TW494214B

TW494214B - Fan speed control system

Info

Publication number: TW494214B
Application number: TW089127216A
Authority: TW
Inventors: John Blake
Original assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2002-07-11
Also published as: CN1421117A; JP2003518783A; WO2001049093A1; CN1232161C; US6188189B1; US20030137267A1; US20030234630A1; US7483270B2

Description

⑽ 4214 A7 _____— B7_______ 五、發明說明（1 ) 發明範疇本發明通常與風扇速度控制有關，尤其，本發明與電子設備外殼的風扇速度控制系統有關，具體而言，本發明係針對與外部處理器資源通訊的風扇速度控制系統，並保留部份自主性，並利用脈衝寬度調變來維護風扇速度與設備溫度之間的預定關係。發明背景電子設備一定會產生熱度，主要是因爲任何系統都不是百分百有效所導致。不可避免地，部份系統的輸入功率必須成爲熱度以利消散。隨著半導體問市，使得建構以低耗電量運作的電子系統得以實現。這些早期的固態電子系統通常呈現低整體耗電量，進而呈現低效率，而有少量的熱度。只有需要在設備内某處位置產生高熱度的應用（諸如，無線電發射器實施），設備内才會有需要使用散熱器及/或冷卻風扇的過熱點。早期的電腦由於需要只能透過使用眞空管來提供的大量交換電路，導致體積幾乎是房間大小。由於眞空管原本就宅典政率，所以早期電腦系統的大小及費用絕大部份歸因於電源供應器及冷卻系統。隨著電晶體及積體電路更普及’導致顯著縮小電腦系統的大小並減少電力的需求。因爲微處理器非常小且使用很少的電力，使得可攜帶、電池供應型系統的可利用性非常迅速成長。然而，許多新應用程式需要大量的處理功率，並且新型亞微米幾何學的 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） ---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂---------. 經濟部智慧財產局員X消費合作社印製 A7 ~~ _—— B7 五、發明說明（2 ) 高速運作需要消耗相當大量的功率。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 但是，這無法阻撓較快速處理器或攜帶型系統的發展。不需=賴電池供電的固定型設備可容許冷卻風扇所需的額外耗屯量，並且，由於最近發展的電池都具有非常高的容量，所以甚至在小型包裝中，攜帶型電腦設備也可利用新型、功能更強大的處理技術，只要照著容許所需的冷卻風扇或預算的功率即可。當然，甚至最現代的電池組也沒有無限量的電力，並且 f有由高速執行之風扇所產生之噪音的環境標準。在諸如高速、高容量檔案伺服器之類許多形式的高效能設備中，夕重處理器會產生足夠的熱度，而需要八個或十六個一組的冷卻風扇組來達成可接受的冷卻。基於聽覺考量，而希望以低速執行風扇，以降低噪音度，但是以低風扇速度來提供足夠的冷卻可能非常重要，即使透過低風扇速度操作可能最有效地滿足與噪音度有關的環境需求。不需要爲了順應朵音散發標準而放棄設備冷卻。總之，缺乏適當的冷卻會縮短元件壽命，並使系統維護成本持續上升。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製已知道可透過使用脈衝寬度調變（pwM)來達成溫度比例速度控制。已知先前技藝中有一些裝置提供PWM風扇速度控制’以響應來自於外部溫度感測器的溫度信號。即使目如可取得的裝置能夠提供風扇速度控制以響應溫度#號’然而這些裝置不允許輕易地重新程式化操作參數’以適應特定母板的熱特性，也不允許外部控制器監督風扇管理，而無法完全接管風扇運作。這些裝置普遍未提 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（供足夠的外部说舍丨^_杜人彈性。 α ；，，而無法提供廣泛應用的最大發明概述本發明的風扇控制系統可解心咖/ 、凡』_夹先則技藝及其他裝置的缺 ’”·占。包鈿系統通常具有多重敖來虛^ … ^里…、不源，包括處理器、電源供尤杈、、且寺寺，t電腦系統運作時，這些的熱量m统外殼内引發的溫度非常顯著，所以= 用風扇將溫度維持在可接受的程度。. 然而，讓風扇始終以最大速度運作根本不是最佳的方案。而是希望以適合特定溫度的最低速度來執行風扇，使深音及耗電量降至最低程度，並延長冷卻風扇的壽命。當然’耗電量考量主要適用於使用電池電力的攜帶型設備。可使用一個或一個以上熱二極體來感測溫度。使用熱二極體·的費用低於使用熱敏電阻的費用，並且還可能更精崔本I明還包括與系統軟體通訊的技術，以加強本發明的彈性’並使本發明適用於各種應用及環境。整體而言，本發明説明PWM風扇速度控制電路，其中在整個預定溫度範圍Tmii^,〗Tmax内，PWM脈衝寬度呈現線性變化，進而使風扇速度也會呈現線性變化。有設定一些不,同Tmin値的選項，以及藉由指定對應於每個脈衝寬度增量的C度數來設定溫度範圍（到τ_)。藉由範例，假設與PWM工作週期有關的風扇速度大體上爲線性，並假設本機制提供從Tmin到Tmax的PWM工作週期期間，以預先決定的增量線性遞增。已注意到，風扇不 -6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^ Αν— Μ.--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494214 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（4 會特別適合以非常低速度運作，並且根據經驗決定支持實際最低風扇速度大約疋1/3取向風扇速度的見解。所建議的系統可適應大約2 4 0速度增量，而每個增量都相當於c 度數的分數。爲了便於實施，通常只允許有限的增量數量，比如説C度數的1 /16、1 /8、1 /4、1 /2及1度。事實上，在正常環境下’通常只有大約160的速度增量有用，這是因爲大部份的應用中都不會使用前1/3 (2 4〇中的8〇能級）。當然，特定風扇一定能夠以低於全速1 / 3的速度正常運作，所以可能有可使用更多有效2 4 0速度增量的例子。可透過外部電阻分壓器網路來設定Tmin値的範圍。本系統能夠區別八級電壓能級。這些能級中的七個對應於T 的離散値，而第八個値係用來完全關閉自動化風扇速度控制。系統中還可程式化溫度增量。基於簡化的目的，最好將增，量値限制在1度C的2次方倍數。此項限制使得數學運用非常簡單，這是因爲可藉由簡單的移位運算就可完成乘2的乘法運算或2次方的乘法運算，而不需要考慮更複雜的浮點算術運算。由於通常只使用2 4 0離散能級中的1 6 0能級，所以至少理論上可選擇1 °C的增量溫度値與2 〇 X：最低溫度。這意謂著最大溫度是1 80°C。還有提供要程式化的臨界溫度，如果始終起過6¾界溫度時’則會自動增加風扇速度到最大速度。應注意，臨界溫度是外部程式設計功能可提供的另一項數値’這是因爲預計母板間的臨界溫度變化相當大，並且至少某些程度上依據溫度感測器的位置。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^1 -------f ------^-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494214 Λ7 B7 五、發明說明（5) 例如，使用些許定性分析，臨界溫度似乎很可能在大約 5 0 °C到100°C間變化。一項可能實施的臨界溫度程式設計功能包括8 0 °C的預設臨界値，以及此數値的系統軟體覆寫功能。