：T1_min

该温度传感器的温度调速点T_max为：T1_max

设该温度传感器当前温度需要的风扇转速为N1，则：

(1)当T1≤T1_min时，N1＝N_min

(2)当T1_min＜T1≤T1_max时，

$\frac{T1-{T1}_{\min }}{{T1}_{\max }-{T1}_{\min }}=\frac{N1-N_{\min }}{N_{\max }-N_{\min }}$

即 $N1=N_{\min }+(N_{\max }-N_{\min })\×\frac{T1-{T1}_{\min }}{{T1}_{\max }-{T1}_{\min }}$

由于在实际应用时，按照上述公式确定风扇的转速的方法，一旦温度有一些变化，风扇的转速就要随之变化，在实际应用中需要不断去调整风扇转速。为了避免这种情况，可以使用以下简化的方法来替代：将风扇转速范围划分为i个等分的量化台阶，然后按照下述公式获得风扇的转速，如图4所示：

如图所示，调速曲线上共有i个拐点，其坐标分别为(T1_min，N1_min)、(T₁，N₁)、(T₂，N₂)、。。。。。。、(T_i-2，N_i-2)、(T1_max，N1_max)。

其中 $T_1={T1}_{\min }+\frac{{T1}_{\max }-{T1}_{\min }}{i-1}$

$T_2={T1}_{\min }+2\×\frac{T{1}_{\max }-{T1}_{\min }}{i-1}$

$T_3={T1}_{\min }+3\×\frac{{T1}_{\max }-{T1}_{\min }}{i-1}$

$T_{i-2}={T1}_{\min }+(i-2)\×\frac{{T1}_{\max }-{T1}_{\min }}{i-1}$

$N1={N1}_{\min }+\frac{{N1}_{\max }-{N1}_{\min }}{i-1}$

$N2={N1}_{\min }+2\×\frac{{N1}_{\max }-{N1}_{\min }}{i-1}$

$N3={N1}_{\min }+3\×\frac{{N1}_{\max }-{N1}_{\min }}{i-1}$

$N_{i-2}={N1}_{\min }+(i-2)\×\frac{{N1}_{\max }-{N1}_{\min }}{i-1}$

则实测温度与风速转速的对应关系为：

当T1_min＜T≤T₁时，N1＝N₁

当T₁＜T≤T₂时，N1＝N₂

当T₂＜T≤T₃时，N1＝N₃

............

(1)当T_i-3＜T≤T_i-2时，N1＝N_i-2；

(2)当T_i-2＜T≤T1_max时，N1＝N1_max；

(3)当T1≥T1_max时，N1＝N_max。

另外，本发明适用于设备中存在多个温度传感器的情况。如果设备中存在多个大功率芯片，则可以根据大功率芯片对单板的温度影响，选择在需要测量的每个大功率芯片上分别安装一个温度传感器，安装方法同上所述，不再赘述。使用本发明进行调速时，首先需要确定每个大功率芯片上不同温度传感器的调速温度范围。对于位于不同的芯片上的温度传感器的温度曲线相互独立，其温度调速点T_min和T_max可以不相同。确定每个温度传感器的T_min和T_max如上所述，不再赘述。然后按照以下步骤确定风扇的转速。

假设设备一共有n个温度传感器。我们使用上面的方法分别确定了每个温度传感器当前温度需要的风扇转速。

温度传感器S1当前温度需要的风扇转速为：N1

温度传感器S2当前温度需要的风扇转速为：N2

…

温度传感器Sn当前温度需要的风扇转速为：Nn

为了防止某些芯片的风扇转速达不到散热要求，设备风扇当前需要的转速取以上各点转速的最大值：

N＝max{N1，N2，N3，......，Nn}

以下分别介绍应用本发明的两个具体的实施例以说明上述4个参数的确定方法。

第一实施例：在此仅介绍4个参数的确定过程，对于其他的过程由于与上文所述相同，因此不再赘述。

(1)由于本发明是基于设备内部实际的芯片温度来调速的，一旦设备配置变化或业务运行的状态变化导致温度升高，本发明可以自动提高风扇的转速，保证系统散热能满足芯片的要求，所以可以在单板标准配置，按照设备的标准配置以及平均业务流量情况下来确定调速曲线，另外所有单板正常运行业务，业务可以不线速。在确定两个变速控制点时，将设备放入环境试验用的温控箱中，并将温控箱内部的环境温度设定为25℃，风扇的转速设定为额定转速的40％，通过外接的热电耦监测芯片的温度，如果芯片温度低于其要求的长期稳定工作的门限，则可以把N_min确定为风扇额定转速的40％，T_min为当前该器件旁边温度传感器的实测温度值。如果温度传感器测量发现该芯片的温度超过了其要求的长期稳定工作的门限，则把风扇的转速按照一定的量化台阶增加(例如一次增加5％)，温控箱内部的环境保持不变，再测试芯片温度。如果此时芯片的温度低于其要求的长期稳定工作的门限，则N_min为当前的风扇转速，T_min为当前该器件旁边温度传感器的测试温度值。如果芯片温度仍然超过了该芯片要求的长期稳定工作的门限，则按照上述方法逐步增加风扇额定转速。直到找到合适的风扇转速，保证在温控箱温度为25℃时，芯片的温度满足要求。此时的转速即为N_min，此时的该芯片旁边温度传感器的温度即为该温度传感器对应的T_min。

