TWI468594B - 多重效率風扇控制系統與具有風扇控制系統的電腦系統 - Google Patents

Description

多重效率風扇控制系統與具有風扇控制系統的電腦系統

本發明係關於一種用於電腦系統中的風扇控制系統與方法。

一般電腦系統，例如個人電腦或是高階伺服器，為了散熱，會在系統內部加裝冷卻風扇。尤其是現今的中央處理器(CPU)或儲存裝置(例如記憶體或是硬碟)，因為處理速度增加，也相應地會產生高溫，而更需要利用冷卻風扇來增加散熱的效果，避免溫度過高，造成系統損壞。

習知技術大多利用熱二極體(thermal diode)或是數位熱感測器(DTS、Digital thermal Sensor)、或是Intel公司的PECI(Platform Environment Control Interface)介面來監控裝置(例如CPU)的溫度，進一步控制冷卻風扇，當裝置的溫度愈高，則控制風扇提高更多的氣流。例如ASUS公司的Q-Fan Technology，或是Intel公司的Precision Cooling Technology以及Quiet System Technology(QST)。PECI係利用內建在晶片上之數位熱感測器(on-die DTS)，以提供關於處理器溫度之數位資訊。QST根據中央處理器輸出之PECI讀數作為回授，以控制風扇使感測器溫度接近一Tcontrol值。另外同屬申請人之美國專利U7343505以及美國專利申請公開號US Pub.20090256512與US Pub.20110077796亦提出一些習知的風扇控制方法。

本發明一方面在於提出一種新的風扇控制系統與具有風扇控制系統的電腦系統，其中電腦系統採用具有多重PQ設定之風扇，而依據電腦系統所需，風扇控制系統可切換風扇至任一PQ設定。更具體地，在風扇之一預定轉速下，風扇在不同PQ設定下具有不同的PQ曲線。

PQ(Pressure-Quantity)曲線應為熟此技藝領域者所習知，進一步可參見例如美國專利US6869269或是由Gerald Tan,SANYO DENKI AMERICA,INC.於2008年3月31日所發佈之技術文件「Fundamentals of Brushless DC Axial Cooling Fans」。以上文獻係以引用之方式併入本文，在此不加贅述。

舉例來說，本發明實施例之一優點係在電腦系統散熱設計上於提供更高的彈性，並可根據電腦系統的實際配置情況，提供成本、耗能(power)、功率(efficiency)、及風扇效果(fan performance)的最佳化。習知技術(例如US6869269)中，因單一風扇在一預定轉速下僅具有單一PQ曲線(即僅有單一PQ設定)，而必須採用多個風扇以滿足不同的實際需求，然而多個風扇在實務上卻會導致庫存增加及營運成本增加的問題，此外多個風扇的安裝與更換也造成作業上的不便。

本發明另一方面在於風扇控制系統係利用邏輯訊號作為PQ控制訊號以進行風扇的PQ設定。在一實施例中，風扇控制系統係利用邏輯訊號作為PQ控制訊號以進行風扇的PQ設定，而利用脈寬調變訊號作為轉速控制訊號以進行風扇的轉速控制，特別地，風扇控制系統係利用相同的通訊埠口傳送PQ控制訊號以及轉速控制訊號，而較佳地，風扇方面亦以相同的通訊埠口接收PQ控制訊號以及轉速控制訊號。此作法優點之一在於節省控制器之通訊埠口的數量，而可進一步的減縮控制器的體積。

根據本發明一實施例，用於電腦系統的風扇控制系統係包含一控制器。舉例來說，可依據最優化之配置，控制器發出PQ控制訊號至電腦系統中之風扇，以將該風扇設定至該第一PQ設定與該第二PQ設定其中之一，其中在該風扇之一預定轉速下，該風扇在該第一PQ設定下具有一第一PQ曲線，而在該第二PQ設定下具有一第二PQ曲線。在另一實施例中，電腦系統包含一或多個目標裝置與如前述之風扇以及風扇控制系統。