一項功能藉由直接設定Tmin及溫度增量，以硬體方式來覆寫預設値，以此方式確保增加風扇速度，使溫度値完全低於預設的臨界溫度。系統軟體可覆寫臨界溫度，然後設定鎖定位元，以防止進一步變更。或許各種程度的硬體或軟體重置可清除鎖定位元，並允許進一步程式設計，雖然這不是本發明的臨界元件。根據本發明，本發明提供一種電子設備外殼的風扇速度控制系統，其包括用以決定外殼内部複數個位置之溫度的裝置；用以決定風扇控制系統操作參數的裝置；用以設定至少一冷卻風扇運作速度的裝置；以及，用以與外部控制器交換有關於風扇速度控制系統運作之資訊信號的裝置。用以決定溫度的裝置可包括複數個溫度感測器；一耦合到該等溫度感測器的類比多工器；一耦合到該類比多工器的類比/數位（A/D)轉換器；以及，用以控制該類比多工器通道選擇並讀取A / D轉換器輸出的控制邏輯。用以決定風扇控制系統操作參數的裝置可包括複數個分壓器網路；一镇合到該等分壓器網路的類比多工器；一耦合到該類比多工器的類比/數位（A/D)轉換器；以及，用以控制該類比多工备通道選擇並項取A / D轉換器輸出的控制邏輯。在本發明的一種形式中，用以設定至少一冷卻風扇運作 -8 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公f (請先閒讀背面之注意事項再填寫本頁) an i an n ϋ 1_1 一OJa I n ϋ I ϋ «1_1 I # 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 五、發明說明（6 ) 速度的裝置包括與該控制邏輯關聯的計算裝置，該計算裝置根據所選取之操作參數的線性插値法，計算風扇控制輸出信號的脈衝寬度調變工作週期。完成所選取之操作參數的線性插値法的方式爲，決定所測量之操作溫度値與一系列預先決定之操作溫度値間的比率，並藉由將該比率套用到一系列預先決定之風扇控制輸出工作週期來選擇風扇控制輸出工作週期。在本發明一項具體實施例中，用以交換資訊信號的裝置包括·用以夂接風扇速度控制系統與外部控制器間之數據信號及時序信號資訊資料流的裝置，以建立串列通訊匿流排，以及，用以官理資訊信號交換的串列匯流排介面裝置。用以父接數據#號及時序信號資訊資料流的裝置最好包括專界數據彳吕號通訊線路及專用時序信號通訊線路。在本發明的一種形式中，串列匯流排介面裝置包括用以決定串列通訊匯流排上START狀況的裝置；用以將來自於外邵控制器之數據信號通訊線路上以串列方式傳輸的數據信號轉換成並列數據信號的裝置；用以確認接收到來自於外部控制器之以串列方式傳輸之數據信號的裝置；以及，用以從風扇速度控制系統，以串列方式傳輸所要求之資料至外部控制器的$置。用以轉換以串列方式傳輸之數據信號的裝置包括移位暫存器，而用以決定串列通訊匯流排上 START狀況的裝置可包括用以偵測數據信號通訊線路上高位準到低位準邏輯轉換，而偵測時序信號通訊線路上高位 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 — II — — — — — — — — — - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -9 494214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（7 ) 準邏輯狀態的裝置。在本發明的另一種形式中，提供一種電予設備外殼的風扇速度控制系統，其包括複數個溫度感測器及複數個分壓器網路，其中該等溫度感測器及分壓器網路將操作參數提供給風扇速度控制系統。本系統進一步包括一輕合到該等溫度感測器及分壓器網路的類比多工器；—輕合到該類比多工器的類比/數位（A/D)轉換器；用以控制該類比多工器通道選擇並讀取A/D轉換器輸出的控制邏輯；與該控制邏輯關聯的算術邏輯單元，用以根據所選取之操作參數的線性插値法’計算風扇控制輸出信號的脈衝寬度調變工作週期，以及，用以父接風扇速度控制系統與外部控制器間之數據信號及時序信號資訊線路的序列匯流排介面。選取之操作參數的線性插値法包括決定所測量之操作溫度値與一系列預先決定之操作溫度値間的比率，並藉由將孩比率套用到一系列預先決定之風扇控制輸出工作週期來選擇風扇控制輸出工作週期。根據本發明的一種形式，串列匯流排介面包括用以偵測串列通訊匯流排上之START狀況的監視邏輯；一用以將來自於該外部控制器之數據信號通訊線路上以申列方式傳輸的數據信號轉換成並列數據信號的移位暫存器；用以確= 接收到來自於外部控制器之以串列方式傳輸^數據信號: 邏輯電路；以及，用以配合控制邏輯運作，從風扇速度控制系统，以争列方式傳輸所要求之資料至外部控制器的邏本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ -----------I --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -10- 494214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 -_--___^ 五、發明說明（8 ) 根據本發明還有另一項形式，本發明提供—種控制電子設備外殼風扇速度的方法。該方法包括下列步驟f決=外殼内部複數個位置的溫度；決定風扇控制系統的操^參數；設定至少一冷卻風扇的運作速度；以及，與外部控制器文換有關於風扇速度控制系統運作的資訊位號。設定運作速度的步驟進一步包括：根據所選5取之操作溫度的線性插値法’計算風扇控制輸出信號之脈衝寬度調= 工作週期的步驟。計算脈衝寬度調變工作週期的步驟最好進一步包括下列步驟：決定所測量之操作溫度値與—系列預先決定之操作溫度値間的比率；以及，藉由將該比率套用到一系列預先決定之風扇控制輸出工作週期來選擇風扇控制輸出工作週期。在本發明還有另一項觀點中，本發明提供一種控制電子設備外殼中冷卻風扇運作速度的方法。該方法包括下列步驟··測量最低控制溫度値；決定溫度增量値；在預先決定的儲存暫存器中儲存最低控制溫度値及溫度增量値；將冷卻風扇速度設定爲全速達一段預先決定的時間期間；以及’從溫度感測器讀取操作溫度資訊。如果操作溫度小於最低溫度値，則停止冷卻風扇。如果遇到操作溫度大於預先决足的臨界溫度，則風扇繼續以全速運作。否則，根據所測量的溫度、最低溫度及溫度增量値來計算中脈衝寬度調變風扇控制輸出信號的脈衝寬度。然後，將脈衝寬度調變風扇控制輸出信號傳送給冷卻風扇，以控制冷卻風扇的運作速度。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐）丨· l· ^w· I ^--------^--------- {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明說明（9 ) :定溫度增量値的步驟可包括：從預先決定之其中一個 ;:梟存益°貝取'皿度增量値’或者，從外部分壓器網路讀取輸出電壓。在本發明還有另-項觀財，該方法進_步包括下列步驟：決定風扇速度控制系統的裝置位ijt ;監視來自於外部 2制器的串列數據暨時序資訊信號；決定是否已發生丁狀況，比幸乂所接收到的裝置位址與風扇控制系統的裝置位址並決定是否相符，如果相符，則確認所接收到的裝置位址，並按需要響應進一步所接收到的數據信號。從下文中的詳細說明及附圖將可明白本發明進一步的目的、功能及優點。圖式簡單描述圖1顯π先前技藝之風扇速度裝置的方塊圖；圖？顯π根據本發明之風扇速度控制系統的方塊圖；圖3顯不用以程式設計所選取之參數的電阻器値表；圖4顯不適合配合本發明使用之電阻分壓器組態配置的圖式；圖5顯示適角於程式設計多重系統之裝置位址之分電器的圖式；圖6顯示圖2所示之風扇速度控制系統之操作順序的流程圖；圖7顯不用以解説根據本發明之通訊協定的流程圖；圖8顯7Γ：根據本發明之自動化風扇速度控制轉換功能的圖式；及 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵◦ X 297公髮）

