CN113407017A - 半导体散热装置的控制方法、半导体散热装置及存储介质 - Google Patents
半导体散热装置的控制方法、半导体散热装置及存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了半导体散热装置的控制方法、半导体散热装置及存储介质，属于散热领域。该方法包括：预设输入占空比和输出占空比曲线，并获取露点温度；获取冷端温度，并将冷端温度与露点温度进行对比，如果冷端温度低于露点温度，则降低半导体制冷片PWM和风扇PWM，如果冷端温度高于露点温度，则获取输入占空比，通过输入占空比和输出占空比曲线关系，得到风扇PWM和半导体制冷片PWM。本发明解决了现有技术中半导体制冷片的冷端容易冷凝结露，风扇噪音大但散热性能不佳，以及风扇与半导体制冷片不能很好的协调工作，进而导致噪音大或者耗能的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体散热领域，具体涉及一种应用于CPU散热的半导体散热装置的控制方法、半导体散热装置及存储介质。
背景技术
在信息社会里，人们对电脑的使用要求越来越高，随着CPU功耗的增加，导致温度不断提升，会产生大量的热，如果不将这些热量及时散发出去，引起电脑运行不稳定，轻则导致死机，重则可能将CPU烧毁。现有的主流散热解决方案是风冷散热和水冷散热，风冷散热器散热效果差，并且噪音较大，水冷散热器散热效果好，但是结构复杂，一旦出现漏液问题会损害CPU且当前两种方案的对CPU的解热能力已经达到一定的技术瓶颈，较难实现解热能力大幅提升，进而不能很好适应较高温度的CPU。
现有技术中也有利用半导体的热电效应，在常规散热器上添加半导体制冷片来增强散热性能，半导体散热装置的半导体制的冷端紧贴发热源，对于热源进行解热。
现有的半导体散热装置的半导体制冷片的冷端紧贴发热源，当半导体制冷片运作时会将冷端温度降至露点温度以下而析出水珠，且水珠易滴落于发热源或发热源附近的元器件而造成电路板的短路，因此难以在CPU或者GPU等发热电子元器件应用。
并且在现有技术中，风扇和半导体制冷片不能根据发热功率自定义风扇转速和半导体制冷片制冷功率来兼顾高散热性能与低噪音或者其他个性化的需求。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体散热装置的控制方法、半导体散热装置及存储介质，其解决了现有技术中半导体制冷片的冷端容易冷凝结露，风扇噪音大但散热性能不佳，以及风扇与半导体制冷片不能很好的协调工作，进而导致噪音大或者耗能的问题。
为了实现上述目的，本发明提供的一种半导体散热装置的控制方法，包括以下步骤：
预设输入占空比和输出占空比曲线，并获取露点温度；
获取冷端温度，并将冷端温度与露点温度进行对比，如果冷端温度低于露点温度，则降低半导体制冷片PWM和风扇PWM，如果冷端温度高于露点温度，则获取输入占空比，通过输入占空比和输出占空比曲线关系，得到风扇PWM和半导体制冷片PWM。
进一步地，输入占空比为采集到的风扇PWM，输出占空比包括风扇PWM和半导体制冷片PWM。
进一步地，输入占空比和输出占空比曲线包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线。
进一步地，包括三种工作模式：模式一、模式二和模式三；
所述模式一下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM；所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式三下的半导体制冷片PWM和风扇PWM。
进一步地，所述模式三下的风扇PWM和半导体制冷片PWM均为100％。
进一步地，输入占空比和输出占空比曲线包括模式一下的输入占空比和输出占空比曲线和模式二下的输入占空比和输出占空比曲线。
更进一步地，通过实时采集环境温度和环境湿度，计算露点温度。
本发明还提供了一种半导体散热装置，包括温湿度采集模块、PWM控制模块和MCU，所述温湿度采集模块和所述PWM控制模块分别与所述MCU相连；
所述温湿度采集模块用于采集冷端温度以及环境温度和湿度，并将采集到的数据发送到MCU；