在又一實施例中，電腦系統包含一或多個目標裝置、風扇、與控制器。風扇提供氣流予該一或多個目標裝置。控制器使用相同的通訊埠口發出邏輯訊號與脈寬調變訊號至風扇，以控制風扇之運作。

本說明書中所提及的特色、優點、或類似表達方式並不表示，可以本發明實現的所有特色及優點應在本發明之任何單一的具體實施例內。而是應明白，有關特色及優點的表達方式是指結合具體實施例所述的特定特色、優點、或特性係包含在本發明的至少一具體實施例內。因此，本說明書中對於特色及優點、及類似表達方式的論述與相同具體實施例有關，但亦非必要。

參考以下說明及隨附申請專利範圍或利用如下文所提之本發明的實施方式，即可更加明瞭本發明的這些特色及優點。

<系統架構>

圖1顯示一實施例中之電腦系統100之硬體架構。電腦系統100包含電源供應器102、中央處理器104、記憶體106、硬碟108、風扇110、功率感測器112、環境溫度感測器114、以及控制器116。電腦系統100的其他基本架構與元件可參見一般的個人電腦或伺服器，例如IBM公司的System X、Blade Center或eServer伺服器。與本發明無關的細節將省略不予描述。

當電腦系統100運作時，電源供應器102主要提供直流電源給中央處理器104、記憶體106、硬碟108、及風扇110。需說明的是，中央處理器104、記憶體106、硬碟108在本說明書中又稱為目標裝置，乃因其運作時會產生大量的熱，而風扇110的用途即是冷卻這些目標裝置(target device)。在圖1所示的實施例中，僅有中央處理器104具有風扇110，但在另外未圖示的實施例中，中央處理器104、記憶體106、硬碟108可各自具有對應的風扇110，以提升散熱效率。而為了清楚說明本發明之故，以下僅利用中央處理器104與單一風扇110加以說明，但熟此技藝者，應可將中央處理器104替換為記憶體106、硬碟108或是在電腦系統100中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置。

風扇110較佳為一般所稱之「智慧型風扇(Smart Fan)」，也就是其本身具有微處理器(MCU)(未圖示)，用以驅動或管理風扇的運作。舉例來說，風扇110之微處理器可接收脈寬調變(PWM)訊號，而利用脈寬調變訊號中工作週期(duty cycle)來控制風扇110的轉速。

對於風扇110之微處理器，可參考例如Atmel Corporation所生產的AVR442微處理器、SANYO Semiconductor Co. Ltd所生產的LB1860微處理器或是Zetex Semiconductors所生產的ZXBM200微處理器，而進一步修改以符合本發明實施例之需要，更多細節將說明如下。

特別地，風扇110具有至少兩種以上之PQ設定，而為了說明本發明之目的，在本實施例中風扇110係具有第一PQ設定與該第二PQ設定(即僅有兩種PQ設定)，惟熟此技藝者應可知本發明可包含具有更多PQ設定之風扇110。

更具體的，如圖2所示，在風扇110之一預定轉速下，風扇110在第一PQ設定下具有第一PQ曲線(C1)，而在第二PQ設定下具有與第一PQ曲線不同之第二PQ曲線(C2)，換言之，如圖2所示，在該預定轉速下，風扇110在第二PQ設定時可產生比在第一PQ設定時表現出較高的氣流壓力(pressure)與流量(quantity)。

在此實施例中，為了達成兩種或更多之PQ設定，風扇110係具有可調之結構，例如可調整進氣量(air intake)的進氣口(inlet)，或是可調整角度、半徑(diameter)、或軸距(pitch)的葉片(blade)，或是可調整的阻尼器(damper)，惟對此本發明並不欲加以限制。

