TWI689221B - 基地站主動式智慧型散熱系統 - Google Patents

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石聖賢
徐守仁
余建德
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Abstract

一種基地站主動式智慧型散熱系統，其中包括：一量測模組，該量測模組用於偵測一通訊系統之一溫度感測訊號；一控制器，用於接收該量測模組所感測到的該溫度感測訊號以及用於設定一預設溫度訊號，根據該溫度感測訊與該預設溫度訊號產生該溫度感測訊號與該預設溫度訊號之一差值，以及一差值之時間導數，該控制器中根據該差值及該差值之時間導數進而運行一控制程式並輸出一控制訊號；以及一電源模組，用於接收該控制訊號，並根據該控制訊號將對應之一電訊號輸出至一散熱模組，該散熱模組根據該電訊號進而對該通訊系統進行散熱。

Description

基地站主動式智慧型散熱系統
本發明係關於一種散熱系統，特別是關於一種基地站主動式智慧型散熱系統。
隨著通訊系統基地站的效能不斷提昇以及體積相對不斷縮小的趨勢下，許多高效能晶片或電子元件需在狹小密閉的環境下運作，這類嚴峻的環境往往會造成晶片或電子元件因散熱不良而進一步導致熱失效，因此，目前通訊系統基地站，大多位在室內，少部份的基地站位於室外，而室內基地站所用的散熱方式大多為利用冷氣降低室內的環境溫度，再以強制對流的方式將冷空氣輸送至基地站中需降溫的電子元件，而位於室外的基地站亦會在基地站的附近裝設冷氣設備，並將冷空氣藉由延伸之輸送管路導入基地站內以協助散熱。
現行基地站所使用的散熱方式為利用冷氣先降低基地站所處之環境溫度，再藉由自然對流或強制對流之方式將冷空氣導引至發熱元件的位置，而此種方式最大的缺點為無法有效地將冷氣出風口溫度最低的冷空氣直接針對熱源進行散熱，而是在冷氣輸出之冷空氣與環境溫度混合後才 被用於針對熱源進行散熱，故為解決晶片在狹小密閉的環境下所發生的散熱問題，本發明利用智慧型控制系統並搭配特殊設計之散熱模組提升散熱之效能。
鑒於上述習知技術之缺點並同時改善上述散熱之問題，本發明提出使用基地站主動式智慧型散熱系統，可透過以智慧型控制致冷晶片與風扇來解決上述的缺點。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一種基地站主動式智慧型散熱系統，其中包括：一量測模組，該量測模組用於偵測一通訊系統之一溫度感測訊號；一控制器，用於接收該量測模組所感測到的該溫度感測訊號以及用於設定一預設溫度訊號，根據該溫度感測訊與該預設溫度訊號產生該溫度感測訊號與該預設溫度訊號之一差值，以及一差值之時間導數，該控制器中根據該差值及該差值之時間導數進而運行一控制程式並輸出一控制訊號；以及一電源模組，用於接收該控制訊號，並根據該控制訊號將對應之一電訊號輸出至一散熱模組，該散熱模組根據該電訊號進而對該通訊系統進行散熱。
本發明的該基地站主動式智慧型散熱系統，其中該控制器包括：一運算單元、一電壓/電流輸出入介面與一溫度擷取介面。
本發明的該基地站主動式智慧型散熱系統，其中 該控制器可同時接收、處理與輸出多於一個該差值及該差值之時間導數。
本發明的該基地站主動式智慧型散熱系統，其中該散熱模組包含至少一個致冷晶片、均溫板、風扇與熱管。
本發明的該基地站主動式智慧型散熱系統，其中該控制器、該量測模組及該通訊系統彼此電性相連，而該散熱模組則與該通訊系統電性相連，並用於控制該通訊系統之降溫。
本發明的該基地站主動式智慧型散熱系統，其中該控制程式包含一適應性小波類神經網路演算法，用於處理該差值及該差值之時間導數，或一適應性模糊控制演算法，依據該量測模組感測之時變溫度處理該差值及該差值之時間導數。
