TW202028910A - 散熱模組及其散熱方法 - Google Patents

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Abstract

一種散熱模組及其散熱方法。熱電致冷晶片的冷面配置於導熱件上，處理電路依據溫度感測器感測導熱件的溫度產生的溫度感測信號控制電壓控制電路提供輸出電壓給熱電致冷晶片，以調整熱電致冷晶片的冷面的溫度，而對熱源進行散熱。

Description

散熱模組及其散熱方法
本發明是有關於一種散熱模組及其散熱方法，且特別是有關於一種高效率的散熱模組及其散熱方法。
隨著科技的進步與需求，許多的模擬軟體與繪圖軟體以及遊戲軟體都需要高效能的運算能力與大量的中央處理器（Central Processing Unit, CPU）資源，不管是在桌上型電腦（Desktop）或筆記型電腦（Laptop）皆如此。而為了提高中央處理器的工作效率來因應高複雜運算與運用，操作中央處理器並維持在高時脈將會是努力的方向與工作。而中央處理器為了在高時脈區間進行操作，並維持在晶片的極限或大於晶片上限時脈（Overclocking, OC），相對的晶片組所產生的熱源也必須被快速的帶走與散熱，一旦超過晶片組的額定支援耐受溫度，系統將會出現不確定性的異常行為發生。因此為了達到系統的穩定且維持在高時脈的工作效率輸出，更高效率並且穩定的散熱模組就成為重要的議題。
早期的散熱模組大多以室溫之空氣作為媒介，隨散熱模組的演進應用於電腦的散熱模組，之後隨使用者需求進化出經由空氣冷卻（Air cooling）或水冷（Liquid cooling）等方式進行散熱或是將前兩者整合為一起，但因空氣冷卻方式是透過常溫（例如25°）的空氣當作媒介，其散熱的效率有限。當中央處理器需瞬間操作在大於規格書的額定頻率值時，當下所產生的熱源與瓦特數將瞬間大於散熱設計功率（Thermal Design Power, TDP），此時如果只透過常溫空氣方式來進行散熱其能被解決中央處理器瞬間所產生的高溫相對有限。現今電腦系統的散熱模組控制方法，為當到達指定溫度時以開關方式來控制的風扇轉速，此風扇轉速控制方式不僅反應無法即時，且容易有無法達到精準控制的開關切換損失。
此外，現有的散熱模組體積無法隨使用者需求進行調整，當需要更高效能與高頻率需求勢必在散熱模組上就需要更大的散熱面積來加速散熱能力，導致需要重新設計散熱模組進而提高設計成本。
本發明提供一種散熱模組及其散熱方法，可有效地提高散熱效率。
本發明的散熱模組適於對熱源進行散熱，散熱模組包括導熱件、電壓控制電路、熱電致冷晶片、溫度感測器以及處理電路。導熱件連接熱源。電壓控制電路提供輸出電壓。熱電致冷晶片耦接電壓控制電路，熱電致冷晶片的冷面配置於導熱件上，熱電致冷晶片依據輸出電壓調整冷面的溫度。溫度感測器感測導熱件的溫度而產生溫度感測信號。處理電路耦接電壓控制電路以及溫度感測器，依據溫度感測信號輸出控制信號，以控制電壓控制電路所產生的輸出電壓的電壓值，調整冷面的溫度，而對熱源進行散熱。
在本發明的一實施例中，上述的導熱件包括金屬容器，散熱模組還包括水冷裝置，其提供包括冷卻液的循環管路，循環管路連接金屬容器與熱源。
在本發明的一實施例中，上述的水冷裝置還包括散熱器以及幫浦。散熱器連接循環管路，對冷卻液進行散熱。幫浦連接循環管路，驅使冷卻液於循環管路中流動。
在本發明的一實施例中，上述的散熱器包括風扇。
在本發明的一實施例中，上述的散熱模組還包括散熱器，其配置於熱電致冷晶片的熱面，對熱電致冷晶片的熱面進行散熱。
在本發明的一實施例中，上述的散熱器包括風扇。
在本發明的一實施例中，上述的處理電路儲存溫度電壓表格，溫度電壓表格包括溫度感測信號的溫度值與電壓控制電路的目標輸出電壓的電壓值的對應關係，處理電路依據溫度電壓表格與溫度感測信號控制電壓控制電路產生輸出電壓。
在本發明的一實施例中，上述的處理電路包括嵌入式控制晶片。
本發明的散熱模組的散熱方法適於對熱源進行散熱，散熱模組包括熱電致冷晶片以及導熱件，導熱件連接熱源，熱電致冷晶片的冷面配置於導熱件上，散熱模組的散熱方法包括下列步驟。感測導熱件的溫度而產生溫度感測信號。依據溫度感測信號調整輸出至熱電致冷晶片的控制電壓，以調整冷面的溫度，而對熱源進行散熱。
在本發明的一實施例中，上述的導熱件包括金屬容器，散熱模組還包括水冷裝置，水冷裝置提供包括冷卻液的循環管路，循環管路連接金屬容器與熱源。
