TWI430077B - 用於電腦系統的風扇控制系統與方法 - Google Patents

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Description

用於電腦系統的風扇控制系統與方法
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。
然而，習知並未揭示一考慮實際目標裝置運作時之散熱需求，以提供一可接受的升溫範圍下之足夠的冷卻氣流至目標裝置，而同時達到更節能省電的效果。
本發明一方面在於提出一種新的風扇控制系統與方法，其中決定出一可接受的升溫範圍下，而在此溫度範圍內，避免風扇過度運轉，而達成節能省電，也減少風扇所發出的噪音。同時，本發明另一方面在於提出一種新的風扇控制系統與方法，考量更全面的因素，以提供足夠的冷卻氣流至目標裝置(例如CPU)，避免過熱。
根據本發明一實施例，電腦系統包含目標裝置、提供氣流予目標裝置的風扇、以及控制風扇的風扇控制系統。風扇控制系統進一步包含功率感測器以及控制器。功率感測器，偵測目標裝置所消耗的功率。控制器，根據目標裝置所消耗的功率，產生一控制訊號，以控制風扇。此風扇可為利用脈寬調變訊號所控制的風扇。舉例來說，控制器計算出目標裝置所需之建議氣流速度或建議氣流速度相關參數，進而產生控制訊號。
根據本發明另一實施例，用於電腦系統的風扇控制方法包含：偵測電腦系統中目標裝置所消耗的功率；以及至少根據所偵測該功率，產生控制訊號，以控制電腦系統中的風扇，例如啟動或停止風扇的運轉，或是調整風扇的轉速。舉例來說，可計算出目標裝置所需之建議氣流速度參數或建議氣流速度相關參數，進而產生控制訊號。
根據本發明一實施例，電腦系統包含目標裝置、提供氣流予目標裝置的風扇、以及控制風扇的風扇控制系統。風扇控制系統進一步包含環境溫度感測器以及控制器。功率感測器，偵測電腦系統所在之一環境溫度。控制器對應目標裝置決定有一臨限運作溫度，並進一步根據臨限運作溫度與環境溫度之差，控制風扇。
根據本發明另一實施例，用於電腦系統的風扇控制方法包含：偵測電腦系統所在之環境溫度；以及根據對應目標裝置之臨限運作溫度與環境溫度之差，控制電腦系統中的風扇。
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。
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，記憶體106、硬碟108、及風扇110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，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或是在電腦系統中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置。
風扇110較佳為利用脈寬調變(PWM)訊號中工作週期(duty cycle)來控制的風扇，例如Arctic Cooling公司的Freezer風扇，但風扇110亦可為一般的DC風扇，本發明並不欲加以限制。
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。需說明的是，控制器116亦可實施為獨立的控制器。在本實施例中，控制器116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。此外，控制器116亦具有控制訊號輸出埠口，以輸出控制訊號至風扇110，進而控制風扇110的啟動、停止、或是轉速。
舉例來說，當風扇110為脈寬調變風扇時，則控制器116輸出不同工作週期的脈寬調變訊號來控制風扇110。另外，控制器116的記憶體儲存關於控制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。