Id ill ^------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) tr------Aw. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（1〇 ) 圖9顯π根據本發明之風扇速度控制系統之各種運作方法的方塊圖。圖式詳細説明根據本發明，與先前技藝的風扇速度控制系統相比之下’本發明所説明的風扇速度控制系統可提供明確的優點。圖1顯π所熟知之先前技藝的風扇速度控制系統，圖工中以數竽100表示。脈衝寬度調變（PWM)控制器積體電路 (IC)101具有輸入，用以透過輸入信號線路1〇8接收來自於溫度感測器1 0 5的信號，作爲其主要控制輸入信號。溫度感測器1 0 5可能是所選取之適當的（例如）偏壓熱敏電阻，其在預先決定的參考溫度（例如，2 5 ^ )具有已知的電阻。當然，雖然本發明系統基於速度控制用途而利用溫度資訊，但是還是可使用其他的操作參數，例如，設備外殼内之所選取位置上的空氣流動。空氣流動速度資訊很容易藉由變化中的電壓來表示。已知，在風扇控制器輸出1〇4上出現的風扇驅動脈衝亭工作週期與直流風扇1 0 2的速度間有線性關係。將輸出 104上的此驅動電壓工作週期供應到風扇1〇2電路之接地崎上足包晶體丨〇 3的基極。以此方式，驅動信號工作週期直接影響風扇1 〇 2的平均電流，進而影響其速度。雖然圖中未顯不，但是可使用風扇丨〇丨的次要輸入，使電路處於覆寫模式，其中風扇1 〇 2始終以全速度運作。由於風扇速度實質上係受輸入信號線路丨〇 8上的電壓所控制，所以已建議由使用可取得之通用輸入/輸出（generai I«I—I — ---I----- 1--I I —--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 13- 五、發明說明（11 ) purpose input/outpm ·’ GPIO)線路小型子集及rqr梯形變化 4相當原始足類比/數位（A/D)轉換器的外部微控制器來供應此控制私壓，雖然圖中未顯示此項組態配置。使用此項技術’可將預先決定的電壓位準提供給風扇控制器丨，用以直接控制風扇速度。當然，如果認爲需要此種功能，則外邵微控制器或其他周邊裝置必須接管溫度監視工作。圖2顯示根據本發明之風扇速度控制系統的方塊圖，如數字2 0 0所π。系統2 〇〇的核心是硬接線型p WM邏輯控制器2 0 1，用以提供系統運作的本機控制。控制邏輯2 〇 1可能是狀態機器控制器、微程式化處理器元件或其他適合的控制邏輯排列，用以在開始時執行預先決定的運作順序，並在適當時機響應外部刺激。雖然在較佳具體實施例中，脈衝寬度凋變是控制風扇速度的方法，但是還可提供一種不是·使用P WM運作之傳統冷卻風扇的持續變化型電壓驅動信號。於開機順序（下文中會更詳細説明）期間，在輸入多工器 2 0 3及類比/數位（A/D)轉換器202的輔助下讀取一些輸入信號。系統2 0 0將容納複數個溫度感測器（在本發明較佳开’式中有兩個）210到211，並將透過脈衝寬度調變（p WM) 控制器2 0 7到2 0 8來驅動兩個風扇輸出2 1 5到2 1 6。在下文中所説明的方式中，由於可同時採用最多八個單獨的控制器2 0 0，所以可控制最多十六個風扇。對於通常需要大量增壓空氣冷卻的尖端檔案伺服器而言，此項排列非常理 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 494214 A7