相對應地，風扇110之微處理器可根據其所接收之PQ控制訊號，進而對風扇110的結構進行相對應的調整(如上述)，藉此將風扇110設定至第一PQ設定(或第二PQ設定)。舉例來說，當電腦系統100中的目標裝置數目較少時，風扇110之微處理器可根據其所接收之PQ控制訊號，將風扇110設定至第一PQ設定(即圖2所示之第一PQ曲線(C1))，而相較於第二PQ設定(即圖2所示之第二PQ曲線(C2))也就是在給定轉速下，風扇110提供較少的氣流壓力與流量，而可以節省耗能。

功率感測器112一方面測量中央處理器104兩端的壓差V，另一方面則提供一微小電阻(例如0.001歐姆)，以測量中央處理器104的電流I，而控制器116可利用所測量到的壓降V與電流I，獲得中央處理器104所消耗的功率。熟此技藝者，應可將中央處理器104替換為記憶體106、硬碟108或是在電腦系統100中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置，而測量這些裝置實際所消耗的功率供使用。

環境溫度感測器114，用來偵測電腦系統100使用環境之溫度Te(即室溫)，而較佳係設置於電腦系統100之外側。環境溫度感測器114可採用習知的數位熱感測器，而直接產生對應所感測到環境溫度的數位訊號。需注意的是，環境溫度感測器114與中央處理器104需間隔相當的距離，避免環境溫度感測器114受到中央處理器104所產生熱的影響。

控制器116包含微處理器與記憶體(未顯示)，較佳為整合在電腦系統100上主機板(未顯示)的基板管理控制器(BMC、Baseboard Management Controller)，例如可參考Maxim公司的VSC452基板管理控制器或是ServerEngines公司的SE-SM4210-P01基板管理控制器，而進一步修改或延伸。需說明的是，控制器116亦可實施為獨立的控制器。

控制器116可具有一或多個訊號埠口，以輸出控制訊號至風扇110，進而控制風扇110的運作或是進行風扇110的設定。舉例來說，控制器116可輸出不同工作週期的脈寬調變訊號給風扇110之微處理器，作為轉速控制訊號，來控制風扇110的轉速；另外，控制器116可輸出不同的PQ控制訊號給風扇110之微處理器，藉此將風扇110設定至第一PQ設定(或第二PQ設定)。舉例來說，控制器116可輸出不同的數位邏輯訊號給風扇110之微處理器，作為PQ控制訊號。關於此部份的細節將配合圖3之流程圖說明於後。惟較佳地，控制器116係使用相同的訊號埠口來輸出轉速控制訊號(脈寬調變訊號)與PQ控制訊號(數位邏輯訊號)給風扇110之微處理器，以節省埠口的數量，且更佳地，轉速控制訊號(脈寬調變訊號)與PQ控制訊號(數位邏輯訊號)係具有相同的高準位與低準位，以簡化控制器116的電路設計。此外，控制器116可具有一或多個訊號埠口，以接收從風扇110所回傳的訊號，或是可用相同的訊號埠口輸出訊號至風扇110且接收從風扇110所回傳的訊號。

在本實施例中，控制器116額外具有A/D埠口(未顯示)，用來接收功率感測器112所偵測到的壓降V以及電流I，並據此計算出中央處理器104(或是記憶體106、或硬碟108)所消耗的功率P。控制器116亦具有其他的A/D埠口(未顯示)，可接收環境溫度感測器114所偵測到的環境溫度Te。

另外，控制器116的記憶體儲存關於控制或設定風扇所需的韌體以及一些相關之參數，例如空氣的比熱與密度、中央處理器104面對風扇氣流的截面積、中央處理器104的臨限運作溫度(外殼溫度(Case Temperature))Tm，或其他中央處理器104的參數等等。