需說明的是，中央處理器104的臨限運作溫度Tm一般由生產廠商所提供，可為定值或是與中央處理器104消耗功率正相關的函數(又稱熱特性(thermal profile))。若中央處理器104以Intel公司生產的Kentsfield(105W TDP)中央處理器為例，由Intel公司所規定的臨限運作溫度Tm=0.18P+43.3(單位為℃)，其中P為中央處理器所消耗的功率(單位為W)。
以下將進一步說明控制器116如何決定風扇110的轉速。基本上，當中央處理器104所消耗的功率增加，則控制器116增加風扇110的轉速，兩者為正相關，藉此以產生更多的氣流，提升冷卻的效果。而當中央處理器104的臨限運作溫度與環境溫度的差值增加時(例如電腦系統100處於較低溫的環境)，控制器116可減少風扇110的轉速，甚至可以停止風扇110的運轉，藉此可節能省電。
以下進一步說明本發明之較佳實施例。首先，預先確定一標稱狀態。在此實施例中係以一閒置狀態為標稱狀態。電腦系統100所在的環境溫度(即室溫)Te為34.6℃，而環境中空氣的比熱Cp為1005J/kg.K，環境中空氣的密度σ為1.165kg/m3。值得一提的是，空氣的比熱與密度可能會因所在位置的海拔與溫度而有所改變，而控制器116可相應地帶入不同的空氣的比熱與密度。此外，中央處理器104為上述Intel公司生產的Kentsfield(105W TDP)中央處理器，中央處理器其面對風扇氣流的截面積A為0.0034344m2，其臨限運作溫度的函數為Tm=0.18P+43.3(單位為℃)，其中所消耗功率P的單位為W。在該功率P下，若要使該中央處理器104之運作溫度符合廠商提供之臨限運作溫度Tm的要求，則所需之氣流速度(Air flow speed)可依熱力學公式(heat equation)決定，即
P=M*Cp*(Tm-Te)=(σ*ν*A)*Cp*(Tm-Te)
其中，ν為所需之氣流速度，M為質量流率(mass flow rate)。
在此例中，中央處理器104在閒置(IDLE)狀態，控制器116根據功率感測器112所偵測中央處理器104的壓差V與電流I，得出所消耗功率Pidle 為25.08W，因而該中央處理器之臨限運作溫度Tm為47.8℃(即0.18*25.08+43.3)。此時，參照該臨限運作溫度，調整脈寬調變訊號中工作週期來控制的風扇，以符合該中央處理器之熱特性要求。在此例中，工作週期是35%，則運作溫度不會超過該消耗功率下之臨限運作溫度Tm(即47.8℃)。
藉此，控制器116可參照臨限運作溫度，依上述熱力學公式而根據以下方程式得出一閒置狀態之建議氣流速度νidle ，其中α為根據實驗經驗考量所得到之幾何調整參數。
νidle =(Pidle *α)/(Cp*A*σ*(Tm-Te))=25.08α/(1.165*0.0034344*1005*(47.8-34.6))=0.473α
當中央處理器104的功率增加時，例如所消耗的功率P1 為53.91W，則Tm為53℃(即0.18*53.91+43.3)。
藉此，控制器116可根據以下方程式得出一建議氣流速度ν1 ，其中α為相同的幾何調整參數。
ν1 =(P1 *α)/(Cp*A*σ*(Tm-Te))=53.91α/(1.165*0.0034344*1005*(53-34.6))=0.729α
由於不同消耗功率，都有相同幾何調整參數，因而不同消耗功率下之脈寬調變訊號之工作週期可利用外插法(extrapolation)而成比例的相對於閒置狀態之工作週期(35%)作調整。依本發明之一實施例，首先獲得一相對於閒置狀態的一調整倍率F(factor)=ν/νidle 。在此例中，調整倍率F1 計算如下：
F1 =ν1 /νidle =0.729α/0.473α=1.54
接著控制器116將依此調整倍率F1 ，成比例的相對於閒置狀態之對工作週期(35%)作調整，得到此消耗功率下之工作週期。在此例中，相對應的脈寬調變訊號之工作週期為53.9%(即35%*F1 =35%*1.54)，並輸出給風扇110，以控制風扇110的轉速。下表1列出其他消耗功率下的調整倍率利用外插法求得所對應的工作週期。