五、發明說明（12 ) 溫度感測器2 1 0到2 1 1最好是熱二極體類型。熱二極體的製造費用相當便罝，尤其因爲熱二極體很容易建置在積體電路晶圓上，並進行提供有關於特定裝置操作溫度的現場資訊。雖然圖中未顯示用以適當連接熱二極體感測器所需的輔助電路元件，然而已知道，藉由採用兩個不同的電流量上的電壓讀數，可加強熱二極體溫度讀數的精確度。所裝備的2 0 0將處理此類的測量需求。另一方面，溫度感測器2 1 0到2 1 1可能屬於熱敏電阻類型。無論如何，藉由讓控制邏輯2 〇丨選擇多工器2 〇 3的通道’然後項取A / D轉換赛2 0 2的權宜之計，很容易從溫度感測器2 1 0到2 1 1來測量輸出電壓。然後，在關聯的暫存器陣列2 0 4中儲存對應於每個溫度測量的電壓。暫存器陣列2 0 4純綷是記憶體位置的聚集，每個記憶體位置都具有其唯一的八位元位址。控制邏輯2 0 1所取樣的其他電壓位準包括最低溫度値 Tmin 2 12、及裝置位址値ADR 214。這些値最好都只取樣一次，並且是於開機順序期間所發生的値。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製裝置位址値ADR 2 14係用來經由串列匯流排介面2 〇 5與系統2 0 0通訊，下文中將會詳盡説明。系統2 〇〇係透過數據暨時序通訊線路2 1 7、2 1 8連接到串列匯流排，作爲在主裝置控制下的從屬裝置。一系統2 0 0具有7位元串列匯流排位址ADR 2 14。例如，可將四位最高有效位元（MSB)硬接線到〇1〇1。使用者可設定三位最低有效位元（LSB)，以取得總計八個不同的位址， -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 494214 A7

五、發明說明（13 ) 最多可將八個系統連接到同一串列通訊匯流排結構。爲了縮小裝置接腳針數及大小，可使用裝置套件的單一接聊針 ADD來汉疋這二位LSB。開機後，會立即透過多工器203 及類比/數位（A/D)轉換器202來取樣裝置接腳針上的輸入電歷。將藉由如圖4所示之分壓器來設定電壓位準。圖3顯示設定串列匯流排位址的三位L s B所適用的R i及 R2値。將運用相同的原理，透過裝置套件的另一個接腳針及多工器2 0 3的不同通道來選擇丁min212値。例如，如果單一外殼内使用一些風扇速度控制系統2 〇〇，則裝置位址輸入可分接單一分壓器，如圖5所示。爲了保證裝置位址決策的最高精確度，而將A / D轉換器測量範圍劃分成八段相同的分段或頻帶，並且選擇電阻器値，以利於使每個理想電壓輸入準確地位於每個頻帶的中間，以此方法提供最佳的抗噪音度。圖3所示之表格中的第二欄中表達適當電阻器値的選取範圍，作爲理想的分壓比率。當然’攸實際觀點來看，應很容易取得用來程式設計裝置位址的電阻器値。在圖3的第三欄及第四攔中，使用商業上容易取得的値來列出R丨及r 2値。圖3的第五襴及第六襴顯示實際的結果比率及就與理想値的偏差而論所表達的誤差。基於最佳精確度目的，最好使用一百分比公差的電阻器。如上文所述，將使用剛剛所説明的相同電阻器原理，透過專用電壓分壓器網路2 1 2來程式設計有關於最低溫度 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） i'l·--------·-裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

