專利名稱：熱預(yù)測管理模型的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2005年10月11日提交的美國臨時申請?zhí)?0/725,983的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時申請在此并入作為參考。
本申請涉及Kent Kernahan于2002年11月14日提交的題目為“Switching Power Converter”的美國專利申請序列號10/295,514，于2005年5月5日發(fā)布的、題目為“Method For Computing An Amount Of EnergyTaken From A Battery”的現(xiàn)美國專利號6,891,355，其在此全文并入作為參考。
背景 期望既知道電子系統(tǒng)所有元件的溫度，又知道溫度的變化率以及當目前的功率條件繼續(xù)時元件將達到的最終溫度。例如，考慮一個電路板，所述電路板包括CPU、RAM和硬盤驅(qū)動器。這些元件中的每一個在操作時都產(chǎn)生熱，且此熱量分別影響它們中的每一個。自每個元件輻射或傳導(dǎo)的熱能夠影響其他組件。如果不期望的情況看來有可能出現(xiàn)，則期望電子地確定每個組件產(chǎn)生的熱量，以準許提前應(yīng)對。


發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，確定了被傳送到耗能元件的功率。根據(jù)熱力學第二定律，傳送到那些元件上的功率最終將作為熱被消散。本發(fā)明提供了一種控制元件中的熱消散的系統(tǒng)。



圖1是一種熱力學系統(tǒng)的電的表示，所述熱力學系統(tǒng)包括CPU、RAM和磁盤驅(qū)動器。
圖2A-2D表明了以電壓表示的溫度，所述溫度作為提供給圖1所示的模塊的功率的函數(shù)。
圖3是代表適用于最終溫度分析的通用熱力學系統(tǒng)的熱電路(thermalcircuit)。
圖4是代表適用于熱力學溫度分析的通用熱力學系統(tǒng)的熱電路。
圖5是表示特定熱力學系統(tǒng)的熱電路，所述特定熱力學系統(tǒng)包括3個功耗節(jié)點、2個溫度傳感器和用于組件的熱質(zhì)量(thermal mass)。
圖6是代表圖5中顯示的系統(tǒng)500的模塊圖。
圖7是表示本發(fā)明一種實施方式的操作的流程圖。
圖8是圖6中顯示的PTMC 601的實施方式的功能模塊圖。

具體實施例方式 傳送到計算機中的任何系統(tǒng)的大部分功率最終將作為熱被消散。輸入功率中的相對較小的部分被轉(zhuǎn)換為信號或噪聲，通過顯示器、電纜、射頻發(fā)射器等從系統(tǒng)中傳導(dǎo)或輻射出去。從熱的角度考察計算機或其他的電子系統(tǒng)中的不同元件之間的相互關(guān)系，那些元件中的每一個，諸如CPU、RAM、和磁盤驅(qū)動器，將其自身與某種熱質(zhì)量相聯(lián)系，所述熱質(zhì)量由電子設(shè)備本身和電路板的一部分、以及其直接連接的相關(guān)組件組成。每個組件還具有熱阻，所述熱阻與流向每個其他組件和電子系統(tǒng)外殼的熱量相關(guān)聯(lián)。通過計算由耦合元件之間的熱量的各個路徑和元件消耗的功率，可列出一組聯(lián)立方程式，以預(yù)測電子系統(tǒng)中每個元件的溫度。任何分立元件的溫度通過方程中的項被描述，所述項為該元件消耗的功率、該元件與其他元件間熱流動的阻抗、以及該元件與它的環(huán)境間熱流動的阻抗。例如，用以計算包含CPU、RAM和磁盤驅(qū)動器的計算機系統(tǒng)中CPU溫度的方程式的一種形式為APC+BPR+CPD＝TC，其中A、B和C是常量，且PC、PR和PD分別代表CPU、RAM和磁盤驅(qū)動器消耗的功率，且TC是所述CPU的溫度。通過為每個元件擬一個方程式，其中所述常量(上述A、B和C)代表熱阻，并繼而將聯(lián)立方程式系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為矩陣形式，可見對于所述電子系統(tǒng)中存在的任何數(shù)目的元件，最終的系數(shù)矩陣將是方矩陣。如果其他元件被添加，例如圖形控制器，則仍將有如未知溫度同樣多的方程式要被求解，且所述矩陣將是確定的。在一種實施方式中提供了冷卻裝置，例如風扇、熱管、珀爾帖連接(a Peltier junction)設(shè)備、以及類似物，其中所述冷卻裝置與給定元件相關(guān)聯(lián)。設(shè)計者確定所述元件的熱阻為所述冷卻裝置的利用系數(shù)的函數(shù)。根據(jù)所述冷卻裝置的使用和預(yù)定的熱阻參數(shù)來調(diào)整計算中使用的元件的熱阻的值。就本說明的目的，熱阻表示對從一個元件到其他元件的熱流的阻抗。