(2)最高转速为N_max为风扇的额定转速。

(3)设产品允许的长期工作环境温度上限为T_high(例如产品允许的长期工作环境温度范围是0℃～40℃，则T_high＝40℃)。控制温控箱中环境温度为T_high，风扇的额定转速控制在N_max，读出此时的温度传感器值，即为该温度传感器的T_max。

第二实施例：：在此仅介绍4个参数的确定过程，对于其他的过程由于与上文所述相同，因此不再赘述。

为了防止极限状态下，即芯片业务线速运行、单板满配置时，设备内部的散热达不到散热要求的情况，对于4个参数的确定，也可以按照现有的基于环境温度进行风扇调速的方法，在确定调速曲线的T_low和T_high时，保证系统满配置，而且所有单板业务线速运行，具体步骤如下所述：(1)设备风扇转速控制在N_min(一般取风扇额定转速的50％)，设备满配置，而且所有业务全部线速运行。把设备放在环境测试的温控箱中，然后在温控箱中把环境温度从20℃逐步提升，并用外接的热电耦测量芯片的温度，当监测到芯片的温度接近其长期稳定工作的门限时(一般留一定的余量，例如6℃)，此时的温控箱的环境温度温度就是T_min。

(2)最高转速为N_max为风扇的额定转速。

(3)设产品允许的长期工作环境温度上限为T_high(例如产品允许的长期工作环境温度范围是0℃～40℃，则T_high＝40℃)。控制温控箱中环境温度为T_high，风扇的额定转速控制在N_max，读出此时的温度传感器值，即为该温度传感器的T_max。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种风扇组合，包括：单板、位于单板上的芯片、位于芯片上的散热器及固定在所述散热器上的风扇，其特征在于，还包括：位于单板上的温度传感器，用于测量芯片温度。

2、根据权利要求1所述的风扇组合，其特征在于：所述温度传感器为热电耦，所述热电耦位于所述散热器上，或位于其温度与芯片温度产生强耦合性的芯片附近。

3、根据权利要求1所述的风扇组合，其特征在于：所述温度传感器为热敏电阻或集成的数字温度传感器，所述数字温度传感器位于其温度与芯片温度产生强耦合性的芯片附近。

4、一种风扇调速方法，其特征在于，包括步骤：

1)获取风扇的最低转速和最高转速；

2)分别获取所述最低转速和最高转速时的芯片温度；

3)根据所述最低转速和最高转速以及所述最低转速和最高转速时的芯片温度，确定风扇转速与芯片温度的变化关系；

4)获取当前的芯片温度；

5)根据所述当前的芯片温度和风扇转速与单板温度的变化关系确定风扇的转速。

5、根据权利要求4所述的风扇调速方法，其特征在于：所述风扇转速与芯片温度的变化关系具体为：

当所述当前的芯片温度低于所述风扇的最低转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最低转速；

当所述当前的芯片温度大于或等于所述风扇的最高转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最高转速；

否则，按照下述公式确定风扇转速：

$N=N_{\min }+(N_{\max }-N_{\min })*\frac{T-T\min }{T\max -T\min }$

其中，N为风扇转速，N_min为风扇的最低转速，N_max为风扇的最高转速，T为当前的芯片温度，T_min为风扇最低转速时的芯片温度，T_max为风扇最高转速时的芯片温度。

6、根据权利要求4所述的风扇调速方法，其特征在于：所述风扇转速与芯片温度的变化关系具体为：

当所述当前的芯片温度低于所述风扇的最低转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最低转速；

当所述当前的芯片温度大于或等于所述风扇的最高转速时的芯片温度时，风扇转速为所述风扇的最高转速；

否则，在风扇的最低转速和最高转速之间划分固定数量的量化台阶，将当前单板温度所属的量化台阶的转速确定为风扇的转速。

7、根据权利要求4或5所述的风扇调速方法，其特征在于：当所述芯片数量为N时，按照下述步骤确定所述风扇转速：

A)按照所述当前的芯片温度和变化关系分别获取N个芯片的风扇转速；

B)将N个芯片中的风扇转速的最大值作为所述风扇转速。

8、根据权利要求6所述的风扇调速方法，其特征在于：所述最高转速为单板标准配置时风扇的额定转速；所述最低转速为单板标准配置时，启动风扇线性调速的最低转速。

9、根据权利要求6所述的风扇调速方法，其特征在于：所述最高转速为单板满配置时风扇的额定转速；所述最低转速为单板满配置时，启动风扇线性调速的最低转速。

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