本發明所提出之一種溫度控制方法，係為一種偵測該通訊系統之溫度，對該通訊系統進行溫度控制方法，該方法係利用基地站主動式智慧型散熱系統，其步驟包括：該量測模組用於偵測該通訊系統之該溫度感測訊號；該控制器接收該量測模組所感測到的該溫度感測訊號以及用於設定該預設溫度訊號，根據該溫度感測訊與該預設溫度訊號產生該溫度感測訊號與預設溫度訊號之該差值，以及該差值之時間導數，且該控制器中根據該差值及該差值之時間導數進而運行該控制程式並輸出該控制訊號，其中該控制程式包含一適 應性小波類神經網路演算法，用於處理該差值及該差值之時間導數，或一適應性模糊控制演算法，依據該量測模組感測之時變溫度處理該差值及該差值之時間導數；以及透過該電源模組接收該控制訊號，並根據該控制訊號將對應之該電訊號輸出至該散熱模組，該散熱模組根據該電訊號進而對該通訊系統進行散熱。
本發明的該一種溫度控制方法，其中該控制器包括：一運算單元、一電壓/電流輸出入介面與一溫度擷取介面。
本發明的該一種溫度控制方法，其中該控制器可同時接收、處理與輸出多於一個該差值及該差值之時間導數。
本發明的該一種溫度控制方法，其中該散熱模組包含至少一個致冷晶片、均溫板、風扇與熱管。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
1‧‧‧控制器
2‧‧‧電源模組
3‧‧‧散熱模組
4‧‧‧量測模組
11‧‧‧運算單元
12‧‧‧電壓/電流輸出入介面
13‧‧‧溫度擷取介面
41‧‧‧溫度感測器
14‧‧‧等效控制器(Equivalent controller)
15‧‧‧碰撞控制器(Collision controller)
16‧‧‧適應性模糊控制系統(Adaptive Fuzzy System(AFS)controller)
17‧‧‧模擬控制器(Fuzzy controller)
18‧‧‧即時反應適應性控制器(Online adaptation controller)
19‧‧‧小波類神經控制器(WNN Controller)
21‧‧‧適應性小波類神經控制器(Adaptive Wavelet Neuro(AWN)Controller)
22‧‧‧強健補償器(Robust Cormpensator)
第一圖係本發明基地站主動式智慧型散熱系統之示意圖；第二圖係為適應性模糊控制之控制迴路圖之示意圖；第三圖係為小波類神經網路之控制迴路圖之示意圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
請參閱第一圖所示本發明基地站主動式智慧型散熱系統之示意圖，其中基地站主動式智慧型散熱系統包含通訊系統、控制器1、電源模組2、散熱模組3及量測模組4所組成，其中，控制器1包含運算單元11、電壓/電流輸出入介面12及溫度擷取介面13，其中運算單元11運行一控制程式，而該控制程式為小波類神經網路演算法(Wavelet Neural Network,WNN)或適應性模糊控制演算法，因此運算單元11利用適應性小波類神經網路演算法或適應性模糊控制演算法的方式使控制器1能藉由適應性法則自我學習推導出一模糊規則以獲得較佳之控制響應，並藉由此較佳之控制響應使基地站主動式智慧型散熱系統達到溫度快速收斂的特性；電壓/電流輸出入介面12則是接收運算單元11輸出之控制訊號，並將其接收之控制訊號輸出至電源模組2；而溫度擷取介面13接收量測模組4所測量到之通訊系統之溫度感測訊號，並將其溫度感測訊號傳送至運算單元11。
該基地站主動式智慧型散熱系統的電源模組2接收到來自電壓/電流輸出入介面12的控制訊號後，依據其接收之控制訊號將電訊號輸出至散熱模組3，而該電訊號則為對應 之電壓/電流；散熱模組3包含致冷晶片、可變風扇、熱管與均溫板，其中，均溫板會與發熱之元件相連接，將發熱元件所產生的熱能藉由傳導的方式將熱能傳導至均溫板上；均溫板的一端會與致冷晶片的低溫面連接，使均溫板與致冷晶片進行熱交換，而致冷晶片的高溫面與熱管連接，將熱量由熱管的吸熱區傳導至熱管的散熱區，在熱管的散熱區可配置一可變風扇，使空氣通過熱管的散熱區以進行熱量交換；量測模組4包含至少一個溫度感測器41，其中，溫度感測器41分佈在基地站主動式智慧型散熱系統中的多個位置，並回傳其感測訊號至溫度擷取介面13；再一較佳實施例中，該控制器1、該量測模組4及該通訊系統彼此電性相連，而該散熱模組3則與該通訊系統電性相連，並用於控制該通訊系統之降溫。
