CN1979145A - 检测风冷散热系统散热性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测风冷散热系统散热性能的装置及方法，通过在风冷散热系统的风道内设置标本，通过控制标本温度与标本外部温度的温差恒定测量施加于标本的功率或控制施加于标本的功率恒定测量标本温度与标本外部温度的温差来确定该功率或该温差对应表征的风冷散热系统的对流热阻，进而可根据测量的对流热阻判断风冷散热系统的性能。测量装置和方法简单，灵敏度高、成本低，可及时检测到风冷散热系统的散热情况，能够在散热性能渐进性劣化到影响系统正常工作程度之前发出告警，提高通讯设备的可维护性。

Description

检测风冷散热系统散热性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及风冷散热技术，特别是关于检测风冷散热系统散热性能的装置及方法。

背景技术

随着通讯设备集成度的提高，安装通讯设备的机柜(或机盒)的功率密度越来越大。为了保证通讯设备工作在安全范围内，需要对通讯设备进行强制散热，即在通讯设备中以空气为冷却介质进行对流换热。由于通信设备中通常具有系统阻力(系统阻力包括由摩擦力等引起的沿程压力损失和由流体的速度和方向变化引起的局部压力损失等)，因此通信设备中需要外力驱动进行对流换热，如现有技术中常以风扇作为外力驱动，可克服系统阻力，保证冷空气可从需要冷却处理想掠过。

通常，现有的风冷散热系统包括风扇和设于机壳上的进、出风口，该风扇和风口按照一定的方式配置，在机柜(或机盒)内形成风道，从而达到对机柜(或机盒)内的器件散热的目的。为了防止在散热过程中，灰尘进入机柜(或机盒)内，影响机壳内的器件性能，一般在风冷散热系统的进风口或出风口处设置防尘网，所以风扇是否正常运转、防尘网和风口等构成的风道是否通畅无阻塞决定了风冷散热系统的散热性能。

一旦风扇损坏或防尘网或风口堵塞将导致散热风流量减少从而引起通讯设备故障，如通讯设备中光模块致冷电流增加、芯片过热、系统死机等，因此需要对风冷散热系统中各个风扇的转速及风道的畅通情况进行实时监控。

目前的方式是使用带转速监测端子的风扇器件，当系统中任何一个风扇停转时，通过控制器使系统中的其它风扇运行于高速状态，同时上报告警，提示维护人员进行更换。

对于风道的故障(例如进、出风口及防尘网堵塞)，目前的方式是通过在系统中各个通讯设备单板设置温度检测点，通过检测单板的温度变化情况来反映风道是否畅通，当单板温度超过检测门限时，上报告警提示维护人员风道可能出现堵塞等故障，应进行及时的处理。

上述现有的检测方案虽然可以检测到风冷散热系统的散热性能，但是存在以下的问题：

对于风扇故障的风冷散热系统性能检测，通过检测风扇转速确定系统散热性能，但由于风扇停转检测信号是突变的，只有在风扇停转后才会输出。而风扇的失效通常是由于轴承磨损，润滑剂干涸或高温变质、灰尘进入等导致，具体现象是风扇转速逐渐下降。风扇停转检测不能识别出这种故障模式。在风扇完全停转之前，可能风流量已经下降到影响系统正常工作的程度；风扇停转上报告警之后，在维护人员接到告警赶到现场处理这段时间内，系统也可能因过热而出现故障。

对于风道故障的风冷散热系统性能检测，通过单板温度的检测确定系统散热性能，但由于成本的原因，每块单板只能设置一个或几个检测点，不能对单板中每一块发热的芯片都进行检测。而且单板温度检测实际上检测到的是机框内部单板的空气或印刷电路板的温度。单板上的加热源是各种需要散热的芯片，检测点离加热源有一定距离，中间的介质是热阻很大的空气或印刷电路板板材，导致检测点温度与芯片温度有很大的温差。因此，当风扇故障或风道故障时，在单板温度检测值超过检测门限发出告警之前，单板芯片温度可能已经超过正常工作范围。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种能定量、及时检测风冷散热系统散热性能的装置及方法，以在各种原因如风扇老化或风口、防尘网堵塞等导致风冷散热系统散热性能劣化到影响系统正常工作程度之前，检测出风扇故障、防尘网堵塞、出风口及入风口堵塞等故障模式，发出告警，提示维护人员清理防尘网、风口或更换失效风扇。