以下配合圖1所示之硬體架構以及圖3之流程圖說明本發明實施例之風扇設定與控制方法。

<風扇設定與控制>

●　步驟300：電腦系統100開機(Power Up)。

●　步驟302：風扇110保持在PQ設定模式，等待接收控制器116的PQ控制訊號。

●　步驟304：控制器116(例如電腦系統100上主機板的基板管理控制器)進行系統設定掃描(system configuration scan)以決定風扇110適當的PQ設定。在此步驟中，控制器116收集電腦系統100上所安裝的目標裝置(例如中央處理器104、記憶體106、硬碟108)各自的特性、位置及/或數量。以記憶體106為例，控制器116可知悉記憶體106的規格(例如DDR-SRAM 256Mb或是DDR-SRAM 512Mb，或是其運作的時脈)、記憶體的位置(例如安裝於哪一個插槽(slot))、記憶體的的數量(例如是兩個DDR-SRAM 256Mb或是單一DDR-SRAM 512Mb)；選擇性地，控制器116亦可透過進行系統設定掃描，知悉電腦系統100上所安裝的冷卻風扇(例如一或多個風扇110)的特性(例如尺寸或是最大輸出功率)、位置及/或數量。在系統設定掃描完畢後，控制器116可根據一預先設定之規則，或是利用查表的方式，決定風扇110適當的PQ設定(即前述較為節能之第一PQ設定或是風扇表現較佳之第二PQ設定)。上述預先設定之規則或查表可根據各種不同系統之特性而制定。依此，即使是相同的風扇110，當設置在電腦系統100中不同的位置(例如靠近中央處理器104或是靠近硬碟108)，控制器116可能會決定出不同的PQ設定。

需說明的是，透過系統設定掃描所知悉關於電腦系統100的資訊並不限於上述目標裝置及/或風扇的資訊，其他與系統散熱相關的資訊，例如電腦系統100所在之海拔高度(與空氣密度相關)，皆在本發明所欲涵蓋之範圍內，而可供控制器116決定風扇110適當的PQ設定。

●步驟306：在控制器116決定出風扇110適當的PQ設定後，則輸出相對應的PQ控制訊號給風扇110之微處理器。較佳地，PQ控制訊號係為方波形式之數位邏輯訊號。在一實施例中，控制器116係以100KHz的頻率傳送10位元之一程式指令至風扇110之微處理器。

舉例來說，前5個位元其值若為「11111」，則代表此指令係要對風扇110發送PQ設定，若其值為「11011」，則代表此指令係要求風扇110回報目前的PQ設定；第6至9個位元係代表所欲之PQ設定，其值若為「0000」，則代表前述之第一PQ設定，若其值若為「0001」，則代表前述之第二PQ設定，依此最多可表達16種不同的PQ設定；最後1個位元其值若為「1」，則代表此指令之結束。需說明的是，依照上述數位邏輯訊號之方式，可以傳輸PQ設定所需之資料，但本發明不欲侷限於此，亦可透過數位邏輯訊號之方式，傳遞其他程式指令至風扇110之微處理器，以進行其他的程式操作。

●步驟308：在收到控制器116所發出之PQ控制訊號後，風扇110則進行相對應的結構調整，藉此風扇110被設定至第一PQ設定(或第二PQ設定)。在一實施例中，風扇110更可透過數位邏輯訊號之方式，在收到PQ控制訊號後之一預定時間後(例如100ms)，傳送PQ設定確認訊號(例如5個位元之「11111┘訊號)至控制器116，以告知風扇110之PQ設定完成。

●　步驟310：在PQ設定完成後，則風扇110進入運轉模式，而等待接收控制器116的轉速控制訊號，藉此風扇110即以相對應的速度運轉。較佳地，轉速控制訊號係為脈寬調變(PWM)訊號，而利用脈寬調變訊號中工作週期(duty cycle)來控制風扇110的轉速。步驟310之細節應為熟此技藝者所習知，在此不予贅述。在此步驟中，控制器116可控制風扇110以一預定的起始轉速運轉，並可在利用隨後的步驟312對轉速再進行調整。

●　步驟312：功率感測器112與環境溫度感測器114，係分別偵測與電腦系統100實際運作相關之參數(例如前述之壓降V、電流I、或是環境溫度Te)，並提供給控制器116，藉此控制器116進一步地動態地調整風扇110的轉速。