通過添加更多細節(jié)給所述的熱模型，例如每個元件的熱質(zhì)量，有可能不僅估算出最終的或穩(wěn)態(tài)的溫度，而且估算出作為時間的函數(shù)的響應(yīng)于功率消耗變化的溫度。所述熱質(zhì)量是材料比熱與該材料質(zhì)量的乘積。熱質(zhì)量也稱熱量容量(caloric capacity)或熱容量(heat capacity)。元件熱質(zhì)量的數(shù)值可以由該元件的制造商提供，或由系統(tǒng)設(shè)計者通過實驗觀察提供。與單功率轉(zhuǎn)換電路一起，使用單環(huán)境溫度傳感器，有可能確定那些元件的溫度、那些元件溫度的變化率以及它們將達到的最終溫度，其中所述的單功率轉(zhuǎn)換電路有能力同時驅(qū)動多個功率軌(power rail)并測量每個功率軌中的功率流，所述的單環(huán)境溫度傳感器感測含有CPU、RAM和磁盤驅(qū)動器的產(chǎn)品的殼外(outside case)溫度。提供這些信息給操作系統(tǒng)，以準許甚精細的熱量管理。例如，如果多個應(yīng)用軟件試圖同時執(zhí)行，在磁盤驅(qū)動器和RAM間來回的數(shù)據(jù)交換可能導(dǎo)致磁盤驅(qū)動器非常高的功率消耗。如果為該磁盤驅(qū)動器設(shè)立的功率消耗極限被超過，或預(yù)測將如此，則所述操作系統(tǒng)能夠控制向磁盤驅(qū)動器存取應(yīng)用程序，以減少驅(qū)動器活動并降低計算機內(nèi)部的溫度，而不必降低計算機性能。類似地，如果發(fā)現(xiàn)CPU過熱，則可以有能應(yīng)用于它的冷卻策略，或它的使用可以被減少。如果確定RAM是正在接近它的最大允許溫度的元件，也有可以應(yīng)用的策略。通過提供每個元件目前溫度和預(yù)測溫度的估算值給操作系統(tǒng)，可以采取主動措施以避免高熱情況。例如，眾所周知地，基于半導(dǎo)體的設(shè)備，特別是基于半導(dǎo)體的數(shù)字設(shè)備，需要較高操作電壓以在較高溫度下操作于相同速度。相應(yīng)地，通過擁有關(guān)于目前溫度和預(yù)測溫度的實時信息，電壓軌可以被功率轉(zhuǎn)換電路管理，以產(chǎn)生與所需性能一致的最低可能電壓。
在一種實施方式中，提供了一種功率轉(zhuǎn)換與管理集成電路，該電路將電能例如從一個或更多電池轉(zhuǎn)換至多個輸出電源軌，所述多個電源軌提供不同的電壓和不同的功率。所述的功率轉(zhuǎn)換與管理集成電路也測量從電池中汲取的功率和供應(yīng)給其他元件的功率，估算電池剩余的壽命，并在剩余功率的不同閾值處控制負載的關(guān)閉。另外，所述的功率信息能夠與產(chǎn)品的矩陣模型結(jié)合而使用，所述的產(chǎn)品是包含此功率轉(zhuǎn)換與管理集成電路，以測量并報告以及管理所有元件的熱特性。例如，通過知曉系統(tǒng)中每個元件的熱極限和熱質(zhì)量，就可能確定元件還有多快即將超過溫度極限，以及如果對于應(yīng)用是適宜的，確定降低該元件的功率，或降低供應(yīng)給其他元件的功率，以避免它們有助于封裝內(nèi)部的發(fā)熱，從而允許所述元件運行得更快且更長久。