基於上述，本發明的處理電路依據溫度感測器感測導熱件的溫度產生的溫度感測信號控制電壓控制電路提供輸出電壓給熱電致冷晶片，以調整熱電致冷晶片的冷面的溫度，而對熱源進行散熱。如此依據溫度感測信號提供輸出電壓給熱電致冷晶片，可持續地對應溫度變化來精準地調整提供熱電致冷晶片的輸出電壓，進而有效地對熱源進行散熱，提高散熱模組的散熱效率。此外，還可避免熱電致冷晶片的冷面持續操作在超低溫，而使冷面出現水珠凝結的情形，進而造成使用散熱模組的系統或電子裝置毀損。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1繪示本發明一實施例的散熱模組的示意圖，請參照圖1。散熱模組可包括處理電路102、電壓控制電路104、熱電致冷晶片106、導熱件108以及溫度感測器110。其中導熱件108連接熱源112，熱源112可例如為中央處理器或顯示晶片等運作時會產生熱能的裝置，然不以此為限，導熱件108可例如包括鋁合金、銀合金或銅合金等具有高熱傳導係數的金屬材質。電壓控制電路104耦接處理電路102與熱電致冷晶片106，熱電致冷晶片106的冷面SD1配置於導熱件108上，此外處理電路102更耦接溫度感測器110。
溫度感測器110可感測導熱件108的溫度而產生溫度感測信號S2，處理電路102可例如為嵌入式控制晶片，其可依據溫度感測信號S2產生控制信號S1，電壓控制電路104可依據控制信號S1產生輸出電壓Vout的電壓值給熱電致冷晶片106。熱電致冷晶片106可依據所接收的電壓產生熱面與冷面，當熱電致冷晶片106所接收的電壓越高時，熱面與冷面間的溫差越大，也就是冷面的溫度將越低，而熱面的溫度將越高。在本實施例中，熱電致冷晶片106可依據輸出電壓Vout調整熱電致冷晶片106的冷面SD1的溫度，進而調整導熱件108的溫度，而對熱源112進行散熱。例如熱源112為在高頻率高效能下運作的中央處理器時，熱電致冷晶片106可透過導熱件108有效地降低中央處理器的溫度，而使中央處理器可正常地發揮高頻率高效能的運作。
詳細來說，電壓控制電路104的實施方式可例如圖2所示，電壓控制電路104可包括輸入電源Vin、電感L1、電晶體Q1、整流二極體D1以及電容C1，其中輸入電源Vin耦接於電感L1的第一端與接地之間，電感L1的第二端耦接整流二極體D1的陽極，電晶體Q1耦接於電感L1的第二端與接地之間，電晶體Q1的閘極耦接處理電路102，以接收控制信號S1。整流二極體D1的陰極耦接電壓控制電路104的輸出端，此外電容C1耦接於整流二極體D1的陰極與接地之間。
電感L1具有儲存能量的功能，當電晶體Q1導通時輸入電源Vin可持續使電感L1累積電能量，而當電晶體Q1斷開時電流將流經整流二極體D1對電容C1進行放電。藉由控制信號S1(在本實施例中控制信號S1為脈寬調變信號)控制電晶體Q1在導通狀態與斷開狀態間切換，可以連續充放電方式來累積能量並決定輸出電壓Vout的電壓值。
在應用散熱模組的系統長時間運行後或需要以高效能運作的情況下導熱件108的溫度將會上升，溫度感測器110可感測導熱件108的溫度並產生溫度感測信號S2回傳至處理電路102。處理電路102可依據溫度感測信號S2利用內部演算法重新調整脈寬調變訊號（控制信號S1）的工作比，並將內部演算法重新調整脈寬調變訊號輸出給電壓控制電路104中的電晶體Q1，以使電壓控制電路104穩定地提供輸出電壓Vout給熱電致冷晶片106，以使熱電致冷晶片106降低冷面SD1的溫度來對熱源112(例如中央處理器)進行散熱，如此持續地進行溫度偵測與調整電壓控制電路104的輸出電壓Vout，可有效地使中央處理器達到最高的效能輸出。
此外，為了避免開關式切換損失，可例如將電壓控制電路104的目標輸出電壓對導熱件108的溫度(也就是溫度感測信號S2的溫度值)製作為表格儲存於處理電路102中，表格中的溫度與電壓資訊可依據實驗數據自行定義，以達到最佳的溫度控制效果。處理電路102可直接依據溫度感測信號S2以及表格中電壓控制電路104的目標輸出電壓對導熱件108的溫度的關係來控制電壓控制電路104產生輸出電壓Vout。電壓控制電路104的目標輸出電壓對導熱件108的溫度的表格可例如下表所示。
導熱件溫度(℃) 目標溫度(℃) 目標輸出電壓(V) 中央處理器效能
99 15 18 高
95 15 17 高
85 15 16.8 高
80 20 16.2 中