ϋ 1 I ----^--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7

494214 五、發明說明（14 ) Τ_及某些其他裝置參數的資訊。如果所選取的R }値爲〇歐姆（對應的裝置輸入係耦合到v c C )，則會關閉自動化風扇速度控制，並將風扇數量設爲2。如果將R2値設定爲〇 ^姆（對應的裝置輸入係耦合到接地），則會關閉自動化風扇速度控制’並將風扇數量設爲1。如表格所示，針對所選取的電阻益値，自動化速度控制操作的最低溫度可選取 32、40或48 °C，且安裝1或2個風扇。如上文所述，將藉由在裝置ADD輸入上的分壓器來選擇裝置位址，並且不會受到Tmin程式設計的影響。请έ己住’將配合風扇控制系統的操作環境來程式設計 Tmin電壓位準。Tmin係低於控制邏輯關閉冷卻風扇的溫度。裝置位址輸入電壓ADR 214建立位址，讓外部裝置可透過該位址來接達風扇控制器2 0 0。從零伏特到供應電壓的範圍被劃分成八個分段，並選取A D R分壓器網路2 1 4所產生的笔惡’以對應於這些範圍的其中一項。所設計的此項位址排列功能係用來提供八個唯一的位址，讓外部裝置能夠透過這八個位址來與八個風扇控制器系統通訊，其中這八個風扇控制器系統的串列通訊線路2 1 7到2 1 8係以串列匯流排結構連接在一起。下一段將更詳盡説明串列通訊協定。風扇控制系統2 0 0還具有監視其所連接之風扇之速度的功能。這是藉由風扇速度計數器2 0 9來計數風扇脈衝來實現。系統2 0 0所連接的每個風扇都具有自己的速度監視輸 -17- 張尺度適用中國國家標準（CNS)/\4規格（210 097公釐) " " 丨丨！裝--------訂---------隹， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（15) 入219到2 2 0連接到風扇計數器2〇9，並且風扇計數器 2 0 9最好疋雙计數器貫施，以支援從兩個風扇蒐集資料。控制邏輯20 1讀取並儲存暫存器陣列2〇4中的風扇速度値’以利於外邵裝置存取’並且還使用速度値來決定是否有故障狀況。 P W Μ控制器2 0 7到2 0 8 (每個風扇一組）提供工作週期與溫度呈現線性關係的脈衝串，前提是所感測的溫度係在系統的控制範圍内。控制範圍係額定在最低溫度Tmin與臨界溫度之間。裝置中會程式設計臨界溫度（每個風扇子系統都具有其自己的臨界溫度）並儲存在暫存器陣列内的暫存器中，使得外部控制元件可經由事列通訊來修改數値。基於與p W Μ應用程式中常用之無電刷直接風扇有關的電氣冶金考量，最低風扇速度大約是全速度的三分之一。爲了 it成給定溫度的適當風扇速度，有一些可能的方法可運用。其中一項技術提供範圍從大約3 3 %到1 〇〇%的1 6 0風扇驅動工作週期。例如，針對1。〇的溫階及20°C的最低溫度，在低於20°C的溫度會停止風扇，而從2 0 °到1 80 °則會逐漸遞增速度（與溫度成線性關係），並且在1 80 °及以上達成全速度。每當偵測到溫度變更時，則會透過改變輸出脈衝串工作週期，照著調整風扇速度。如上文中簡短的説明，系統2 0 0能夠透過串列通訊介面與外部裝置進行通訊。通訊信號係配合時序信號2 1 8在串列數據線路2 1 7上傳輸。串列匯流排介面2 0 5監視數據暨時序線路2 1 7到2 1 8。圖7顯示用以説明串列通訊協定的流 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A.l規格（210x297公釐） —--------I 裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494214 A7 B7 五、發明說明（16 ) 程圖7 0 0。如所提及，於步驟7 0 2中，由串歹^匯流排介面 2 0 5監視數據暨時序線路2 1 7到2 1 8，直到偵測到START 狀態（703)。在較佳具體實施例中，當偵測到數據線路2 i 7 上高位準到低位準邏輯轉換、而時序線路2丨8仍然維持高位準邏輯狀態時，在串列匯流排上發生的STArt狀態。當然，可選擇其他的信號狀態來發生START狀況的信號。一旦START狀況已變化，則會將八位資料位元轉移到串列匯流排介面2 0 5。接在START狀況之後的前八位資料位元相當於裝置位址加上讀/寫（R/W)位元。由於已從ADR分壓器網路2 1 4讀取特定風扇速度控制系統2 〇〇的位址，並儲存在暫存器陣列2 〇 4中適當的暫存器中，所以控制邏輯可決足外邵控制元件是否已定址風扇控制裝置2 〇〇。如果沒有符合的位址（步驟7 〇 4 )，則會忽略接在之後的資料位元組·’並且串列匯流排介面2 〇 5回到步驟7 〇 2中的監視串列數據暨時序線路。如果偵'測到位址相符合，則串列匯流排介面進行到確訪、所傳輸的資料，其方式是將數據線路2 1 7短暫拉回到低位準狀態，並作爲所傳輸之資料指示的響應（步驟7〇5)。最好建構通訊協定的方式，接在裝置位址之後的資料位元組是内部暫存器位址（如果操作是如所傳輸之R/w位元所定義的寫入操作）。如果的確正在進行寫入操作，則會將資料位元組解譯爲内4暫存益位址，用以識別外部控制元件想要寫入資料至暫存器陣列2 04中的其中一個暫存器。此項暫存器識別資 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂_丨 Φ. -19-