圖2顯示本發明風扇控制方法之流程圖，並配合圖1說明本發明。在步驟200中，功率偵測器112偵測中央處理器104(或是記憶體106或硬碟108等目標裝置)的電流與壓降，供控制器116計算中央處理器104所消耗的功率。在步驟202中，環境溫度感測器114偵測電腦系統100所在之環境溫度。在步驟204中，決定中央處理器104之臨限運作溫度與環境溫度之差，其中臨限運作運度可為定值或是與功率相關之函數。步驟206中，取得空氣的比熱、密度、中央處理器104面對氣流的截面積。在步驟208中，控制器116根據上述步驟所得到的消耗功率(P)、環境溫度(Te)等資料，獲得上述建議氣流速度ν及調整倍率F，進而決定出相對應脈寬調變(PWM)訊號中的工作週期，並輸出給風扇110。需說明的是，上述建議氣流速度ν的物理單位對本發明之應用並非關鍵，熟此技藝者應可根據將上述的推導，將建議氣流速度ν改變為具有不同物理量的氣流速度相關參數，而仍可推導出相同的調整倍率F。
在以上的實施例中，PWM工作週期，也就是風扇110的轉速與中央處理器104的功率成正相關，但與空氣密度、空氣比熱、中央處理器面對氣流的截面積、臨限運作溫度與環境溫度的差值皆成負相關。而綜合以上各種參數，風扇110可避免過度運轉，而達成節能省電，也減少風扇所發出的噪音，但同時亦能確保中央處理器104不至於過熱而損壞。對於Intel公司生產的中央處理器而言，如Kentsfield(105W TDP)，PWM工作週期可配合中央處理器輸出之PECI(Platform Environment Control Interface)讀數及Tcontrol值，而進一步由實驗結果進行微調。在此例中，當Tcontrol值為(-16)，且在任何中央處理器之消耗功率下，若PWM工作週期減去一偏移量(offset)(例如10)，都不會使PECI讀數超過Tcontrol讀數(即絕對值小於16)。在此情形下，可對任何中央處理器之消耗功率下之PWM工作週期進一步由前述獲得之PWM工作週期中，直接再減去該偏移量，作為輸出至風扇的PWM工作週期，因而能更進一步在容許的工作範圍內達到更節能省電的效果。
如前述中央處理器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。熟此技藝者，可將前述中央處理器104之風扇控制方法實施例應用於記憶體106、硬碟108或是在電腦系統中會產生熱量而需要冷卻的其他目標裝置之對應的風扇。
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；以及
圖2為一種依據本發明一具體實施例之方法流程圖。

Claims (25)

  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，用以提供氣流予該電腦系統中一目標裝置，該風扇控制系統包含：一功率感測器，偵測該目標裝置所消耗的功率；以及一控制器，根據該目標裝置所消耗的功率，產生一控制訊號，以控制該風扇；其中，該風扇之轉速係與該目標裝置之消耗功率呈正相關，而與空氣之密度與比熱、該目標裝置面對風扇氣流之截面積該及一環境溫度與一臨限運作溫度之差值呈負相關；其中，對應該目標裝置所消耗的功率之該風扇之一脈寬調變工作週期係由一相對於一閒置狀態之工作週期的一調整倍率(factor)而被調整，該調整倍率係目前狀態之氣流速度及閒置狀態之氣流速度的商值。
  2. 如請求項1之風扇控制系統，其中該控制器計算出該目標裝置所需之建議氣流速度，進而產生該控制訊號。
  3. 如請求項2之風扇控制系統，更包含：一環境溫度感測器，偵測該電腦系統所在之一環境溫度；其中該控制器進一步根據該環境溫度，控制該風扇。
  4. 如請求項3之風扇控制系統，其中該控制器對應該目標裝置決定一臨限運作溫度，該控制器進一步根據該臨限運作溫度與該環境溫度之差，控制該風扇。
  5. 如請求項4之風扇控制系統，其中該控制器根據該目標裝置所消耗的功率決定該臨限運作溫度。
  6. 如請求項4之風扇控制系統，其中該控制器進一步根據空氣的比熱及/或密度，控制該風扇。