70 20 15.8 中
60 20 15.2 中
50 25 14.5 中
40 25 14.1 低
30 25 13.4 低
表1
一般來說，中央處理器(熱源112)溫度的變化具有不確定性，且其溫度變化將間接影響到電壓控制電路的輸出電壓vout，利用記載的電壓控制電路104的目標輸出電壓對導熱件108的溫度的表格來進行輸出電壓vout的控制可有效地最佳化熱電致冷晶片106的溫度調整控制，而可讓中央處理器發揮最佳的效能。舉例來說，圖3是本發明一實施例的電壓控制電路的輸出電壓、目標輸出電壓以及輸入電源Vin的輸入電壓的波形示意圖。在圖3實施例中，導熱件108的溫度因中央處理器的溫度變化而由30度升至99度再降至60度，由圖3可知，處理電路102可對應中央處理器的溫度變化依據溫度感測信號S2與表1的資訊將電壓控制電路104的目標輸出電壓依序定為13.4V、18V與15.2V(其對應的熱電致冷晶片106的目標溫度為25度、15度以及20度)。由圖3中輸入電壓的波形可看出，電壓控制電路104的輸出電壓Vout確實反應中央處理器的溫度變化快速地達到目標輸出電壓，而可有效地對熱電致冷晶片106進行精準的溫度控制。此外，還可避免熱電致冷晶片106的冷面持續操作在超低溫，而使冷面SD1出現水珠凝結的情形，進而造成使用散熱模組的系統或電子裝置毀損。
又例如，圖4是本發明另一實施例的電壓控制電路的輸出電壓、目標輸出電壓以及輸入電源Vin的輸入電壓的波形示意圖。在圖4實施例中，導熱件108的溫度也是因中央處理器的溫度變化而由30度升至99度再降至60度，此外輸入電源Vin的輸入電壓因不確定的因素出現了波動的情形。由圖4可知，處理電路102仍可依據溫度感測信號S2與表1的資訊精準地控制電壓控制電路104的輸出電壓，有效地使熱電致冷晶片106反應中央處理器的溫度變化進行散熱。
由於上述實施例的處理電路102可反應中央處理器的溫度變化來調整熱電致冷晶片106的冷面SD1的溫度，因此即使升級中央處理器而使得運作溫度大幅提高，散熱模組仍可透過進一步降低熱電致冷晶片106的冷面SD1的溫度，而有效地進行散熱，因此可解決習知技術需重新設計散熱模組的問題。
圖5繪示本發明另一實施例的散熱模組的示意圖，請參照圖5。相較於圖1實施例，本實施例的散熱模組更包括水冷裝置502，水冷裝置502可提供包括冷卻液的循環管路P1，循環管路P1連接導熱件108，在本實施例中，導熱件108為金屬容器。進一步來說，水冷裝置502還包括散熱器504以及幫浦506，循環管路P1可依序連接導熱件108、熱源112、散熱器504以及幫浦506。幫浦506則可驅使冷卻液於循環管路P1中流動。散熱器504可例如為風扇，其可對循環管路P1中冷卻液進行散熱，以降低冷卻液因帶走熱源112的熱能所提高的溫度。此外，熱電致冷晶片106的冷面SD1也可透過降低導熱件108的溫度來對冷卻液進行降溫，以使冷卻液更有效地對熱源112進行散熱。由於本實施例中有關熱電致冷晶片106的溫度控制的方式與上述實施例相同，因此在此不再贅述其實施細節。此外，散熱模組還可包括另一散熱器508，散熱器508配置於熱電致冷晶片106的熱面SD2，散熱器508可例如以風扇來實施，然不以此為限。藉由散熱器508對熱電致冷晶片106的熱面SD2進行散熱可進一步提高熱電致冷晶片106的工作效能。
圖6繪示本發明一實施例的散熱模組的散熱方法的流程圖，請參照圖6。由上述實施例可知，散熱模組的散熱方法可包括下列步驟。首先，感測導熱件的溫度而產生溫度感測信號(步驟S601)，其中導熱件連接熱源，在部分實施例中，導熱件可例如為金屬容器，其可與散熱模組的水冷裝置中的循環管路連接。接著，依據溫度感測信號調整輸出至熱電致冷晶片的控制電壓，以調整冷面的溫度，而對熱源進行散熱(步驟S602)。如此依據溫度感測信號提供輸出電壓給熱電致冷晶片，可持續地對應溫度變化來精準地調整提供熱電致冷晶片的輸出電壓，進而有效地對熱源進行散熱，提高散熱模組的散熱效率。
綜上所述，本發明的處理電路依據溫度感測器感測導熱件的溫度產生的溫度感測信號控制電壓控制電路提供輸出電壓給熱電致冷晶片，以調整熱電致冷晶片的冷面的溫度，而對熱源進行散熱。如此依據溫度感測信號提供輸出電壓給熱電致冷晶片，可持續地對應溫度變化來精準地調整提供熱電致冷晶片的輸出電壓，進而有效地對熱源進行散熱，提高散熱模組的散熱效率。此外，還可避免熱電致冷晶片的冷面持續操作在超低溫，而使冷面出現水珠凝結的情形，進而造成使用散熱模組的系統或電子裝置毀損。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
