TWI733475B

TWI733475B - 風扇控制系統

Info

Publication number: TWI733475B
Application number: TW109118053A
Authority: TW
Inventors: 黃柏勝
Original assignee: 奇鋐科技股份有限公司
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-07-11
Also published as: TW202145700A

Abstract

本發明提供一種風扇控制系統，包括複數風扇及一控制單元，該控制單元，具有一控制器與一儲存器係儲存一具複數第一啟動時間點與複數第一啟動輸入值的第一風扇啟動資料，該控制器根據該複數第一啟動時間點依序控制該複數輸出接腳輸出對應該複數第一啟動輸入值的複數輸出訊號，該每一風扇設有一風扇控制器，及一風扇儲存器內係儲存相同於該第一風扇啟動資料的一第二風扇啟動資料，該風扇控制器根據比對出符合該輸出訊號的第二風扇啟動資料的每一第二啟動時間點輸出對應每一第二啟動輸入值的一驅動訊號控制啟動自該風扇運轉。

Description

風扇控制系統

本發明有關於一種風扇控制系統，尤指一種可達到降低瞬間啟動電流的風扇控制系統。

一般而言，電腦若依據應用程度進行等級區分，主要可分為個人電腦(Personal Computer)、伺服器工作站(Server Work Station)以及超級電腦(Super Computer)。其中，個人電腦通常使用一至兩個處理器，係主要負責日常行政事務處理及提供相關多媒體娛樂功能；對於一些運算較為複雜的作業，例如3D電腦繪圖等運算工作時，工作站則仍廣為採用，且為配合網路之應用需求，一般業界大都選擇配置有2至4顆處理器的伺服器，而對於一些特殊應用情況，亦可選擇8至16顆多處理器之伺服器系統；至於一些針對特定用途，如核彈模擬、氣象用途、基因工程等需要超高運算效能的應用領域，則通常會採用幾十顆甚至數百顆、數千顆處理器(或次電腦系統)所串接組成的超級電腦(Super Computer)。

隨著半導體製程的進步，目前中央處理器(Central Processing Unit)等晶片組已由微米等級進展至奈米等級，其內部所含的電晶體數量亦可高達上億顆，因此晶片組於運作時將產生極高的熱量，而這些產生的熱量一旦未予以適當之散熱，則積存於機體內的熱量會使得系統環境溫度過高，從而導致系統穩定性降低，甚至當機等異常狀況的發生。

於習知技術中，利用裝設於機體內部之多個散熱風扇所形成之對流現象來進行散熱的方式，由於能有效降低機體內部之溫度，且製造成本合理，因此被廣為使用。然而該技術的缺點在於：多個風扇在啟動初始時間的設定都是固定，所以當開啟伺服器電源時，由於所有接設於該伺服器中的硬體設備即以全速方式執行運轉，故所有組設於該伺服器中的多個散熱風扇亦將同時間進行啟動運轉，這種情形容易造成如圖1所示多個風扇啟動時對應的電流訊號301、302、303、304的峰值電流(或稱電流峰值)會直接依使用風扇數量做倍數的疊加上去，使多個風扇的加總電流訊號300是呈垂直往上疊加的加總峰值電流，但系統對風扇啟動電流都會有限制與過電流保護機制，所以多個風扇啟動時的電流訊號瞬間疊加的加總峰值電流300(即多個風扇同時啟動的瞬間電流過高)對伺服器的瞬間功率消耗相對較大，容易造系統不穩定甚至當機等異常狀況發生，或是會誤觸發造成系統過電流保護而讓多個風扇無法順利啟動運轉，進而導致系統過熱關掉失效的問題。因此，如何解決伺服器於開機時的瞬間電流過高等缺失，實已成為業界亟待解決之技術問題。