在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。

100．．．電腦系統

102．．．電源供應器

104．．．中央處理器

106．．．記憶體

108．．．硬碟

110．．．風扇

112．．．功率感測器

114．．．環境溫度感測器

116．．．控制器

為了立即瞭解本發明的優點，請參考如附圖所示的特定具體實施例，詳細說明上文簡短敘述的本發明。在瞭解這些圖示僅描繪本發明的典型具體實施例並因此不將其視為限制本發明範疇的情況下，參考附圖以額外的明確性及細節來說明本發明，圖式中：

圖1一種依據本發明一具體實施例之電腦系統；

圖2為一種依據本發明一具體實施例所示對應不同PQ設定之PQ曲線；以及

圖3一種依據本發明一具體實施例之方法流程圖。

100．．．電腦系統

102．．．電源供應器

104．．．中央處理器

106．．．記憶體

108．．．硬碟

110．．．風扇

112．．．功率感測器

114．．．環境溫度感測器

116．．．控制器

Claims (12)

1. 一種風扇控制系統，用於一電腦系統中；該電腦系統包含：一風扇，該風扇係具有一第一PQ設定與一第二PQ設定，其中在該風扇之一預定轉速下，該風扇在該第一PQ設定下具有一第一PQ曲線，而在該第二PQ設定下具有一第二PQ曲線；該風扇控制系統包含：一控制器，發出一PQ控制訊號至該風扇，以將該風扇設定至該第一PQ設定與該第二PQ設定其中之一。
2. 如請求項1之風扇控制系統，其中該電腦系統更包含一或多個目標裝置，其中該控制器根據該一或多個目標裝置之特性、位置及/或數量發出該控制訊號。
3. 如請求項1之風扇控制系統，該控制器根據該電腦系統上所具有之風扇之特性、位置及/或數量發出該控制訊號。
4. 如請求項1之風扇控制系統，其中該PQ控制訊號係為邏輯訊號。
5. 如請求項4之風扇控制系統，其中在發出該PQ控制訊號後，該控制器更發出一轉速控制訊號至該風扇，以控制該風扇之轉速，而該轉速控制訊號係為一脈寬調變訊號。
6. 如請求項5之風扇控制系統，其中該控制器使用一相同的通訊埠口傳送該PQ控制訊號與該轉速控制訊號至該風扇。
7. 如請求項5之風扇控制系統，該風扇控制系統包含：一感測器，偵測與該電腦系統運作相關之一參數；以及其中該控制器根據該感測器所偵測之該參數，調整該轉速控制訊號。
8. 一種電腦系統，包含：一或多個目標裝置；一風扇，用以提供氣流予該一或多個目標裝置，該風扇係具有一第一PQ設定與一第二PQ設定，其中在該風扇之一預定轉速下，該風扇在該第一PQ設定下具有一第一PQ曲線，而在該第二PQ設定下具有一第二PQ曲線；以及如請求項1至7中任一項所述之風扇控制系統。
9. 一種電腦系統，包含：一或多個目標裝置；一風扇，提供氣流予該一或多個目標裝置；以及一控制器，使用一相同的通訊埠口發出一邏輯訊號與一脈寬調變訊號至該風扇，以控制該風扇之運作。
10. 如請求項9之電腦系統，其中該脈寬調變訊號係用以控制該風扇之轉速。
11. 如請求項9之電腦系統，其中該邏輯訊號係用以傳送一指令(command)至該風扇。
12. 如請求項9之電腦系統，其中該風扇係具有一第一PQ設定與一第二PQ設定，其中在該風扇之一預定轉速下，該風扇在該第一PQ設定下具有一第一PQ曲線，而在該第二PQ設定下具有一第二PQ曲線；該邏輯訊號係用以將該風扇設定至該第一PQ設定與該第二PQ設定其中之一。