CN111966187A - 一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置及方法，本发明通过在服务器节点内部增加局部温度控制电路的方式，通过NTC热敏电阻或温度传感器检测发热量较大的区域温度，当温度超过了允许范围时，温度控制电路开始工作，用PWM波调节控制通过TEC制冷片的电流，进而通过TEC制冷片来制冷，降低发热板卡的温度，使得发热板卡区域温度控制在安全范围内。由于TEC制冷片放置在发热板卡上方或紧贴放置，不占用节点的内部空间；制冷片的温控线路集成到板卡外壳内，可加强散热并保证保密性；制冷片使用DSP芯片，控制电路简单，避免占用服务器内部的CPLD或BMC资源；通过温度反馈的闭环控制，控制精度高。

Description

一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置及方法

技术领域

本发明涉及服务器散热技术领域，特别是一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置及方法。

背景技术

近年来，在云计算、大数据、物联网等技术的推动下，数据中心产业迎来高速增长时期，整机柜服务器作为BAT等大型互联网企业的专属形态得到了大规模部署，在其他体量极大、拥有自建数据中心的传统企业也广为使用。相比于传统机架和刀片式服务器，其改变了传统服务器的部署和使用方式，可以根据用户的需求来灵活配置硬件平台，带来了更多优势，提高了机柜空间利用率，以机柜为整体单元将供电单元、散热单元和云计算单元池化，减少了辅助模块的空间占用，集中供电和散热的设计提高了电源效率，实现了能耗降低以及高效交付。

传统服务器在散热子系统设计上采用独享设计，单机配置独立风扇进行散热。而SmartRack通过集中散热，将每个服务器节点的散热风扇移除，整合成一个散热风扇墙，布局在整个机柜的后部，48个节点仅需18个风扇，数量减少93％以上，有效提高了散热效率、空间利用率以及电源转化率，大大降低了散热功耗。

随着互联网企业的发展，越来越多的外围设备及功能的添加使得服务器机柜内部的元器件和外插板卡密集程度越来越高，现有的散热方式无法为某些发热量较大的芯片及外插卡留出足够的散热风道或进行单独的散热设计。使用风扇墙统一管理散热的服务器无法针对内部的某一区域进行单独调控，导致了服务器内部出现局部过热的情况。局部过热将会导致板卡性能降低、引发降速降频、高温报警、甚至带来宕机等严重后果，最终可能会导致局部元器件失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置及方法，旨在解决现有技术中服务器内部容易出现局部过热的问题，实现通过温度反馈的闭环控制，提高控制精度。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置，所述装置包括：