所述CPU可以用來做出關(guān)于系統(tǒng)操作將根據(jù)熱預(yù)測如何被調(diào)整的決定。磁盤驅(qū)動器的控制是一實例。現(xiàn)代操作系統(tǒng)利用CPU內(nèi)部的幾層高速緩沖存儲器和CPU外部的其他存儲器，以最小化磁盤驅(qū)動器的活動，并執(zhí)行其它功能。更特別地，如果有多個應(yīng)用軟件同時運行，則他們競爭系統(tǒng)資源，且所述操作系統(tǒng)將那些應(yīng)用程序來回傳遞(page)給硬盤驅(qū)動器。許多資源要求的同時出現(xiàn)可以導(dǎo)致磁盤驅(qū)動器活動的驚人增加。如果操作系統(tǒng)從熱管理系統(tǒng)處收到關(guān)于磁盤驅(qū)動器以當前速度繼續(xù)運行一段所考慮的時間就將違反該磁盤驅(qū)動器的溫度極限的信息，則所述操作系統(tǒng)可以改變待決任務(wù)的優(yōu)先級，那么磁盤就被較低頻次地訪問。例如，低優(yōu)先級的任務(wù)可以被稍低頻次地服務(wù)?？蛇x地，所述操作系統(tǒng)可以暫停(suspend)某些應(yīng)用程序，直至溫度有所降低或高優(yōu)先級的活動有所平息。這允許所述操作系統(tǒng)以有計劃的、逐步的方式控制熱負載的減少，直至僅剩的活動是基本的OS例行程序為止。如果所述計算機正運行于熱環(huán)境中，且確定了熱極限將被超過，那么控制系統(tǒng)可以減少CPU活動以減緩該機器的總體性能。從用戶觀點來看，這在CPU溫度逼近熱極限時，提供了一種適度的性能減緩。
傳統(tǒng)的設(shè)計方法使用溫度測量，所述溫度測量在對硬件元件、應(yīng)用軟件和周圍溫度的組合測試期間進行，以估算系統(tǒng)為生存而必須被設(shè)計的最壞情形的熱條件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到測試適當?shù)呐帕袛?shù)以確信地預(yù)測真正的最壞情形條件的難度，故在系統(tǒng)說明書中，經(jīng)常提供一個額外的溫度余量。與傳統(tǒng)方法相比，目前的實施方式允許設(shè)計一個更窄的熱限制范圍，產(chǎn)生更小的產(chǎn)品，并提供用戶選擇溫度極限的可能。例如，在一些產(chǎn)品中，工業(yè)標準允許60℃的表面溫度，但一些用戶可能寧愿通過選擇性地降低系統(tǒng)中一些元件的性能，以指示產(chǎn)品降低其表面溫度。因此，用戶將可以選擇不同于系統(tǒng)設(shè)計者所選擇的熱極限。
在產(chǎn)品設(shè)計時，所有不同元件的熱質(zhì)量和元件對外界之間的熱阻是已知的。那些數(shù)據(jù)是產(chǎn)品機械設(shè)計的自然(physical)結(jié)果。然而所未知的是在不同操作環(huán)境中將被消耗的功率。例如，如果產(chǎn)品的總體溫度非常冷，半導(dǎo)體器件可以制成為在冷環(huán)境下汲取較小的功率，并可以被操作于較低的電壓。類似地，RAM器件在低溫下消耗的功率可以低于高溫操作時消耗的功率，高溫操作時需要更高的電壓以正常運行，且操作于相同的性能水平時，高溫操作要消耗更多功率。因計算機制造商從不同制造商處購買組件，且一些RAM更加高效，故功率使用測量是重要的。低功率下的存取時間與凈帶寬是可實現(xiàn)的。相應(yīng)地，當制造商安裝更高效的RAM時，通過測量由方程式得出的功率，所述更高效的RAM將被測出消耗較小的功率，并因此在產(chǎn)生高熱結(jié)果前，所述更高效的RAM將可以操作于較高活動級別，且根據(jù)本發(fā)明的熱管理系統(tǒng)可以用于動態(tài)地使系統(tǒng)適應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，在一種實施方式中，熱管理是由功率轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行的。這可以通過使用一種系統(tǒng)的部分得以實現(xiàn)，所述的系統(tǒng)在2005年5月10日授予Kent Kernahan的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6,891,355中公開，其通過引用被全文并入。本發(fā)明使用了在上述引用的’355專利中公開的系統(tǒng)的3個主要模塊的特征利用。一個模塊是數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量輸出電壓和輸出電壓變化率，并繼而提供該信息給調(diào)節(jié)引擎(regulation engine)。關(guān)于電壓和時間信息及其具有的實際組件的模型，所述調(diào)節(jié)引擎實時使用微積分算法(calculus)來控制輸出電壓，估算傳輸給輸出電路的負荷量，并以該信息調(diào)節(jié)電壓、電流、斜波信號(ramp)，以及處理超負荷情形。