再另一較佳實施例中，該控制器1用於接收量測模組4所感測到的溫度感測訊號以及用於設定預設溫度訊號，根據溫度感測訊與預設溫度訊號進而產生該溫度感測訊號與預設溫度訊號之一差值，以及一差值之時間導數，該控制器1中根據該差值及該差值之時間導數進而運行一控制程式並輸出一控制訊號，其中該控制程式利用一適應性小波類神經網路演算法，用於處理該差值及該差值之時間導數，或利用一適應性模糊控制演算法，依據該量測模組4感測之時變溫度處理該差值及該差值之時間導數；另外，該控制器1可同時接收、處理與輸出多於一個該差值及該差值之時間導 數。
請參閱第二圖所示，而第二圖是根據第一圖的基地站主動式智慧型散熱系統示意圖再進一步說明適應性模糊控制之控制迴路圖之示意圖。控制器1藉由適應性法則自我學習推導出一模糊規則以獲得較佳之控制響應，並藉由此最佳的控制響應達到系統之溫度快速收斂的特性，其中，控制器1透過適應性模糊控制演算法其運作方式為先接收一給定之預設或是期望的溫度值(x d )，再將此預設或是期望的溫度值與量測模組4中的溫度感測器41所感測到的溫度值(x)相減，因此獲得e(t)，其e(t)的公式為：e(t)=x d (t)-x(t)接著，利用其相減之值(e)與其相減值之微分(è)建立滑動模式中的一穩態滑動平面，而滑動平面所產生之控制訊號σ(t)，其σ(t)的公式為：
Figure 108109013-A0101-12-0007-1
 因此滑動平面所產生之控制訊號e(t)，可輸出至控制器1，而該控制器1可以由等效控制器(Equivalent controller)14、碰撞控制器(Collision controller)15、適應性模糊控制系統(Adaptive Fuzzy System(AFS)controller)16、模擬控制器(Fuzzy controller)17及即時反應適應性控制器(Online adaptation controller)18所組成。
因此，等效控制器14依據接收之滑動平面所產 生之控制訊號e(t)定義出與滑動平面具有一固定差值之第一上邊界與第一下邊界，以此第一上邊界與第一下邊界過濾落在邊界以外的滑動平面控制訊號，並將邊界以外的滑動平面控制訊號忽略，而第一上邊界與第一下邊界內的訊號將依滑 動平面控制訊號進行適應性法則的估算產生一估算值
Figure 108109013-A0101-12-0008-5
，其 估算值
Figure 108109013-A0101-12-0008-4
公式為：
Figure 108109013-A0101-12-0008-2
 接著，碰撞控制器15依據接收之滑動平面所產生之控制訊號σ(t)定義出與滑動平面具有一固定差值之第二上邊界與第二下邊界，其第二上邊界大於等效控制器14所定義之第一上邊界，第二下邊界小於等效控制器14所定義之第一下邊界，碰撞控制器15以第二上邊界與第二下邊界過濾落在邊界以外的滑動平面控制訊號，並將邊界以外的滑動平面控制訊號忽略，而第二上邊界與第二下邊界內的訊號，其Collision controller將依滑動平面控制訊號與等效控制器14之估算值進行適應性調整，產生第一控制輸入(u b )，此第一控制輸入使系統軌跡維持在滑動平面，其第一控制輸入(u b )公式為：
Figure 108109013-A0101-12-0008-3
 再接著，即時反應適應性控制器18依據即時的滑動平面控制訊號(σ)定義出與滑動平面平行且具有一固定差值之瞬時上邊界與瞬時下邊界，並以瞬時上邊界與瞬時下邊界過濾落在邊界以外的滑動平面控制訊號，將邊界以外的滑動平面控制 訊號忽略，而瞬時上邊界與瞬時下邊界內的訊號(θ F )則傳送至模擬控制器17，而模擬控制器17以模糊控制規則，如下表所示：
Figure 108109013-A0101-12-0009-6
 對瞬時上邊界與瞬時下邊界內的訊號進行判讀，進而產生模 糊控制輸出訊號
Figure 108109013-A0101-12-0009-7
，模糊控制輸出訊號會傳送至(AFS controller)，而(AFS controller)於接收模糊控制輸出訊號後將利用全域逼近理論(Universal Approximation Theorem)估算出第二控制輸入(u f )，其第二控制輸入(u f )公式為：