本發明之一目的在提供一種可達到降低瞬間啟動電流的風扇控制系統。

本發明之另一目的在提供一種可達到不同的調降峰值電流的風扇控制系統。

為達上述目的，本發明係提供一種風扇控制系統，包括複數風扇與一控制單元，該控制單元具有一控制器與一與該控制器連接的儲存器，該控制器具有複數輸出接腳，該儲存器內儲存一第一風扇啟動資料，該第一風扇啟動資料包含複數不同的第一啟動時間點及複數不同的第一啟動輸入值，該每一第一啟動時間點對應該每一第一啟動輸入值，該控制器根據該複數第一啟動時間點依序控制該複數輸出接腳輸出對應該複數第一啟動輸入值的複數輸出訊號，該每一輸出接腳電性連接對應該每一風扇，該每一風扇設有一風扇控制器及一與該風扇控制器連接的風扇儲存器，該風扇儲存器內儲存相同於該第一風扇啟動資料的一第二風扇啟動資料，該第二風扇啟動資料包含複數不同的第二啟動時間點與複數不同的第二啟動輸入值，該每一第二啟動時間點對應該每一第二啟動輸入值，該風扇控制器根據對應該輸出訊號自該風扇儲存器中比對出符合該輸出訊號的該第二風扇啟動資料，以該第二風扇啟動資料的該每一第二啟動時間點輸出對應該每一第二啟動輸入值的一驅動訊號控制啟動自該風扇運轉；透過本發明此風扇控制系統的設計，使得有效達到降低瞬間疊加的啟動電流，且讓風扇控制系統整個穩定運作。

1:風扇控制系統

10、11、12、13:第一、二、三、四風扇

101、111、121、131:風扇控制器

102、112、122、132:風扇儲存器

103、113、123、133:第一、二、三、四電流訊號

100:加總電源訊號

15:控制單元

150:控制器

151、152、153、154:第一、二、三、四輸出接腳

156:電源接腳

157:儲存器

S1、S2、S3、S4:第一、二、三、四輸出訊號

17:第一風扇啟動資料

171a、172a、173a、174a、175a:第一、二、三、四、五個第一啟動時間點

171b、172b、173b、174b、175b:第一、二、三、四、五個第一啟動輸入值

178:輸入電壓值

18:第二風扇啟動資料

181a、182a、183a、184a、185a:第一、二、三、四、五個第二啟動時間點

181b、182b、183b、184b、185b:第一、二、三、四、五個第二啟動輸入值

186:風扇電壓值

Vc:輸入電壓

第1圖為習知多個風扇的啟動峰值電流波形之示意圖。

第2圖為本發明之一實施例的方塊示意圖。

第3A圖為本發明之一實施例的第一風扇啟動資料表之示意圖。

第3B圖為本發明之一實施例的第一、二風扇的第二風扇啟動資料表之示意圖。

第3C圖為本發明之一實施例的第三、四風扇的第二風扇啟動資料表之示意圖。

第4圖為本發明之一實施例的複數風扇的電源信號與加總電源信號的波形之示意圖。

第5A圖為本發明之在一實施例之風扇啟動資料表之示意圖。

第5B圖為本發明之在另一實施例之風扇啟動資料表之示意圖。

第6圖為本創作之在一替代實施例之風扇啟動資料表之示意圖。

本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

本發明提供一種風扇控制系統，請參閱第2圖為本發明之一實施例的方塊示意圖；第3A圖為本發明之一實施例的第一風扇啟動資料表之示意圖；第3B圖為本發明之一實施例的第一、二風扇的第二風扇啟動資料表之示意圖；第3C圖為本發明之一實施例的第三、四風扇的第二風扇啟動資料表之示意圖；第4圖為本發明之一實施例的複數風扇的電源信號與加總電源信號的波形之示意圖；第5A圖為本發明之在一實施例之風扇啟動資料表之示意圖；第5B圖為本發明之在另一實施例之風扇啟動資料表之示意圖；第6圖為本創作之在一替代實施例之風扇啟動資料表之示意圖。如圖所示，該風扇控制系統1是應用於一電子設備(如電腦、伺服器、通訊機箱或其他電子設備)上，該風扇控制系統1包括複數風扇與一控制單元15，該複數風扇在本實施例中係選擇設有一第一風扇10、一第二風扇11、一第三風扇12及一第四風扇13來做說明，該控制單元15具有一控制器150與一儲存器157，該控制器150於本實施例表示為一微控制器(microcontroller unit，MCU)，但並不侷限於此。該控制器150具有複數輸出接腳及一用以接收一輸入電壓Vc(如12伏特或10伏特)的電源接腳156，該每一輸出接腳係電性連接對應每一風扇，該複數輸出接腳設有一第一輸出接腳151、一第二輸出接腳152、一第三輸出接腳153、一第四輸出接腳154，該第一、二、三、四輸出接腳151、152、153、154於本實施例表示為一脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)輸出接腳，用以輸出脈寬調變訊號(即輸出訊號)，亦即第一、二、三、四輸出接腳151、152、153、154依序用以輸出一第一輸出訊號S1、一第二輸出訊號S2、一第三輸出訊號S3及一第四輸出訊號S4，並傳送給對應該第一、二、三、四風扇10、11、12、13，該第一、二、三、四輸出接腳151、152、153、154係與對應第一、二、三、四風扇10、11、12、13電性連接。而於具體實施時，前述控制器150除了上述第一至四輸出接腳151、152、153、154外，還包含用來執行其他控制的接腳。