TEC制冷片、温度监测组件、功率控制芯片、DSP芯片以及散热器；

温度监测组件监测发热板卡的温度信息，并反馈至DSP芯片；

所述DSP芯片连接功率控制芯片，并根据温度信息通过PWM波调节功率控制芯片的功率输出；

所述功率控制芯片连接TEC制冷片，根据功率输出控制TEC制冷片的电流大小和方向；

所述DSP芯片还连接有散热器风扇。

优选地，所述TEC制冷片的制冷面与发热板卡外壳贴合并压紧，中间涂抹导热硅脂，所述TEC制冷片的发热面与散热器板卡外壳贴合并压紧，中间涂抹导热硅脂。

优选地，所述温度监测组件为NTC热敏电阻或温度传感器。

优选地，所述TEC制冷片通过主板上用于外围板卡供电的连接器供电。

优选地，所述装置还包括双色LED，连接于DSP芯片，当发热板卡的温度过高或调节温度无法正常进行使得TEC制冷片温度过高时，会警示红色，否则正常显示为绿色。

本发明还提供了一种利用所述装置实现的应用于高密度服务器的外插卡散热管理方法，所述方法包括以下操作：

通过温度传感器监测发热板卡的实时温度，DSP芯片计算实时温度与参考温度的实时温度差；

当实时温度差不大于参考温度差阈值时，读取增量式PID控制器的输出值，并将输出值线性映射到PWM占空比，或者控制温控电路不工作；

当实时温度差大于参考温度差阈值时，输出的PWM占空比为1，功率控制芯片以全功率方式工作，并得到下一个周期的PWM占空比；

TEC制冷片根据功率大小设定输入电流大小和方向，对发热板卡进行散热。

优选地，所述DSP芯片上电初期进行初始化设置，包括PWM周期、参考温度、参考温度差阈值以及PID控制器系数。

优选地，所述增量式PID控制器的公式为：

ΔP_d＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中，K_p、K_I、K_D分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为功率误差。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明通过在服务器节点内部增加局部温度控制电路的方式，通过NTC热敏电阻或温度传感器检测发热量较大的区域温度，当温度超过了允许范围时，温度控制电路开始工作，用PWM波调节控制通过TEC制冷片的电流，进而通过TEC制冷片来制冷，降低发热板卡的温度，使得发热板卡区域温度控制在安全范围内。由于TEC制冷片放置在发热板卡上方或紧贴放置，不占用节点的内部空间；制冷片的温控线路集成到板卡外壳内，可加强散热并保证保密性；制冷片使用DSP芯片，控制电路简单，避免占用服务器内部的CPLD或BMC资源；通过温度反馈的闭环控制，控制精度高。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的散热结构示意图；

图2为本发明实施例中所提供的应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置工作示意图；

图3为本发明实施例中所提供的应用于高密度服务器的外插卡散热管理方法流程图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置及方法进行详细说明。

如图1-2所示，本发明公开了一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置，所述装置包括：

TEC制冷片、温度监测组件、功率控制芯片、DSP芯片以及散热器；

温度监测组件监测发热板卡的温度信息，并反馈至DSP芯片；

所述DSP芯片连接功率控制芯片，并根据温度信息通过PWM波调节功率控制芯片的功率输出；

所述功率控制芯片连接TEC制冷片，根据功率输出控制TEC制冷片的电流大小和方向；

所述DSP芯片还连接有散热器风扇。

将TEC制冷片的制冷面与发热板卡外壳贴合并压紧，中间涂抹导热硅脂，并将TEC制冷片的发热面与散热器板卡外壳贴合并压紧，中间涂抹导热硅脂。

在装有TEC制冷片的板卡上安装NTC热敏电阻或者温度传感器，为了获得最佳的整体稳定性，将热敏电阻或温度传感器靠近TEC制冷片放置，或使用TEC内部集成的温度传感器，来反馈TEC制冷片的温度信息，也可将温控线路集成到发热板卡的外壳内，并紧贴保密板卡芯片上方。另外，温度信息反馈电路至少要有两路，才能保证其中一条反馈电路失效，可从另一条反馈电路中获取信息。

TEC制冷片通过主板原来用于外围板卡供电的连接器供电，DSP芯片上电初期进行初始化设置，包括PWM周期、参考温度、参考温度差阈值以及PID控制器系数。

在DSP芯片上电启动后，通过DSP芯片检测到的温度信息和设定的参考温度值计算温度差，根据温度差的大小，利用增量式PID控制器计算出PWM，用PWM波调节功率控制芯片，功率控制芯片输出一定的电流给TEC制冷片，当TEC制冷片流过固定方向的电流时，其制冷面开始制冷，发热面开始发热，其制冷量与电流大小成正比。制冷面将降低发热板卡的温度，发热面会将热量传递到板卡外壳或散热器，用于将产生的热量排出机箱。

另外在板卡上还设置有双色LED，通过DSP驱动，当发热板卡的温度过高或调节温度无法正常进行使得TEC制冷片温度过高时，会警示红色，否则正常显示为绿色。

本发明实施例通过在服务器节点内部增加局部温度控制电路的方式，通过NTC热敏电阻或温度传感器检测发热量较大的区域温度，当温度超过了允许范围时，温度控制电路开始工作，用PWM波调节控制通过TEC制冷片的电流，进而通过TEC制冷片来制冷，降低发热板卡的温度，使得发热板卡区域温度控制在安全范围内。由于TEC制冷片放置在发热板卡上方或紧贴放置，不占用节点的内部空间；制冷片的温控线路集成到板卡外壳内，可加强散热并保证保密性；制冷片使用DSP芯片，控制电路简单，避免占用服务器内部的CPLD或BMC资源；通过温度反馈的闭环控制，控制精度高。