  7. 如請求項1之風扇控制系統，其中該控制訊號為一脈寬調變訊號。
  8. 一種電腦系統，包含：一目標裝置；一風扇，用以提供氣流予該目標裝置；以及一風扇控制系統，包含：一功率感測器，偵測該目標裝置所消耗的功率；以及一控制器，根據該目標裝置所消耗的功率，產生一控制訊號，以控制該風扇；其中，該風扇之轉速係與該目標裝置之消耗功率呈正相關，而與空氣之密度與比熱、該目標裝置面對風扇氣流之截面積該及一環境溫度與一臨限運作溫度之差值呈負相關：其中，對應該目標裝置所消耗的功率之該風扇之一脈寬調變工作週期係由一相對於一閒置狀態之工作週期的一調整倍率(factor)而被調整，該調整倍率係目前狀態之氣流速度及閒置狀態之氣流速度的商值。
  9. 如請求項8之電腦系統，其中該控制器計算出該目標裝置所需之建議氣流速度，進而產生該控制訊號。
  10. 如請求項9之電腦系統，其中該風扇控制系統更包含：一環境溫度感測器，偵測該電腦系統所在之一環境溫度；其中該控制器進一步根據該環境溫度，控制該風扇。
  11. 如請求項10之電腦系統，其中該控制器對應該目標裝置決定一臨限運作溫度，該控制器進一步根據該臨限運作溫度與該環境溫度之差，控制該風扇。
  12. 如請求項11之電腦系統，其中該控制器根據該目標裝置所消耗的功率決定該臨限運作溫度。
  13. 如請求項8之電腦系統，其中該控制訊號為一脈寬調變訊號。
  14. 如請求項8之電腦系統，其中該目標裝置為一中央處理器。
  15. 如請求項8之電腦系統，更包含一基板管理控制器，其中該風扇控制系統之該控制器係整合至該基板管理控制器。
  16. 一種風扇控制方法，用於一電腦系統中，該電腦系統包含一風扇，用以提供氣流予該電腦系統中一目標裝置，該方法包含：偵測該目標裝置所消耗的功率；以及根據該功率，產生一控制訊號，以控制該風扇；其中，該風扇之轉速係與該目標裝置之消耗功率呈正相 關，而與空氣之密度與比熱、該目標裝置面對風扇氣流之截面積該及一環境溫度與一臨限運作溫度之差值呈負相關；其中，對應該目標裝置所消耗的功率之該風扇之一脈寬調變工作週期係由一相對於一閒置狀態之工作週期的一調整倍率(factor)而被調整，該調整倍率係目前狀態之氣流速度及閒置狀態之氣流速度的商值。
  17. 如請求項16之方法，其中控制該風扇之步驟；計算出該目標裝置所需之建議氣流速度。
  18. 如請求項17之方法，更包含；偵測該電腦系統所在之一環境溫度；其中控制該風扇之步驟更包含：進一步根據該環境溫度訊號，控制該風扇。
  19. 如請求項18之方法，其中控制該風扇之步驟更包含：根據對應該目標裝置之一臨限運作溫度與該環境溫度之差，控制該風扇。
  20. 如請求項19之方法，其中控制該風扇之步驟更包含：根據該目標裝置所消耗的功率決定該臨限運作溫度。
  21. 如請求項18之方法，其中控制該風扇之步驟更包含：根據空氣的比熱及/或密度，控制該風扇。
  22. 如請求項18之方法，其中控制該風扇之步驟更包含：根 據該目標裝置面對氣流之截面積，控制該風扇。
  23. 如請求項16之方法，其中該控制訊號為一脈寬調變訊號。
  24. 如請求項16之方法，其中控制該風扇之步驟更包含：調整該風扇的轉速。
  25. 一種電腦系統，包含：一目標裝置；一風扇，用以提供氣流予該目標裝置；以及一風扇控制系統，包含：一環境溫度感測器，偵測該電腦系統所在之一環境溫度；以及一控制器，對應該目標裝置決定一臨限運作溫度，該控制器進一步根據該臨限運作溫度與該環境溫度之差，控制該風扇；其中，該風扇之轉速係與該目標裝置之消耗功率呈正相關，而與空氣之密度與比熱、該目標裝置面對風扇氣流之截面積該及一環境溫度與一臨限運作溫度之差值呈負相關；其中，對應該目標裝置所消耗的功率之該風扇之一脈寬調變工作週期係由一相對於一閒置狀態之工作週期的一調整倍率(factor)而被調整，該調整倍率係目前狀態之氣流速度及閒置狀態之氣流速度的商值。
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