所述PWM控制模块包括PWM采集模块，数据存储模块和PWM输出模块；所述PWM采集模块用于获取输入占空比；所述数据存储模块用于保存预设的输入占空比和输出占空比曲线；所述PWM输出模块用于控制风扇PWM和半导体制冷片PWM的输出；
所述MCU用于根据所述温湿度采集模块的数据获取露点温度，并且将露点温度与冷端温度进行对比；如果冷端温度低于露点温度，向所述PWM输出模块发送降低半导体制冷片PWM和风扇PWM的指令；如果冷端温度高于露点温度，根据输入占空比和输出占空曲线计算风扇PWM和半导体制冷片PWM，并向所述PWM输出模块发送计算结果。
进一步地，输入占空比为采集到的风扇PWM，输出占空比包括风扇PWM和半导体制冷片PWM。
进一步地，所述输入占空比和输出占空比曲线包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线。
进一步地，还包括按钮，用于在模式一、模式二和模式三的三种工作模式之间切换；
所述模式一下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM；所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式三下的半导体制冷片PWM和风扇PWM。
进一步地，所述模式三下的风扇PWM和半导体制冷片PWM均为100％。
进一步地，输入占空比和输出占空比曲线包括模式一下的输入占空比和输出占空比曲线和模式二下的输入占空比和输出占空比曲线。
进一步地，所述温湿度采集模块还用于实时采集环境温度和环境湿度，所述MCU能够根据环境温度和环境湿度计算露点温度。
更进一步地，还包括风扇和半导体制冷片，所述风扇设置于CPU的侧边，用于向CPU的侧向吹风，并且所述半导体制冷片的冷端设置成吸收CPU散发的热量。
本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现根据上述的半导体散热装置的控制方法的步骤。
本发明提供的一种半导体散热装置的控制方法、半导体散热装置及存储介质，具有如下有益效果：
1、本发明通过控制散热器的功率，将半导体制冷片的冷端温度控制在露点温度之上，使得半导体制冷片的冷端不会结霜结露，保证散热***正常工作和运行。
2、本发明可以实时自动控制散热器的功率，使得散热器噪音低且散热性能满足电子元器件解热要求。
3、本发明设置有三种工作模式，能够为用户提供个性化的选择模式，适用于更多的场景。
附图说明
图1为本发明的半导体散热装置的控制方法的流程图。
图2为本发明的半导体散热装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，一种半导体散热装置的控制方法，其通过控制风扇PWM(Pulse widthmodulation，脉冲宽度调制)和半导体制冷片PWM来控制散热。半导体制冷片利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料(N型半导体材料和P型半导体材料)串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，电偶吸收热量的一端为冷端，电偶放出热量的一端为热端。
本发明的方法具体包括以下步骤：
S1：预设输入占空比和输出占空比曲线，其中输入占空比可以为采集到的风扇PWM，该PWM能够从主板采集到；输出占空比包括风扇PWM和半导体制冷片PWM，因此，该曲线可以包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线。通过上述曲线，可以建立采集到的风扇PWM与实际输出的风扇PWM和半导体制冷片PWM的关系，进而实现半导体散热装置的变频控制。
通常计算机运行时风扇转速会随着CPU的温度变化而变化，当CPU温度升高时，风扇转速增加，当CPU温度降低时，风扇转速降低，称为风扇PWM控制，在BIOS(Basic InputOutput System，基本输入输出***)里可以看到保存的CPU温度-PWM的曲线关系，因此，在本实施方式中，通过采集风扇PWM以及现有的CPU温度-风扇PWM的曲线关系，进而能够得到此时的CPU温度。通过上述方式，可以不用在CPU上设置温度传感器，因为设置温度传感器需要对散热器底部剖沟，对工艺要求过高，提高了成本。
S2：在单位时间实时采集环境温度和环境湿度，计算露点温度。
其中，露点温度的计算公式如下：