为解决上述问题，本发明提供的一种检测风冷散热系统散热性能的装置，包括：

设置于风冷散热系统风道中通过施加能量控制改变其温度的标本；

对所述标本施加能量控制其温度改变的能量施加单元；

检测所述标本温度的第一温度传感器；

检测所述标本外部温度的第二温度传感器；

温差控制单元，用于根据第一温度传感器检测的标本温度和第二温度传感器检测的标本外部温度，控制能量施加单元施加于标本的功率，使标本温度和标本外部温度之前的温差保持恒定；

功率检测转换单元，用于检测所述控制单元控制的能量施加单元施加于标本的功率，转换输出该功率对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

性能确定单元，用于确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

可选地，所述标本为加热器。

可选地，所述加热器可采用装有散热器的加热电阻或二极管PN结、三极管、场效应管。

可选地，所述标本为制冷器。

可选地，所述第一、第二温度传感器采用热敏电阻、热电偶、PN结或温度检测芯片。

相应的，本发明的一种检测风冷散热系统散热性能的装置，包括：

设置于风冷散热系统风道中通过施加能量控制改变其温度的标本；

对所述标本施加能量控制其温度改变的能量施加单元；

检测所述标本温度的第一温度传感器；

检测所述标本外部温度的第二温度传感器；

功率控制单元，用于控制能量施加单元施加恒定功率于标本；

温差检测转换单元，用于检测所述第一温度传感器检测的标本温度以及第二温度传感器检测的标本外部温度，得到标本温度和标本外部温度之前的温差，转换输出该温差对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

性能确定单元，用于确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

可选地，所述标本为加热器。

可选地，所述加热器采用装有散热器的加热电阻或二极管PN结、三极管、场效应管。

可选地，所述标本为制冷器。

可选地，所述第一、第二温度传感器采用热敏电阻、热电偶、PN结或温度检测芯片。

相应的，本发明的一种检测风冷散热系统散热性能的方法，包括：

于风冷散热系统风道中设置通过施加能量控制可改变其温度的标本；

控制施加于标本的功率，使标本温度和标本外部温度之前的温差保持恒定；

检测温差恒定时施加于标本的功率并将该功率转换为对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

可选地，所述标本为加热器或制冷器。

可选地，所述加热器可采用装有散热器的加热电阻或二极管PN结、三极管、场效应管。

相应的，本发明的一种检测风冷散热系统散热性能的方法，包括：

于风冷散热系统风道中设置通过施加能量控制可改变其温度的标本；

控制施加于标本的功率保持恒定；

检测施加于标本的功率恒定时标本温度以及标本外部温度，得到标本温度和标本外部温度之前的温差，转换输出该温度对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

可选地，所述标本为加热器或制冷器。

可选地，所述加热器可采用装有散热器的加热电阻或二极管PN结、三极管、场效应管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在风冷散热系统的风道内设置标本，通过控制标本温度与标本外部温度的温差恒定测量施加于标本的功率或控制施加于标本的功率恒定测量标本温度与标本外部温度的温差来确定该功率或该温差对应表征的风冷散热系统的对流热阻，进而可根据测量的对流热阻判断风冷散热系统的性能。测量装置和方法简单，灵敏度高、成本低，可及时检测到风冷散热系统的散热情况，能够在散热性能渐进性劣化到影响系统正常工作程度之前发出告警，提高通讯设备的可维护性。

附图说明

图1是本发明风冷散热系统散热性能检测装置在系统的位置示意图；

图2是是本发明按照第一种方式的风冷散热系统散热性能检测装置第一实施例的组成示意图；

图3是图2所示风冷散热系统散热性能检测装置第一实施例的电路实现示意图；

图4是PWM锁存器输出信号的合成示意图；

图5是图3中实现功率检测模块的巴特沃兹二阶有源低通滤波器电路组成示意图；

图6是本发明按照第二种方式的风冷散热系统散热性能检测装置第二实施例的组成示意图。

具体实施方式

下面首先说明本发明中涉及的名词含义：

热阻是指热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为传导热阻、对流热阻、辐射热阻。对于强制风冷散热系统，起主要作用的是对流热阻。