Figure 108109013-A0101-12-0009-8
 其中，第二控制輸入為控制器1的主要控制輸入，而第一控制輸入主要是為加快基地站主動式智慧型散熱系統控制訊號收斂至控制點之速度；控制器1將第一控制輸入與第二控制輸入相加後會得到一最終控制器1輸出訊號(u)，其最終控制器1輸出訊號(u)公式為：u(t)=u f (t)+u b (t)此控制器1輸出訊號會驅使散熱模組3改變其狀態；上述之控制器1主要由等效控制器14、碰撞控制器15、適應性模糊 控制系統16、模擬控制器17及即時反應適應性控制器18所組成，但本發明並非僅限於上述之一種組合，於另一種實施例中，本發明可由等效控制器14及碰撞控制器15達到相同之控制功能；於其他實施例中等效控制器14、碰撞控制器15、適應性模糊控制系統16及模擬控制器17亦為其中一種組合；等效控制器14、碰撞控制器15、適應性模糊控制系統16及即時反應適應性控制器18亦為另一種達到相同控制功能之控制器1組合方式。
請參閱第三圖所示，而第三圖是根據第一圖的基地站主動式智慧型散熱系統示意圖再進一步說明小波類神經網路之控制迴路圖之示意圖。該小波類神經網路演算法(Adaptive Wavelet Neural Network Controller，AWNNC)，包含滑動平面(sliding surface)、即時反應適應性控制器(Online adaptation controller)18、小波類神經控制器(Wavelet Neural Network(WNN Controller)19、適應性小波類神經控制器(Adaptive Wavelet Neuro Network Controller，AWNN)21與強健補償器(Robust Compensator)22，其中，控制器1透過小波類神經網路演算法之運作方式為先接收一給定之預設或是期望的溫度值(x d )，再將此預設或是期望的溫度值與基地站主動式智慧型散熱系統中溫度感測器41所感測到的溫度值(x)相減，其e(t)公式為：e(t)=x d (t)-x(t) 接著，利用其相減之值(e)與其相減值之微分(è)建立滑動模式中的一穩態滑動平面，而滑動平面所產生之控制訊號σ(t)，其控制訊號σ(t)公式為：
Figure 108109013-A0101-12-0011-9
 因此滑動平面所產生之控制訊號σ(t)，可輸出至控制器1，而該控制器1可以由即時反應適應性控制器18、小波類神經控制器19、適應性小波類神經控制器21與強健補償器22組成。
因此，即時反應適應性控制器18依據即時的滑動平面所產生之控制訊號σ(t)定義類神經網絡中各小波層與各小波層中之各神經元設定權重值(θ jo )，並將其權重值輸出至小波類神經控制器19，而小波類神經控制器19將即時的滑動平面控制訊號(σ)依據各小波層與各小波層中各神經元之權重值進行調整，經權重調整後之控制訊號(u WNN )為主要控制訊號，此主要控制訊號會輸出至適應性小波類神經控制器21，而控制訊號(u WNN )其公式為：
Figure 108109013-A0101-12-0011-10
 再接著，適應性小波類神經控制器21除接收權重調整後之控制訊號，亦接收由強健補償器22輸出之強健補償訊號(u RC )，此強健補償訊號係利用滑動平面控制訊號與滑動平面間的差值所計算而得，而強健補償訊號(u RC )其公式為：u RC (t)=(2R 2)-1(R 2+I)σ(t) 因此，強健補償訊號提供系統一控制力，於滑動平面控制訊號與滑動平面間存在誤差值時，使系統軌跡能維持在滑動平面；再接著，適應性小波類神經控制器21於接收權重調整後之控制訊號(u WNN )及強健補償訊號(u RC )後，將此兩種訊號進行相加，並輸出一最終小波類神經網路控制器1的控制訊號(u(t))至散熱模組3，驅使散熱模組3改變其狀態；在接收到控制器1輸出之控制訊號(u或(u(t)))後，散熱模組3會依接收之控制訊號改變風扇或是致冷晶片的運作狀態，使通訊系統的散熱效率或溫度能隨時間或位置的需求改變，而溫度感測器41會在散熱模組3運作的過程中回授溫度感測訊號，以使控制器1能依據回授之溫度感測訊號進行運算與調整控制器1之輸出控制訊號。