如图3所示，本发明实施例还公开了一种利用所述装置实现的应用于高密度服务器的外插卡散热管理方法，所述方法包括以下操作：

通过温度传感器监测发热板卡的实时温度，并计算实时温度与参考温度的实时温度差；

当实时温度差不大于参考温度差阈值时，读取增量式PID控制器的输出值，并将输出值线性映射到PWM占空比，或者控制温控电路不工作；

当实时温度差大于参考温度差阈值时，输出的PWM占空比为1，功率控制芯片以全功率方式工作，并得到下一个周期的PWM占空比；

TEC制冷片根据功率大小设定输入电流大小和方向，对发热板卡进行散热。

当发热板卡的温度和参考温度的温度差不大于参考温度差阈值时，整个温度控制电路不工作或根据PID控制器的输出值方式进行工作，当发热板卡的温度和参考温度的温度差大于阈值时，温度控制电路以全功率方式工作。通过TEC制冷片工作制冷，降低板卡的温度，直至发热板卡的区域温度在安全范围内。

DSP芯片上电初期进行初始化设置，包括PWM周期、参考温度、参考温度差阈值以及PID控制器系数。

DSP芯片上电启动后，等待一个PWM周期，读取DSP芯片预先设置的参考温度差阈值，通过DSP芯片读取实时温度，计算实时温度与参考温度的实时温度差，并将实时温度差与参考温度差阈值进行对比。

当实时温度差不大于参考温度差阈值时，读取增量式PID控制器的输出值，并将输出值线性映射到PWM占空比，或者控制温控电路不工作。

所述增量式PID控制器的公式为：

ΔP_d＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中，K_p、K_I、K_D分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为功率误差。其中比例项可以使得功率误差迅速做出反应，积分项可以使功率控制芯片的功率达到设定功率，消除功率的静差，微分项根据误差率预测下个周期的输出情况，可提高系统动态响应的速度。

当实时温度差大于参考温度差阈值时，输出的PWM占空比为1，功率控制芯片以全功率方式工作，并得到下一个周期的PWM占空比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置，其特征在于，所述装置包括：

TEC制冷片、温度监测组件、功率控制芯片、DSP芯片以及散热器；

温度监测组件监测发热板卡的温度信息，并反馈至DSP芯片；

所述DSP芯片连接功率控制芯片，并根据温度信息通过PWM波调节功率控制芯片的功率输出；

所述功率控制芯片连接TEC制冷片，根据功率输出控制TEC制冷片的电流大小和方向；

所述DSP芯片还连接有散热器风扇。

2.根据权利要求1所述的一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置，其特征在于，所述TEC制冷片的制冷面与发热板卡外壳贴合并压紧，中间涂抹导热硅脂，所述TEC制冷片的发热面与散热器板卡外壳贴合并压紧，中间涂抹导热硅脂。

3.根据权利要求1所述的一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置，其特征在于，所述温度监测组件为NTC热敏电阻或温度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置，其特征在于，所述TEC制冷片通过主板上用于外围板卡供电的连接器供电。

5.根据权利要求1所述的一种应用于高密度服务器的外插卡散热管理装置，其特征在于，所述装置还包括双色LED，连接于DSP芯片，当发热板卡的温度过高或调节温度无法正常进行使得TEC制冷片温度过高时，会警示红色，否则正常显示为绿色。

6.一种利用权利要求1-5任意一项所述装置实现的应用于高密度服务器的外插卡散热管理方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：

通过温度传感器监测发热板卡的实时温度，DSP芯片计算实时温度与参考温度的实时温度差；

当实时温度差不大于参考温度差阈值时，读取增量式PID控制器的输出值，并将输出值线性映射到PWM占空比，或者控制温控电路不工作；

当实时温度差大于参考温度差阈值时，输出的PWM占空比为1，功率控制芯片以全功率方式工作，并得到下一个周期的PWM占空比；

TEC制冷片根据功率大小设定输入电流大小和方向，对发热板卡进行散热。

7.根据权利要求6所述的应用于高密度服务器的外插卡散热管理方法，其特征在于，所述DSP芯片上电初期进行初始化设置，包括PWM周期、参考温度、参考温度差阈值以及PID控制器系数。

8.根据权利要求6所述的应用于高密度服务器的外插卡散热管理方法，其特征在于，所述增量式PID控制器的公式为：

ΔP_d＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中，K_p、K_I、K_D分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为功率误差。

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