102:處理電路 104:電壓控制電路 106:熱電致冷晶片 108:導熱件 110:溫度感測器 112:熱源 502:水冷裝置 504:散熱器 506:幫浦 508:散熱器 SD1:冷面 S2:溫度感測信號 S1:控制信號 Vout:輸出電壓 Vin:輸入電源 L1:電感 Q1:電晶體 D1:整流二極體 C1:電容 P1:循環管路 SD2:熱面 S601、S602:散熱模組的散熱方法步驟
圖1繪示本發明一實施例的散熱模組的示意圖。 圖2繪示本發明一實施例的電壓控制電路的示意圖。 圖3是本發明一實施例的電壓控制電路的輸出電壓、目標輸出電壓以及輸入電源的輸入電壓的波形示意圖。 圖4是本發明另一實施例的電壓控制電路的輸出電壓、目標輸出電壓以及輸入電源的輸入電壓的波形示意圖。 圖5繪示本發明另一實施例的散熱模組的示意圖。 圖6繪示本發明一實施例的散熱模組的散熱方法的流程圖。
102:處理電路
104:電壓控制電路
106:熱電致冷晶片
108:導熱件
110:溫度感測器
112:熱源
SD1:冷面
S2:溫度感測信號
S1:控制信號
Vout:輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種散熱模組，適於對一熱源進行散熱，該散熱模組包括： 一導熱件，連接該熱源； 一電壓控制電路，提供一輸出電壓； 一熱電致冷晶片，耦接該電壓控制電路，該熱電致冷晶片的冷面配置於該導熱件上，該熱電致冷晶片依據該輸出電壓調整該冷面的溫度； 一溫度感測器，感測該導熱件的溫度而產生一溫度感測信號；以及 一處理電路，耦接該電壓控制電路以及該溫度感測器，依據該溫度感測信號輸出一控制信號，以控制該電壓控制電路所產生的該輸出電壓的電壓值，調整該冷面的溫度，而對該熱源進行散熱。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該導熱件包括一金屬容器，該散熱模組還包括： 一水冷裝置，提供包括冷卻液的一循環管路，該循環管路連接該金屬容器與該熱源。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的散熱模組，其中該水冷裝置還包括： 一散熱器，連接該循環管路，對該冷卻液進行散熱；以及 一幫浦，連接該循環管路，驅使該冷卻液於該循環管路中流動。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的散熱模組，其中該散熱器包括風扇。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，還包括： 一散熱器，配置於該熱電致冷晶片的熱面，對該熱電致冷晶片的熱面進行散熱。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的散熱模組，其中該散熱器包括風扇。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該處理電路儲存一溫度電壓表格，該溫度電壓表格包括該溫度感測信號的溫度值與該電壓控制電路的目標輸出電壓的電壓值的對應關係，該處理電路依據該溫度電壓表格與該溫度感測信號控制該電壓控制電路產生該輸出電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該處理電路包括嵌入式控制晶片。
  9. 一種散熱模組的散熱方法，適於對一熱源進行散熱，該散熱模組包括一熱電致冷晶片以及一導熱件，該導熱件連接該熱源，該熱電致冷晶片的冷面配置於該導熱件上，該散熱模組的散熱方法包括： 感測該導熱件的溫度而產生一溫度感測信號；以及 依據該溫度感測信號調整輸出至該熱電致冷晶片的控制電壓，以調整該冷面的溫度，而對該熱源進行散熱。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的散熱模組的散熱方法，其中該導熱件包括一金屬容器，該散熱模組還包括一水冷裝置，該水冷裝置提供包括冷卻液的一循環管路，該循環管路連接該金屬容器與該熱源。
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