其中，T为环境温度，Td为露点温度，T和Td的单位为℃，RH为环境湿度；a＝17.27，b＝237.7℃。
S3：采集散热设备的半导体的冷端温度，并将冷端温度与露点温度进行对比，如果冷端温度低于露点温度，则进行步骤S4，如果冷端温度高于露点温度，则进行步骤S5。
S4：降低半导体制冷片PWM和风扇PWM，使得冷端温度高于露点温度。
S5：获取输入占空比，通过步骤S1中的输入占空比和输出占空比曲线关系进行计算，得到输出占空比，具体地，从主板采集风扇PWM，对照采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线，得到对应的风扇PWM和半导体制冷片PWM，进而控制风扇的转速和半导体制冷片的功率，防止冷端温度低于露点温度。
本发明的实施方式中，PWM采用采集/实际输出的功率与总功率的占空比的形式，例如，风扇PWM为20％是指风扇的功率为风扇总功率的20％。
此外，在本发明的一实施方式中，可以根据用户的选择，包括三种模式：模式一、模式二和模式三。该三种工作模式可以通过按键进行切换，也可以通过上位机的指令进行切换。在这三种模式下，步骤S1中预设的输入占空比和输出占空比曲线并不相同。
模式一：此模式下的输入占空比和输出占空比曲线是在保证风扇可以满足半导体制冷片和CPU的散热需求下，通过实验采集PWM信号而得到的曲线(包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线)。在该曲线下，半导体制冷片输出功率较低，风扇转速较低，牺牲散热性能的前提下实现静音节能的效果。
模式二：此模式下的输入占空比和输出占空比曲线是通过实验获得的最优的曲线(包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线)，在该曲线下，半导体制冷片输出功率适中，风扇转速适中(均高于模式一下的半导体制冷片PWM和风扇PWM)，使得CPU温度维持在一个范围内(不高于环境温度30℃)，噪音较低，散热性能较好。
模式三：此模式下的输入占空比和输出占空比曲线为恒定数值曲线，无论CPU温度是多少，在步骤S5中始终保持风扇PWM和半导体制冷片PWM的输出最高(均高于模式一和模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM)，为全功率模式，即风扇PWM和半导体制冷片PWM均为100％，使得散热性能最好。
在实际使用时，CPU温度可以通过采集风扇PWM并且对照CPU温度-风扇PWM的曲线关系而得出，并且输出占空比可以经过MCU计算出对应的输出PWM，具体分为实际输出的风扇PWM和实际输出的半导体制冷片PWM。
本发明的一实施方式中，步骤S1中预设的输入占空比和输出占空比曲线的示例如下：
在模式一下：
采集到的风扇PWM-实际输出的风扇PWM曲线如下：
其中，x为采集到的风扇PWM，y为实际输出的风扇PWM。
采集到的风扇PWM-实际输出的半导体制冷片PWM曲线如下：
其中，x为采集到的风扇PWM，y为实际输出的半导体制冷片PWM。
因此，在模式一下，通过上述曲线可以实现针对CPU温度的变频自动控制。
在模式二下：
采集到的风扇PWM-实际输出的风扇PWM曲线如下：
其中，x为采集到的风扇PWM，y为实际输出的风扇PWM。
采集到的风扇PWM-实际输出的半导体制冷片PWM曲线如下：
其中，x为采集到的风扇PWM，y为实际输出的半导体制冷片PWM。
因此，在模式二下，通过上述曲线可以实现针对CPU温度的变频自动控制。
在模式三下：
无论采集到的风扇PWM为多少，实际输出的风扇PWM和实际输出的半导体制冷片PWM均为100％，散热性能最好。
本发明的方法通过上述步骤可以实时监控散热设备的露点温度和半导体制冷片的冷端温度，并将露点温度与冷端温度对比，当冷端温度高于露点温度时根据采集的风扇PWM经过MCU计算输出的风扇PWM和半导体制冷片PWM，对风扇的转速和半导体制冷片的功率进行变频控制。
如图2所示，本发明的一实施方式中还提供了一种使用上述方法的半导体散热装置，设置在CPU上，包括风扇100和半导体制冷片200，用于对CPU进行散热。在图2示出的实施方式中，采用2个风扇100和1个半导体制冷片200，其中，风扇100设置于CPU的侧边，用于向CPU的侧向吹风，并且半导体制冷片200的冷端设置成吸收CPU散发的热量，具体地，半导体制冷片的冷端可以通过冷量传导组件与CPU相连接，用于吸收CPU的热量，半导体制冷片的热端与吸热组件相连接，用于将热量散发出去。