在一實施例，該控制器150可為一處理器或一數位訊號處理器，前述輸出接腳為一電壓輸出接腳或一串列資料輸出接腳或其他特定接腳(如I/O接腳)，用以輸出前述輸出訊號(如電壓訊號或串列資料訊號)控制啟動對應的風扇。

此外，本發明的該複數輸出接腳與風扇的數量不侷限於上述四支輸出接腳與四個風扇，使用者可以事先根據系統散熱需求設計，調整選用二支以上輸出接腳的控制器150配合二個以上風扇，例如控制器150具有五支輸出接腳(如五支脈寬調變輸出接腳)電性連接對應五個風扇，且該五支輸出接腳用以將輸出的五個輸出訊號傳送至對應五個風扇。

該儲存器157可為隨機存取記憶體、一快閃記憶體(FlashRAM)、一硬碟(HDD)、一固態硬碟(SSD)或一USB隨身碟或其他具可存取資料的單元，該儲存器157係電性連接該控制器150，且該儲存器157內儲存一第一風扇啟動資料17，該第一風扇啟動資料17於本實施例表示為如風扇啟動資料表(如圖3A所示)，該第一風扇啟動資料17包含複數不同的第一啟動時間點、複數不同的第一啟動輸入值及一輸入電壓值178，該輸入電壓值178為該第一風扇啟動資料17中對應每一風扇(即第一、二、三、四風扇10、11、12、13)的輸入電壓值178(如輸入電壓12伏特或10伏特)，該複數第一啟動時間點設有對應該每一風扇的五個第一啟動時間點(即第一個至第五個第一啟動時間點171a、172a、173a、174a、175a)，該五個第一啟動時間點彼此為不相同，該複數第一啟動輸入值設有對應每一風扇的五個第一啟動輸入值(即第一個至第五個第一啟動輸入值171b、172b、173b、174b、175b)，該五個第一啟動輸入值彼此為不相同，且該五個第一啟動時間點係對應該五個第一啟動輸入值，且於本實施例表示在該第一風扇啟動資料17內有四組該五個第一啟動時間點與五個第一啟動輸入值係對應四個風扇10、11、12、13說明。

每一組該五個第一啟動時間點彼此相延遲一時間，例如每一組中第五個第一啟動時間點175a晚於第四個第一啟動時間點174a，該第四個第一啟動時間點174a晚於第三個第一啟動時間點173a，該第三個第一啟動時間點173a晚於第二個第一啟動時間點172a，該第二個第一啟動時間點172a晚於第一個第一啟動時間點171a。並該第一組該五個第一啟動時間點與對應該第二、三、四組該五個第一啟動時間點彼此也相延遲一時間，例如第3A圖中對應第一風扇10的第一組中第一個第一啟動時間點171a早於對應該第二風扇11(或第三、四風扇12、13)的第二組(或第三、四組)中第一個第一啟動時間點171a，而對應該第一風扇10的第一組中第二個第二啟動時間點172a早於對應該第二風扇12(或第三、四風扇12、13)的第二組(或第三、四組)中第二個第二啟動時間點172a，其餘如圖3A中依此類推。並每一組中第五個第一啟動輸入值175b大於第四個第一啟動輸入值174b，該第四個第一啟動輸入值174b大於第三個第一啟動輸入值173b，該第三個第一啟動輸入值173b大於第二個第一啟動輸入值172b，該第二啟動輸入值172b大於第一個第一啟動輸入值171b。