结温(Junction Remperature)：泛指有源区温度。有源区可以是结型器件封装内部的PN结区，场效应管的沟道区，或肖特基器件的接触势垒区等。

环境温度(Environment Temperature)：对于机柜系统，外部环境或者进风口的温度为环境温度；对于系统内部单板的器件，器件周遍稳定的环境温度为周遍温度(Ambient Temperature)指来流冷却气体的温度，一般小于系统出风口的温度，本发明中所述环境温度为标本外部温度。

根据热能原理，风冷散热系统的散热性能可以用热阻θJA来表示，具体的，任意芯片的结温TJ可按式(1.1)表示：

TJ＝P×θJA+ΔT micro_ambient+T ambient    (1.1)

其中：P为器件热耗，θJA为结到器件周边空气的热阻，T ambient为环境温度，ΔTmicro_ambient为器件周边空气相对于环境温度的温升。热设计要保证当Tambient＝环境温度规格上限Tup_limit时，结温TJ满足温度指标要求。

在风冷散热系统中，风扇失效或风道堵塞的结果是引起两个关键的热设计参数θJA和ΔT micro_ambient值的增加，从而导致通讯设备器件温度升高。在热源热耗P(W)不变的前提下热源与热沉之间的温差Δt(℃)与热阻θ(℃/W)成正比，即θ降低→Δt减小→热源温度降低。

基于上述原理，在风冷散热系统中，通过测量对流热阻θ，就可以定量地反映系统散热性能，当对流热阻θ的值超过预设的门限值时，系统散热性能达到了应该提示维修人员维修、处理该风冷散热系统的性能劣化情况，下面详细说明。

参考图1，该图是本发明风冷散热系统散热性能检测装置在系统的位置示意图。

本发明中在风冷散热系统内部设置一个散热性能检测装置，该散热性能检测装置实物形态是系统内部单板上的一个模块，在系统风道中顺着气流方向放置，为提高对风流量的敏感度，应尽量放置在无摭挡的地方。

根据上述热阻的定义：θ＝Δt/P，通过对温差Δt和功率P的计算，可以得出对流热阻θ，进而根据热阻θ可确定系统散热性能，具体实现可采用两种方式。

按照第一种方式，通过控制温差恒定，检测功率确定对流热阻，进而确定散热性能，具体可按照如下流程进行散热性能检测：

首先，于风冷散热系统风道中设置通过施加能量控制可改变其温度的标本；

其次，控制施加于标本的功率，使标本温度和标本外部温度之前的温差保持恒定；

再次，检测温差恒定时施加于标本的功率并将该功率转换为对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

最后，确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

按照第二种方式，通过控制对标本施加恒定功率，检测标本与标本外部的温差确定对流热阻，进而确定散热性能，具体可按照如下流程进行散热性能检测：

首先，于风冷散热系统风道中设置通过施加能量控制可改变其温度的标本；

其次，控制施加于标本的功率保持恒定；

再次，检测施加于标本的功率恒定时标本温度以及标本外部温度，得到标本温度和标本外部温度之前的温差，转换输出该温度对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

最后，根据所述获取的对流热阻，确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

参考图2，该图是本发明按照第一种方式的风冷散热系统散热性能检测装置第一实施例的组成示意图。

本实施例原理在于控制标本加热功率P使温升Δt保持恒定，用检测器检测加热功率P就可以得知对流热阻θ，进而根据对流热阻θ确定系统散热性能，由于以温差为控制对象，不受环境温度变化的影响，抗干扰性强，具体实现时，所述散热性能检测装置主要包括：

设置于风冷散热系统风道中通过施加能量控制改变其温度的标本11，本发明中所述标本可以是加热器，例如采用装有散热器的加热电阻或为二极管PN结、三极管、场效应管(MOSFET)，所述标本也可以是制冷器，这里不再赘述。