494214 A7 B7 五、發明說明（17 ) 訊係儲存在位址指標暫存器2 0 6中。再者，如果遇到正在進行寫入操作，則可能會有控制邏輯將引發要寫入到所定址之暫存器的後續資料位元組。作爲串列通訊協定的一部份，還允許不需要指定暫存器位址的簡易型讀取操作。如果外部控制元件已知道位址指標暫存器206的内容，則不需要再次傳送該内容，並且控制邏輯2 0 1會透過串列匯流排介面2 0 5在串列匯流排上直接轉移所定址之暫存器的内容。除非由控制器明確傳輸作爲資料流一部份的暫存器位址，否則不允許風扇速度控制系統2 0 0的寫入操作。圖6顯示根據本發明之風扇速度控制系統開機順序的流程圖，如數字6 0 0所示。開機重置之後（由圖2中未顯示的晶片上網路所產生，以響應供電至裝置的應用，或由專用 RESET輸入所產生），隨即讀取指定Tmin的電壓位準及裝置位址A D R (步驟6 0 2 )。無論如何，在測量這些參數並根據步驟6 0 3將這些參數儲存到暫存器陣列中適當的位址之後，在接下來的操作 6 〇 4中，使兩個風扇達到全速度旋轉達兩秒鐘期間。然後，從每個溫度感測器讀取溫度資訊（步驟6 0 5 )。如果所感測到的溫度小於最低溫度値（步驟6 0 6 )，則會直接停止對應的冷卻風扇（步驟6 0 7 )。如果所測量的溫度超過臨界溫度（步驟6 0 8 )，則會允許對應的風扇繼續以全速度操作（步驟6 0 9 )。否則，在接下來的操作6 1 0中，會根據所測量的溫度來計算每個風扇的脈衝寬度（或工作週 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） il l —ί----·-裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

n n n n 9 n I ϋ ϋ —BBi 1 I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494214 A7 B7 五、發明說明（18 )

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製期，若您希望如此），並照著設定風扇速度（步驟6 u)。然後’於步驟6 0 5再次讀取溫度資訊。請注意，最好可由外部控制元件透過串列介面覆寫之暫存器陣列内的暫存器來程式化監視期間（多久測量溫度資料）。每個單獨的風扇速度控制系統都具有控制兩個風扇的功能，以及從内部溫度感測器及兩個外部溫度輸入來測量溫度的功能。系統最好具有彈性，以允許任何的溫度控制輸入來控制任何或所有風扇。事實上，在本發明系統中，藉由在暫存器陣列内適當程式設計控制暫存器，可具有一個以上的溫度感測器來控制單一風扇。如果選用此操作模式，則感測最高溫度的溫度感測器取得優先權，並根據該測量通道所測量的溫度來設定風扇速度。作爲實際的方法，自動化風扇速度控制操作模式在從 Tmin開始與Tmin+RANGE結束的整個線性範圍内會改變所控制之風扇的速度，其中RANGE係藉由寫入到裝置暫存器陣列的方式來程式化。溫度範圍値最好是選自1 0、2 0、 4 0、8 0及160°C之中的數値。風扇速度到達1 〇〇百分比的溫度是由Tmin+RANGE所決定的最高溫度。圖8顯示處於自動化風扇速度控制操作模式之風扇速度控制系統轉換功能的圖式。如上文所述，在開機後，風扇隨即以最高速度旋轉達兩秒鐘時間。最高風扇速度値可程式化，使得最高風扇速度不需要對應於P WM輸出信號的 100%工作週期。過了兩秒鐘時間後，藉由控制特定風扇所程式設計的溫度測量來設定風扇速度。 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵ο X四7公爱） * 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（19 ) 如果所測量的溫度低於Tmin，則關閉風扇。當溫度遞增到Tmin以上時，則風扇速度會在所程式化的最低風扇速度 (預定爲最高風扇速度的三分之一，或33% PWM工作週期）到所程式化的最高風扇速度之間呈線性變化。在一般情況下，所測量的溫度將會下降，以響應較高風扇速度所產生的遞增冷卻。然而，當溫度下降到Tmin以下時，不需要關閉風扇。系統准許程式設計〇與1 5。〇間的磁滯値。這可防止風扇在 Tmin附近的區域中持續循環開關。如前文中的説明所提及，風扇控制系統還准許程式設計警示狀況，用以覆寫自動化風扇速度控制模式的選取，並引發風扇以全速度執行。這些警示狀況的例子之一是過熱指示。還可程式化警示溫度，其方式是寫入到暫存器陣列中適.當的控制暫存器。雖然本裝置能夠透過其串列通訊功能來警示各種操作參數，然而，所説明的風扇速度控制系統還能夠高度獨立運作。在不受外部控制裝置任何監督的情況下，本發明的風扇速度控制系統將提供全自動化控制關聯冷卻風扇，以響應所測量的溫度値，並也會適當響應警示狀況。如果要透過其中一個關聯之溫度感測器之升高的溫度讀數來偵測設備外殼内的過熱點，則風扇速度控制系統可藉由加速其風扇至全速度，以及藉由產生插斷來用信號通知關聯的主控制系統作爲響應。圖9顯示風扇速度控制系統運作的方塊圖（通常以數字 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】〇 X 297公釐） „ AW11 ^--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（20 ) 900表示）。前文中已説明圖9中所示的參數。爲了有助於完全暸解系統操作，請考慮到加法器9 〇 1中會將所測量到的溫度TEMP減Tmin，並將TEMP-Tmin的差値提供給藉由RANGE/Tstep控制信號所控制的測距多工器 (range multiplexer)902。多工器902會影響計算風扇速度値的方法。在RANGE模式中，係藉由從Tmir^ij Tmin+RANGE 所延伸的一系列數値範圍内的線性插値法來決定風扇速度。另一方面’在Tstep模式中’在Tstep度的度階中，相關的溫度範圍係從Tmin延伸到臨界溫度TcRiTieM。測距多工器9 0 2輸出係提供給加法器9 0 3，由加法器 9 0 3將輸出加上對應於最低風扇運作速度的數値。如上文所述，最低風扇運作速度通常大約是全風扇速度的三分之一，但是可透過串列通訊介面來重新程式化此項最低速度値，並儲存到暫存器陣列中。每個風扇都有風扇速度控制系統所支援的可獨立程式化最低速度値。來自於加法器9 0 3的輸出會向前傳送到磁滯多工器 9 0 4。磁滯多工器控制系統自動化控制轉移功能所内建的磁滞，如上文所述。磁滞値可程式化，並防止風扇在最低溫度Tmin的區域中循環開關。磁滯多工咨904之後插入覆寫邏輯9〇5。覆寫邏輯能夠根據所出現的臨界事件來覆寫所計算的風扇速度値，諸如，所測量的溫度TEMP超過臨界溫度TcRmcAL。覆寫邏輯9 0 5控制將風扇速度値定位到暫存器9〇6中。計算邏輯 9 0 7配合暫存益9 0 6運作，以計算橫跨可用之三個測量通 -23- 本紙張尺度_ +關家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） - Ϊ----I ^----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7