另外，該控制器150係根據該複數第一啟動時間點依序控制該複數輸出接腳輸出對應該複數第一啟動輸入值的複數輸出訊號，亦即該控制器150根據該輸入電壓Vc自該儲存器157中比對出符合該輸入電壓Vc(如12伏特)的第一風扇啟動資料17內的輸入電壓值178(如12伏特)，令該控制器150根據比對出該第一風扇啟動資料17中對應該第一、二、三、四風扇10、11、12、13的該五個第一啟動時間點依序控制該第一、二、三、四輸出接腳151、152、153、154輸出對應該第一、二、三、四風扇10、11、12、13的該五個第一啟動輸入值的該第一、二、三、四輸出訊號S1、S2、S3、S4，並傳送給對應該第一、二、三、四風扇10、11、12、13。

在一實施例，參閱第5A圖，該儲存器157內儲存有複數第一風扇啟動資料17，該每一第一風扇啟動資料17的輸入電壓值178(如12伏特或10伏特)為不相同，例如第一個第一風扇啟動資料17的輸入電壓值178為如12伏特係對應12伏特的風扇，該第二個第二風扇啟動資料17的輸入電壓值178為如10伏特係對應10伏特的風扇。在另一實施例，參閱第5B圖，該儲存器150內儲存有複數第一風扇啟動資料17，該每一第一風扇啟動資料17內的資料(包含輸入電壓值、第一啟動輸入值及第一啟動時間點)類型皆不相同，其中一第一個風扇啟動資料17的資料類型是以不同佔空比脈寬調變(即不同啟動輸入值)對應不同啟動時間點作動，一第二個風扇啟動資料17的資料類型是則以不同電壓(即不同啟動輸入值)對應不同啟動時間點作動，一第三個風扇啟動資料17的資料類型是則以不同串列字串資料(如不同數位串列字串，即不同啟動輸入值)對應不同啟動時間點作動。

參閱第2、3A、3B、3C圖，該每一風扇(即第一、二、三、四風扇10、11、12、13)設有一風扇控制器101、111、121、131及一與該風扇控制器101、111、121、131連接的風扇儲存器102、112、122、132，該風扇儲存器102、112、122、132內儲存相同於該第一風扇啟動資料17的一第二風扇啟動資料18，該第二風扇啟動資料18包含複數不同的第二啟動時間點、複數不同的第二啟動輸入值及一與對應該輸入電壓值相同的風扇電壓值186，該每一第二啟動時間點對應該每一第二啟動輸入值，該複數第二啟動時間點設有五個第二啟動時間點181a、182a、183a、184a、185a，該五個第二啟動時間點彼此為不相同，該複數第二啟動輸入值設有五個第二啟動輸入值181b、182b、183b、184b、185b，該五個第二啟動輸入值彼此為不相同，且該五個第二啟動時間點係對應該五個第二啟動輸入值，並該第一、二、三、四風扇10、11、12、13係對應自該風扇儲存器102、112、122、132的該五個第二啟動時間點181a、182a、183a、184a、185a與該五個第二啟動輸入值181b、182b、183b、184b、185b。

另外，該控制器150內的每一第一風扇啟動資料17的資料(包含第一啟動輸入值、第一啟動時間點與輸入電壓值)係與對應每一風扇內的第二風扇啟動資料18的資料(包含第二啟動輸入值、第二啟動時間點與風扇電壓值)相互配合且相同，並於本實施例的第一風扇10(第二風扇11、第三風扇12或第四風扇13)的該五個第二啟動時間點(即第一個至第五個第二啟動時間點181a、182a、183a、184a、185a)與該五個第二啟動輸入值(即第一個至第五個第二啟動輸入值181b、182b、183b、184b、185b)係相同於對應第一組(第二組、第三組或第四組)的該五個第一啟動時間點171a、172a、173a、174a、175a與該五個第一啟動輸入值171b、172b、173b、174b、175b，故在此不重新贅述相同處。並該風扇電壓值186為該第二風扇啟動資料18中對應自風扇的電壓值，且在本實施例中該第一、二、三、四風扇10、11、12、13的電壓皆相同。