该半导体散热装置还包括：设置在PCB板上的供电模块300、温湿度采集模块400、PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)控制模块500和MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)600，供电模块300、温湿度采集模块400和PWM控制模块500分别与MCU600相连。
供电模块300：通过SATA 15pin端口与机箱电源相连接，用于为散热器的PCB板供电。其中，PCB板上还设置有风扇供电端口和半导体制冷片供电端口，用于为风扇和半导体制冷片供电。
温湿度采集模块400：包括1个SHT31温湿度传感器和1个K型热电偶温度传感器，分别用于采集环境温度湿度和半导体制冷片的冷端温度，并将采集到的数据发送到MCU。K型热电偶温度传感器置于半导体制冷片的冷端，用于采集和监测冷端温度；温湿度传感器用于采集环境温度和环境湿度，以计算露点温度。
PWM控制模块500包括PWM采集模501、数据存储模块502和PWM输出模块503，其中，PWM控制模块500与MCU相连。
PWM采集模块501：用于采集输入占空比，即采集风扇PWM。通常计算机运行时风扇转速会随着CPU的温度变化而变化，当CPU温度升高时，风扇转速增加，当CPU温度降低时，风扇转速降低，称为风扇PWM控制，在BIOS(Basic Input Output System，基本输入输出***)里可以看到保存的CPU温度-PWM的曲线关系，因此，通过PWM采集模块201采集风扇PWM信号能够得出此时的CPU温度。
数据存储模块502：采用AT24C02存储芯片，用于保存预设的输入占空比和输出占空比曲线，该曲线为通过实验得到的近似为CPU温度与风扇PWM、半导体制冷片PWM的关系。其中，输入占空比和输出占空比曲线包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线。在本发明的一实施方式中，半导体散热装置包括三种模式：模式一、模式二和模式三。在这三种模式下，数据存储模块502中储存的输入占空比和输出占空比曲线并不相同。
PWM输出模块503：接收MCU的指令，控制风扇PWM和半导体制冷片PWM的输出，进而通过供电模块控制半导体制冷片输出功率和风扇转速。
MCU 600：用于接收温湿度采集模块的数据，计算露点温度，并且将露点温度与K型热电偶温度传感器采集的冷端温度进行对比。当冷端温度低于露点温度时，限制风扇和半导体制冷片输出功率，避免结露的风险；当冷端温度高于露点温度，根据PWM采集模块采集的输入占空比，读取数据存储模块保存的输入占空比和输出占空比进行计算，得到对应的风扇PWM和半导体制冷片PWM，通过PWM输出模块控制风扇的转速和半导体制冷片的功率。
在本发明的一实施方式中，半导体散热装置上还可以在PCB板上设置有按钮700，供用户在模式一、模式二和模式三的三种工作模式之间切换。此外，本发明还可以采用上位机来控制工作模式在模式一、模式二和模式三之间切换。
在本发明的一实施方式中，半导体散热装置上还设置有接口，用于与计算机的主板、上位机等设备相连，可以将采集的信息发送给上位机进行测试和调控等。
基于同样的发明构思，本发明的一实施方式中还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述一实施方式所述的半导体散热装置的控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施方式可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施方式、完全软件实施方式、或结合软件和硬件方面的实施方式的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施方式的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种半导体散热装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