本發明的溫度控制方法的其中一種實施例中，其接收之溫度感設訊號可來自於系統中一個以上的訊號來源，例如，本發明基地站主動式智慧型散熱系統可包括一個以上的溫度感測器41，分別回授系統中一個以上不同位置的溫度感測訊號，並作為控制方法的輸入。本揭露的所述的控制方法的其中一種實施例中，控制方法可包括一個以上的輸出控制訊號u(t)，分別傳送至一個以上的散熱模組3。例如，本系統可包括一個以上的致冷晶片或可變風扇，這些散熱元件可以由同一個控制方法所控制。
需陳明者，以上所述僅為本案之較佳實施例，並非用以限制本創作，若依本創作之構想所作之改變，在不脫離本創作精神範圍內，例如：對於構型或佈置型態加以變換，對於各種變化，修飾與應用，所產生等效作用，均應包含於本案之權利範圍內，合予陳明。
1‧‧‧控制器
2‧‧‧電源模組
3‧‧‧散熱模組
4‧‧‧量測模組
11‧‧‧運算單元
12‧‧‧電壓/電流輸出入介面
13‧‧‧溫度擷取介面
41‧‧‧溫度感測器

Claims (8)

  1. 一種基地站主動式智慧型散熱系統，其中包括：一量測模組，該量測模組用於偵測一通訊系統之一溫度感測訊號；一控制器，用於設定一預設溫度訊號，其中該控制器的一溫度擷取介面用於接收該量測模組所感測到的該溫度感測訊號，而該控制器根據該溫度感測訊號與該預設溫度訊號產生該溫度感測訊號與該預設溫度訊號之一差值，以及一差值之時間導數，該控制器的一運算單元根據該差值及該差值之時間導數進而運行一控制程式並輸出一控制訊號，該控制訊號透過該控制器的一電壓/電流輸出入介面用於傳遞該控制訊號；以及一電源模組，用於接收該電壓/電流輸出入介面傳遞的控制訊號，並根據該控制訊號將對應之一電訊號輸出至一散熱模組，該散熱模組根據該電訊號進而對該通訊系統進行散熱。
  2. 如申請專利範圍第1項基地站主動式智慧型散熱系統，其中該控制器可同時接收、處理與輸出多於一個該差值及該差值之時間導數。
  3. 如申請專利範圍第1項基地站主動式智慧型散熱系統，其中該散熱模組包含至少一個致冷晶片、均溫板、風扇與熱管。
  4. 如申請專利範圍第1項基地站主動式智慧型散熱系統，其中該控制器、該量測模組及該通訊系統彼此電性相連，而該散熱模組則與該通訊系統電性相連，並用於控制該通訊系統之降溫。
  5. 如申請專利範圍第1項基地站主動式智慧型散熱系統，其中該控制程式包含一適應性小波類神經網路演算法，用於處理該差值及該差值之時間導數，或一適應性模糊控制演算法，依據該量測模組感測之時變溫度處理該差值及該差值之時間導數。
  6. 一種溫度控制方法，係為一種偵測該通訊系統之溫度，對該通訊系統進行溫度控制方法，該方法係利用如請求項1所述之基地站主動式智慧型散熱系統，其步驟包括：A.該量測模組用於偵測該通訊系統之該溫度感測訊號；B.該控制器用於設定該預設溫度訊號，其中該控制器的該溫度擷取介面用於接收該量測模組所感測到的該溫度感測訊號，而該控制器根據該溫度感測訊與該預設溫度訊號產生該溫度感測訊號與預設溫度訊號之該差值，以及該差值之時間導數，且該控制器的一運算單元根據該差值及該差值之時間導數進而運行該控制程式並輸出該控制訊號，該控制訊號透過該控制器的一電壓/電流輸出入介面用於傳遞該控制訊號，其中該控制程式包含一適應性小波類神經網路演算法，用於處理該差值及該差 值之時間導數，或一適應性模糊控制演算法，依據該量測模組感測之時變溫度處理該差值及該差值之時間導數；以及C.透過該電源模組接收該控制訊號，並根據該控制訊號將對應之該電訊號輸出至該散熱模組，該散熱模組根據該電訊號進而對該通訊系統進行散熱。
  7. 如申請專利範圍第6項溫度控制方法，其中該控制器可同時接收、處理與輸出多於一個該差值及該差值之時間導數。
  8. 如申請專利範圍第6項溫度控制方法，其中該散熱模組包含至少一個致冷晶片、均溫板、風扇與熱管。
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