該風扇控制器101、111、121、131根據對應該輸出訊號自該風扇儲存器102、112、122、132中比對出符合該輸出訊號的該第二風扇啟動資料18，以該第二風扇啟動資料18的該每一第二啟動時間點輸出對應該每一第二啟動輸入值的一驅動訊號控制啟動自該風扇運轉，亦即該第一風扇10(或第二風扇11或第三風扇12或第四風扇13)的風扇控制器101(或111或121或131)根據該第一輸出訊號S1(或第二輸出訊號S2或第三輸出訊號S3或第四輸出訊號S4)自該風扇儲存器101(或111 或121或131)中比對出符合該第一輸出訊號S1(或第二輸出訊號S2或第三輸出訊號S3或第四輸出訊號S4)的第二風扇啟動資料18，令該第一風扇10(或第二風扇11或第三風扇12或第四風扇14)的風扇控制器101(或111或121或131)以該第二風扇啟動資料18的每一第二啟動時間點輸出對應該每一第二啟動輸入值的一第一驅動訊號(或一第二驅動訊號或一第三驅動訊號或一第四驅動訊號)控制啟動自該第一風扇10(或第二風扇11或第三風扇12或第四風扇13)運轉，且得到如圖4所示與第一、二、三、四風扇10、11、12、13分別對應的電源訊號(如第一、二、三、四電流訊號103、113、123、133)及全部風扇的加總電源訊號100，且第一、二、三、四電流訊號103、113、123、133的峰值電流(或稱電流峰值)相錯開。例如該第一風扇10的風扇控制器101根據該第一輸出訊號S1為如25%占空比(duty ratio)的脈寬調變訊號自該風扇儲存器101中比對出符合該第一輸出訊號S1的第二風扇啟動資料18的第二個第二啟動輸入值182a為如25%占空比，令該第一風扇10的風扇控制器101以該第二風扇啟動資料18的第二個第二啟動時間點182a為如0.7秒才輸出對應該第二啟動輸入值為如25%占空比的第一驅動訊號為如25%占空比的脈寬調變(PWM)訊號控制啟動自該第一風扇10運轉，其餘第二、三、四風扇11、12、13依此類推。因此本發明利用分時啟動方式使該第一、二、三、四風扇10、11、12、13可自行判定啟動時間運轉，讓該第一、二、三、四驅動訊號S1、S2、S3、S4的峰值相錯開，以有效達到分時啟動及降低瞬間啟動電流的效果。

此外，藉由本發明風扇控制系統1可讓使用者事先預設定第一、二風扇啟動資料17、18內的資料(如第一、二啟動輸入值、第一、二啟動時間點與輸入電壓值178及與風扇電壓值186)，以建立不同輸出訊號(即第一、二、三、四輸出訊號S1、S2、S3、S4)及不同驅動訊號來定義該複數風扇(即第一至第四風扇10、11、 12、13)取得供電後的初始啟動時間點，讓該複數風扇可自行判定依對應的啟動時間差作動(或運轉)，使全部風扇啟動時的加總電源訊號100是呈一由下向上傾斜延伸的長階梯狀的加總峰值電流(如第4圖)，藉以能分時啟動及有效降低多個風扇啟動的疊加峰值電流，且還有效使該風扇控制系統1整個穩定運作，以及避免誤觸發該風扇控制系統1的過電流保護。