预设输入占空比和输出占空比曲线，并获取露点温度；
获取冷端温度，并将冷端温度与露点温度进行对比，如果冷端温度低于露点温度，则降低半导体制冷片PWM和风扇PWM，如果冷端温度高于露点温度，则获取输入占空比，通过输入占空比和输出占空比曲线关系，得到风扇PWM和半导体制冷片PWM。
2.根据权利要求1所述的半导体散热装置的控制方法，其特征在于，输入占空比为采集到的风扇PWM，输出占空比包括风扇PWM和半导体制冷片PWM。
3.根据权利要求2所述的半导体散热装置的控制方法，其特征在于，输入占空比和输出占空比曲线包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线。
4.根据权利要求1所述的半导体散热装置的控制方法，其特征在于，包括三种工作模式：模式一、模式二和模式三；
所述模式一下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM；所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式三下的半导体制冷片PWM和风扇PWM。
5.根据权利要求4所述的半导体散热装置的控制方法，其特征在于，所述模式三下的风扇PWM和半导体制冷片PWM均为100％。
6.根据权利要求4所述的半导体散热装置的控制方法，其特征在于，输入占空比和输出占空比曲线包括模式一下的输入占空比和输出占空比曲线和模式二下的输入占空比和输出占空比曲线。
7.根据权利要求1所述的半导体散热装置的控制方法，其特征在于，通过实时采集环境温度和环境湿度，计算露点温度。
8.一种半导体散热装置，其特征在于，包括温湿度采集模块、PWM控制模块和MCU，所述温湿度采集模块和所述PWM控制模块分别与所述MCU相连；
所述温湿度采集模块用于采集冷端温度以及环境温度和湿度，并将采集到的数据发送到MCU；
所述PWM控制模块包括PWM采集模块，数据存储模块和PWM输出模块；所述PWM采集模块用于获取输入占空比；所述数据存储模块用于保存预设的输入占空比和输出占空比曲线；所述PWM输出模块用于控制风扇PWM和半导体制冷片PWM的输出；
所述MCU用于根据所述温湿度采集模块的数据获取露点温度，并且将露点温度与冷端温度进行对比；如果冷端温度低于露点温度，向所述PWM输出模块发送降低半导体制冷片PWM和风扇PWM的指令；如果冷端温度高于露点温度，根据输入占空比和输出占空曲线计算风扇PWM和半导体制冷片PWM，并向所述PWM输出模块发送计算结果。
9.根据权利要求8所述的半导体散热装置，其特征在于，输入占空比为采集到的风扇PWM，输出占空比包括风扇PWM和半导体制冷片PWM。
10.根据权利要求9所述的半导体散热装置，其特征在于，所述输入占空比和输出占空比曲线包括采集到的风扇PWM-风扇PWM曲线和采集到的风扇PWM-半导体制冷片PWM曲线。
11.根据权利要求8所述的半导体散热装置，其特征在于，还包括按钮，用于在模式一、模式二和模式三的三种工作模式之间切换；
所述模式一下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM；所述模式二下的半导体制冷片PWM和风扇PWM低于所述模式三下的半导体制冷片PWM和风扇PWM。
12.根据权利要求11所述的半导体散热装置，其特征在于，所述模式三下的风扇PWM和半导体制冷片PWM均为100％。
13.根据权利要求11所述的半导体散热装置，其特征在于，输入占空比和输出占空比曲线包括模式一下的输入占空比和输出占空比曲线和模式二下的输入占空比和输出占空比曲线。
14.根据权利要求8所述的半导体散热装置，其特征在于，所述温湿度采集模块还用于实时采集环境温度和环境湿度，所述MCU能够根据环境温度和环境湿度计算露点温度。
15.根据权利要求8所述的半导体散热装置，其特征在于，还包括风扇和半导体制冷片，所述风扇设置于CPU的侧边，用于向CPU的侧向吹风，并且所述半导体制冷片的冷端设置成吸收CPU散发的热量。
16.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-7中任一项所述的半导体散热装置的控制方法的步骤。
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