对所述标本施加能量控制其温度改变的能量施加单元12；

检测所述标本温度的第一温度传感器13；

检测所述标本外部温度的第二温度传感器14；

本发明中所述第一温度传感器13和第二温度传感器14均可采用热敏电阻、热电偶、PN结或温度检测芯片。

温差控制单元15，用于根据第一温度传感器13检测的标本温度和第二温度传感器14检测的标本外部温度，控制能量施加单元12施加于标本11的功率，使标本温度和标本外部温度之前的温差保持恒定；

功率检测转换单元16，用于检测所述温差控制单元15控制的能量施加单元12施加于标本的功率，转换输出该功率对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

性能确定单元17，用于确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能，例如本发明中可预置对流热阻的门限域值，在功率检测转换单元检测输出对流热阻后，与所述门限域值进行比较后可输出状态信号(正常或告警)。

下面以一个具体的电路实现例子进行说明。

参考图3，该图是图2所示风冷散热系统散热性能检测装置第一实施例的电路实现示意图。

本具体实现电路中，标本采用加热器，用时钟源OSC激励脉冲宽度调制(PWM)锁存器的S端产生具有恒定周期T的PWM波形。控制PWM锁存器的R端可以调节PWM波的点空比D(导通时间与周期的比值)。基准电压模块产生的恒定的电压加在由热敏电阻T0、T1组成的温差检测网络上，当温差T1-T0等于设定值C时，比较器COMP两个输入端电压将相等，输出为1，将PWM锁存器复位，加热开关T断开，停止加热。如果温差T1-T0与设定值C有差值ΔC时，经过热敏电阻T0、T1组成的温差检测网络，COMP两个输入端将出现误差电压ΔV，PID控制模块COMP两个输入端电压不相等，输出为0，PWM锁存器置位，可以控制加热开关T的占空比D。恒流源产生的恒定电流I经过加热开关T调制作用于加热电阻上。由于PWM周期为T、加热电流I、加热电阻R均为恒定值，测量加热开关的占空比D就可以得到加热功率：

P＝T×D×I×R    (1.2)

上述电路中通过温度闭环自动控制使T1与T0的温差ΔT保持在恒定值C。根据公式ΔT＝P×θ，测量占空比D即可得出对流热阻θ，即占空比D反映了风冷系统散热性能劣化的程度。

参考图4，本实施例中PWM锁存器输出的是周期和幅值固定、占空比可变的脉宽调制信号，由直流分量和均值为0V的方波分量叠加而成，由傅立叶变换原理可知，该信号包含直流分量和频率为基频整数倍的谐波分量，可采用低通滤波器滤掉高频分量，保留与占空比成正比的直流分量，从而实现D/A转换。

另外，功率检测模块的作用是将能体现加热功率的PWM信号的占空比D变换为直流电压信号V，用电压比较器比较此电压，超过门限时输出散热性能劣化的告警信号，上报系统，参考图5，所述功率检测模块可由巴特沃兹二阶有源低通滤波器电路组成。

需要说明的，上述电路中可使用闭环PID控制，具有误差信号放大功能，灵敏度高，另外由于输出信号为脉冲宽度信号，容易用光耦隔离，方便进行数字信号处理，经过PWM/V变换后输出模拟电压信号，可以简单地用电压比较器处理，方便输出告警信号。

参考图6，该图是本发明按照第二种方式的风冷散热系统散热性能检测装置第二实施例的组成示意图。

本实施例原理在于采用控制对标本输出恒定的功率，检测标本内温度和标本外温度信号差值Δt，输出该温差对应表征的对流热阻，进而根据该热阻获取对应的散热性能。具体实现时，本实施例中所述散热性能检测装置同样包括：

设置于风冷散热系统风道中通过施加能量控制改变其温度的标本11；

对所述标本施加能量控制其温度改变的能量施加单元12；

检测所述标本温度的第一温度传感器13；

检测所述标本外部温度的第二温度传感器14；

另外，与第一实施例不同的，本实施例中所述散热性能检测装置还包括：

功率控制单元18，用于控制能量施加单元12施加恒定功率于标本的功率；

温差检测转换单元19，用于检测所述第一温度传感器13检测的标本温度以及第二温度传感器14检测的标本外部温度，得到标本温度和标本外部温度之前的温差，转换输出该温差对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