如下舉一實施說明：

當開啟該風扇控制系統1電源時，該控制器150接收到該輸入電壓Vc為如12伏特並於該儲存器157中比對符合該輸入電壓Vc的第一風扇啟動資料17的輸入電壓值178為如12伏特後，該控制器150則讀取出對應前述輸入電壓值178的第一風扇啟動資料17內對應該第一、二、三、四風扇10、11、12、13的該五個第一啟動時間點171a、172a、173a、174a、175a與該五個第一啟動輸入值171b、172b、173b、174b、175b的同時，該控制器150根據四組的該五個第一啟動時間點171b、172b、173b、174b、175b中依序由第一、二、三、四組的五個第一啟動時間點171a、172a、173a、174a、175a控制該第一、二、三、四輸出接腳151、152、153、154輸出對應四組的五個第一啟動輸入值171b、172b、173b、174b、175b的第一、二、三、四輸出訊號S1、S2、S3、S4，令該第一風扇10先接收到對應第一輸出訊號S1為如25%占空比的脈寬調變訊號後，自該風扇儲存器101中比對出符合該第一輸出訊號S1的第二風扇啟動資料18內如第二個第二啟動輸入值182b為25%占空比，此時該第一風扇10的風扇控制器101以該第二個第二啟動時間點182a為如0.7秒才輸出對應該第二個第二啟動輸入值182b為25%占空比的第一驅動訊號(如25%占空比的脈寬調變(PWM)訊號)控制啟動自該第一風扇101運轉後，接著該第二風扇11的風扇控制器111根據自該第二個第二啟動時間點182a晚於該第一風扇10如0.2秒 (即待0.9秒)後輸出該第二驅動訊號(如25%占空比的脈寬調變訊號)控制啟動自該第二風扇11運轉，然後該第三風扇12的風扇控制器121根據自該第二個第二啟動時間點181a晚於該第二風扇11如0.2秒(即待1.1秒)後才輸出該第三驅動訊號(如25%占空比的脈寬調變訊號)控制啟動自該第三風扇運轉，最後該第四風扇13的風扇控制器131根據自該第二個第二啟動時間點181a晚於該第三風扇12如0.2秒(即待1.3秒)後才輸出該第四驅動訊號(如25%占空比的脈寬調變訊號)控制啟動自該第四風扇13運轉，而該第一、二、三、四風扇10、11、12、13的其餘四個第二啟動時間點181a、183a、184a、185a輸出對應其餘四個第二啟動輸入值181b、183b、184b、185b的第一、二、三、四驅動訊號控制啟動自風扇運轉，依此類推。

在一替代實施例，參閱第2、6圖示，該控制器150內的單一第一風扇啟動資料17內的該五個第一啟動時間點與五個第一啟動輸入值係對應複數風扇(如第一、二、三、四風扇10、11、12、13)，且該複數風扇內的第二啟動資料18與對應該控制器150內的第一風扇啟動資料17都是使用相同的，並該控制器150可以根據使用者事先預設定初始送電時該複數輸出接腳輸出該複數輸出訊號的先後順序及每一輸出接腳對應的預設啟動輸入值，例如當開啟該風扇控制系統1電源時，該控制器150控制該第一、二、三、四輸出接腳151、152、153、154依序間隔一時間(如1秒)輸出對應第一預設啟動輸入值為0%占空比、第二預設啟動輸入值172b為25%占空比、第三預設啟動輸入值為50%占空比與第四預設啟動輸入值為75%占空比的第一、二、三、四輸出訊號S1、S2、S3、S4，並依序傳送給對應第一、二、三、四風扇10、11、12、13，令該第一風扇10先接收到對應第一輸出訊號S1為如0%占空比的脈寬調變訊號後，該風扇控制器101輸出經比對符合第一輸出訊號S1的第二風扇啟動資料18內如第一個第二啟動輸入值181b為0%占空比的第一驅動訊號(如0%占空比的脈寬調變訊號)，以控制啟動自該第一風扇10初始運轉(已啟動待運轉)，接著該第二風扇11被自風扇控制器111輸出對應第二個第二啟動輸入值182b為25%占空比的第二驅動訊號(如25%占空比的脈寬調變訊號)控制啟動自該第二風扇11初始運轉，然後該第三風扇12被自風扇控制器121輸出對應第三個第二啟動輸入值183b為50%占空比的第三驅動訊號(如50%占空比的脈寬調變訊號)控制啟動自該第三風扇11初始運轉，最後該第四風扇13被自風扇控制器131輸出對應第四個第二啟動輸入值184b為75%占空比的第四驅動訊號(如75%占空比的脈寬調變訊號)控制啟動自該第四風扇11初始運轉，此時該複數風扇已全部初始運轉後，後續該控制器150根據該第一風扇啟動資料17配合對應該複數風扇的第二風扇啟動資料18依序運轉。

因此，上述各實施例透過本發明此風扇控制系統1的設計，使全部風扇於啟動時的啟動時間點彼此延遲錯開，讓風扇控制系統1的啟動電流可有效降低瞬間疊加的啟動電流，同時可避開系統開關初始未完成導通下的開關，且還可有效避開系統過電流保護及達到風扇控制系統1穩定運作。