494214 五、發明說明（21 ) 道的最高風扇速度。請回想前文中的説明，系統可取得來自於一個内部溫度感測器及兩個外部感測器的溫度資訊。這些數値的任一項都可控制兩個關聯風扇之任一個的運作速度，並且透過關聯暫存器陣列中所儲存之可程式化控制字組來決定此項控制協定。然後’將暫存器9 0 6的輸出提供給最後的速度控制多工

器 908。此多工器908係藉由AUTO MODE/PROGRAMMABLE MODE (自動模式/可程式化模式）控制信號來控制。在AUTO MODE中，將根據線性插値法的速度値提供給其後的比較器階9 1 0。在PROGRAMMABLE MODE中，會將來自於暫存器陣列適當位置的程式化速度値提供給比較器9 1 0。計數器9 0 9將比較器9 1 0上的速度値作爲脈衝寬度調變P WM 輸出信號同步脈衝輸出，以利於以適當頻率及工作週期來提供P W Μ輸出信號。本文中已説明比先前技藝更好的風扇速度控制系統。熟知技藝人士應清楚知道，可修改本發明，而不會脱離本發明的精神與範疇。因此，詳細説明不是用來限制本發明，而是以隨附的申請專利範圍爲主。 ,, I ---«I-------------Aw C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -24- （CNS)A4 規格⑽ χ 297 公£)

Claims

494214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 _ D8 ‘、申請專利範圍 1. 一種電子設備外殼的風扇速度控制系統，包括：用以決定外殼内部複數個位置之溫度的裝置；用以決定風扇控制系統操作參數的裝置；用以設定至少一冷卻風扇運作速度的裝置；以及用以與外部控制器交換有關於風扇速度控制系統運作之資訊信號的裝置。 2·如申請專利範圍第i項之風扇速度控制系統，其中用以決定溫度的裝置包括：複數個溫度感測器；一耦合到該等溫度感測器的類比多工器；一耦合到該類比多工器的類比/數位（A/D)轉換器；以及用以控制該類比多工器通道選擇並讀取A / d轉換器輸出的控制邏輯。 3. 如申請專利範圍第丨項之風扇速度控制系統，其中用以決足該風扇速度控制系統運作參數的裝置包括：複數個分壓器網路；一轉合到該等分壓器網路的類比多工器；一耦合到該類比多工器的類比/數位（A/D)轉換器；以及用以控制該類比多工器通道選擇並讀取A/D轉換器輸出的控制邏輯。 4. 如申請專利範圍第3項之風扇速度控制系統，其中該等刀塵器網路包括電阻分壓器網路。 —!---------裝---------訂---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -25- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 ~^_— __™___ 六、申請專利範圍 — ^ 5·如申請專利範圍第4項之風扇速度控制系統，其中該等電阻分壓器網路包括介於穩壓供應電壓及接地電位=$ 插入的_聯型電阻器。 6.如申請專利範圍第5項之風扇速度控制系統，其中將選用違等電阻器値，以利於在兩個連續串聯型電阻哭之門的每個分接頭上產生八個預先決定之電壓組的其中_個電壓。 7·如申請專利範圍第1項之風扇速度控制系統，其中用以叹足至少一冷卻風扇運作速度的裝置包括：與該控制邏輯關聯的計算裝置，用以根據所選取之操作參數的線性插値法，計算風扇控制輸出信號的脈衝寬度調變工作週期。 8·如申請專利範圍第7項之風扇速度控制系統，其中所選取之操作參數的線性插値法包括：決定所測量之操作溫度値與一系列預先決定之操作溫度値間的比率；以及藉由將遠比率套用到一系列預先決定之風扇控制輸出工作週期來選擇風扇控制輸出工作週期。 9·如申請專利範圍第丨項之風扇速度控制系統，其中用以交換資訊信號的裝置包括：用以叉接風扇速度控制系統與外部控制器間之數據信號及時序信號資訊資料流的裝置，以建立_列通訊匯流排；以及用以官理資訊信號交換的_列匯流排介面裝置。 d Aw- Μ,--------^--------- Γ請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -26^