以及与第一实施例相同的性能确定单元17，用于确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能，上述各个功能单元具体实现可参考前述说明，这里不再赘述。

综上，本发明实现算法简单，无须复杂计算，可用模拟电路设计，体积小，成本低，可靠性高，在风扇故障、防尘网堵塞、出风口及入风口堵塞等故障模式时均可可定量检测风冷系统散热性能劣化程度，能够在散热性能渐进性劣化到影响系统正常工作程度之前发出告警，可以提高通讯设备的可维护性。

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 (16)

1、一种检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，包括：

设置于风冷散热系统风道中通过施加能量控制改变其温度的标本；

对所述标本施加能量控制其温度改变的能量施加单元；

检测所述标本温度的第一温度传感器；

检测所述标本外部温度的第二温度传感器；

温差控制单元，用于根据第一温度传感器检测的标本温度和第二温度传感器检测的标本外部温度，控制能量施加单元施加于标本的功率，使标本温度和标本外部温度之前的温差保持恒定；

功率检测转换单元，用于检测温差恒定时所述温差控制单元控制的能量施加单元施加于标本的功率，转换输出该功率对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

性能确定单元，用于确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

2、根据权利要求1所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，所述标本为加热器。

3、根据权利要求2所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，所述加热器采用装有散热器的加热电阻、三极管或场效应管。

4、根据权利要求1所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，所述标本为制冷器。

5、根据权利要求1-4任一项所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，所述第一、第二温度传感器采用热敏电阻、热电偶、PN结或温度检测芯片。

6、一种检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，包括：

设置于风冷散热系统风道中通过施加能量控制改变其温度的标本；

对所述标本施加能量控制其温度改变的能量施加单元；

检测所述标本温度的第一温度传感器；

检测所述标本外部温度的第二温度传感器；

功率控制单元，用于控制能量施加单元施加恒定功率于标本；

温差检测转换单元，用于检测所述第一温度传感器检测的标本温度以及第二温度传感器检测的标本外部温度，得到标本温度和标本外部温度之前的温差，转换输出该温差对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

性能确定单元，用于确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

7、根据权利要求6所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，所述标本为加热器。

8、根据权利要求7所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于：所述加热器采用装有散热器的加热电阻、三极管或场效应管。

9、根据权利要求7所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，所述标本为制冷器。

10、根据权利要求7-9任一项所述的检测风冷散热系统散热性能的装置，其特征在于，所述第一、第二温度传感器采用热敏电阻、热电偶、PN结或温度检测芯片。

11、一种检测风冷散热系统散热性能的方法，其特征在于，包括：

于风冷散热系统风道中设置通过施加能量控制可改变其温度的标本；

控制施加于标本的功率，使标本温度和标本外部温度之前的温差保持恒定；

检测温差恒定时施加于标本的功率并将该功率转换为对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

12、根据权利要求11所述的检测风冷散热系统散热性能的方法，其特征在于，所述标本为加热器或制冷器。

13、根据权利要求12所述的检测风冷散热系统散热性能的方法，其特征在于，所述加热器采用装有散热器的加热电阻、三极管或场效应管。

14、一种检测风冷散热系统散热性能的方法，其特征在于，包括：

于风冷散热系统风道中设置通过施加能量控制可改变其温度的标本；

控制施加于标本的功率保持恒定；

检测施加于标本的功率恒定时标本温度以及标本外部温度，得到标本温度和标本外部温度之前的温差，转换输出该温度对应表征的风冷散热系统的对流热阻；

确定所述对流热阻对应的风冷散热系统的散热性能。

15、根据权利要求14所述的检测风冷散热系统散热性能的方法，其特征在于，所述标本为加热器或制冷器。

16、根据权利要求15所述的检测风冷散热系统散热性能的方法，其特征在于，所述加热器采用装有散热器的加热电阻、三极管或场效应管。

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