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494214 A8 B8 C8 — D8 ' ----------- 六、申請專利範圍 10.如申請專利範圍第9項之風扇速度控制系統，其中用以交換數據信號及時序信號資訊資料流的裝置最好包括_ 專用數據信號通訊線路及一專用時序信號通訊線路。 11·如申請專利範圍第9項之風扇速度控制系統，其中該寧列匯流排介面裝置包括：用以決定該串列通訊匯流排上START狀況的裝置；用以將來自於該外部控制器之數據信號通訊線路上以串列方式傳輸的數據信號轉換成並列數據信號；用以確認接收到來自於該外部控制器之以串列方式傳輸之數據信號的裝置；以及用以從該風扇速度控制系統，以_列方式傳輸所要求之資料至該外部控制器的裝置。 12·如申請專利範圍第i i項之風扇速度控制系統，其中用以轉蜱以串列方式傳輸之數據信號的裝置包括一移位暫存器。 13.如申請專利範圍第丨丨項之風扇速度控制系統，其中用以決定串列通訊匯流排上START狀況的裝置可包括用以偵測數據信號通訊線路上高位準到低位準邏輯轉換，而偵測時序信號通訊線路上高位準邏輯狀態的裝置。 14· 一種電子設備外殼的風扇速度控制系統，包括：複數個溫度感測器；複數個分壓器網路；其中該等溫度感測器及分壓器網路將操作參數提供終該風扇速度控制系統； « ^--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -27-

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494214 A8 B8 C8 D8 A、申請專利範圍一耦合到該等溫度感測器及分壓器網路的類比多工器；一耦合到該類比多工器的類比/數位（A/D)轉換器；用以控制該類比多工器通道選擇並讀取八/〇轉換器輸出的控制邏輯；與該控制邏輯關聯的算術邏輯單元，用以根據所選取之操作參數的線性插値法，計算風扇控制輸出信號的脈衝寬度調變工作週期；以及用以提供交換風扇速度控制系統與外部控制器間之數據信號及時序信號資訊線路的序列匯流排介面。 15·如申請專利範圍第1 4項之風扇速度控制系統，其中所選取之操作參數的線性插値法包括：決定所測量之操作溫度値與一系列預先決定之操作溫度値間的比率，·以及藉由將該比率套用到一系列預先決定之風扇控制輸出工作週期來選擇風扇控制輸出工作週期。 16·如申凊專利範圍第1 4項之風扇速度控制系統，其中該串列匯流排介面包括：用以偵測該串列通訊匯流排上之STArt狀況的監視邏輯；一用以將來自於該外部控制器之數據信號通訊線路上以串列方式傳輸的數據信號轉換成並列數據信號的移位暫存器；一用以確認接收到來自於外部控制器之以串列方式傳 -28 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） —^---------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494214 A8 B8 C8 ____D8 六、申請專利範圍輸之數據信號的邏輯電路；以及一用以配合該控制邏輯運作，從該風扇速度控制系統，以串列方式傳輸所要求之資料至外部控制器的邏輯元件。 17. —種用以控制電子設備外殼風扇速度的方法，該方法包括下列步驟： (a) 決定外殼内部複數個位置的溫度； (b) 決定該風扇控制系統的操作參數； (c )設定至少一冷卻風扇的運作速度；以及 (d)與外部控制器交換有關於該風扇速度控制系統運作的資訊信號。 18. 如申請專利範圍第丨7項之方法，其中設定運作速度的步驟進一步包括：根據所選取之操作溫度的線性插値法，計算風扇控制輸出信號之脈衝寬度調變工作週期。 19. 如申請專利範圍第1 8項之方法，其中計算脈衝寬度調變工作週期的步驟進一步包括下列步驟： (a) 決定所測量之操作溫度値與一系列預先決定之操作溫度値間的比率；以及 (b) 藉由將該比率套用到一系列預先決定之風扇控制輸出工作週期來選擇風扇控制輸出工作週期。 2〇· —種控制一’電子設備外殼中冷卻風扇運作速度的方法，該方法包括下列步驟： (a )測量一最低控制溫度値； -29- 標準（CNS)A4規格㈣x 297公髮） i ^--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4^4214 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 (b )決定一溫度增量値； (c) 在預先決定的儲存暫存器中儲存該最低控制溫度値及該溫度增量値； (d) 將冷卻風扇速度設定爲全速一段預先決定的時間； (e )從一溫度感測器讀取操作溫度資訊； (0如果操作溫度小於最低溫度値，則停止該冷卻風扇； (g) 如果操作溫度大於預先決定的臨界溫度，則該冷卻風扇繼續以全速運作； (h) 否則，根據所測量的溫度、最低溫度及溫度增量値來計算中脈衝寬度調變風扇控制輸出信號的脈衝寬度；以及 (.i)將脈衝寬度調變風扇控制輸出信號傳送給該冷卻風扇，以控制該冷卻風扇的運作速度。 21·如申請專利範圍第2 0項之方法，其中決定一溫度增量値的步驟包括··從預先決定之其中一個儲存暫存器讀取該溫度增I値。 22.如申請專利範圍第2 0項之方法，其中決定一溫度增量値的步驟包括：從一外部分壓器網路讀取一輸出電壓。 23_如申請專利範圍第2 0項之方法，其中該方法進一步包括下列步驟： (a)決定該風扇速度控制系統的裝置位址； (b )監視來自於一外部控制器的串列數據暨時序資訊 -30- t紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格mo X 297公釐） —Ti^-----0 S--------訂---------^9. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494214 A8 B8 C8 __ D8 六、申請專利範圍信號； (c)決定是否已發生START狀況； (d )比較所接收到的裝置位址與該風扇控制系統的裝置位址並決定是否相符；以及 (e )如果相符，則確認所接收到的裝置位址，並按需要響應進一步接收到的數據信號。 ^ Awi --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）