用于本發(fā)明的所述’355專利中的第三模塊是系統(tǒng)模塊。該系統(tǒng)模塊包含8051型微控制器、RAM、和ROM，運行程序并執(zhí)行總體管理諸如功率管理，以及響應(yīng)于收到命令或響應(yīng)于外界情況的測量而開關(guān)其它元件。實例包括不足以運行特定輸出的電池壽命、過低而不能運行特定通道的電壓、各種故障情況、過電流限制、或諸如可能致使所述系統(tǒng)模塊關(guān)閉其他元件的監(jiān)控器超時的錯誤情況。另外，所述系統(tǒng)模塊也從所述調(diào)節(jié)引擎獲取原始信息，并轉(zhuǎn)化所述原始信息以執(zhí)行任務(wù)。一個典型的任務(wù)是電池充電算法或最新的電池充電算法，在電池充電算法中，調(diào)節(jié)穩(wěn)恒電流一段時間并繼而調(diào)節(jié)穩(wěn)恒電壓，在最新的電池充電算法中，電壓變化率用于確定充電速率，以提供一個恒定的充電速率。使用’355專利的信息與特征，連同所述產(chǎn)品的諸如估算的或測量的即時溫度的熱特征的矩陣一起，溫度變化速率以及對最終或穩(wěn)態(tài)溫度的預(yù)測是可以確定的。系統(tǒng)模塊在高層與操作系統(tǒng)相互作用，并報告此信息以實現(xiàn)這些元件的熱參數(shù)的管理。例如，在一種實施方式中，所述熱管理系統(tǒng)報告溫度信息給操作系統(tǒng)，且如果溫度預(yù)計在預(yù)編程的時間段內(nèi)超過極限或預(yù)計超過極限達一段預(yù)編程的時間，則該熱管理系統(tǒng)被程序化為自主卸載負載以便保護產(chǎn)品。在一種實施方式中，所述功率/熱管理電路在磁盤驅(qū)動器的控制線上維持一個等待命令，以使該磁盤驅(qū)動器只要在預(yù)計要超過它的操作溫度極限時就看上去繁忙，從而降低系統(tǒng)性能?？蛇x地，CPU可以被指定在一個或更多周期內(nèi)什么都不做。在一種實施方式中，所述功率/熱管理電路提供信息給外部主機。該主機指令對所述功率/熱管理電路采取行動。
系統(tǒng)詳細說明 雖然本發(fā)明可應(yīng)用于計算機系統(tǒng)之外的其他系統(tǒng)，但為了本發(fā)明的說明目的，描述了包括作為主要產(chǎn)熱者的磁盤驅(qū)動器(DISK)和CPU、RAM的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)在圖1中從電氣觀點表明?？疾靾D1，以電氣形式表示的CPU顯示于標有參考字符101的虛線框中。類似地，所述系統(tǒng)的RAM部分被標注為102的虛線框顯示，且所述DISK部分被標有103的虛線框表明。所述CPU、RAM和DISK的組合系統(tǒng)被電氣地表現(xiàn)于由參考字符104指明的框中。
熱力學系統(tǒng)可以通過在元件間設(shè)置等效物而建模為電氣網(wǎng)絡(luò)。在用于精確的且局部化的動態(tài)熱管理的熱RC建模和控制-理論技術(shù)中，Skadron等人將在熱學量與電學量之間常用的等效量列成表格，如表1中所示。
表1 用表1中顯示的熱-電關(guān)系，可以建構(gòu)模擬熱力學系統(tǒng)工況的電路。這樣的電路顯示于圖1，代表了膝上型或掌上型計算機中的一些主要的子系統(tǒng)。由參考字符101-1指示的獨立電流源ICPU、由參考字符102-1指示的獨立電流源IRAM、和由參考字符103-1指示的獨立電流源IDISK分別代表著在模塊CPU、RAM和磁盤驅(qū)動器的每個中產(chǎn)生的熱功率。電容器CCPU、CRAM和CDISK是所述模塊的熱質(zhì)量的類似物。在圖1的實例中，CPU具有RAM的熱質(zhì)量的兩倍以及磁盤驅(qū)動器的熱質(zhì)量的十分之一。所述磁盤驅(qū)動器因此將比其他模塊發(fā)熱和冷卻得更慢。電阻器RC、RR和RD是到周圍環(huán)境的熱通道。
除了由電流項IC、IR、和ID的自發(fā)熱，以及通過阻抗到環(huán)境的冷卻或加熱外，每個模塊傳輸熱能給周圍較冷的模塊，并從較熱的模塊吸收熱。模塊間的熱傳遞被表示為(i)由參考字符105、106和107指示的壓控電流源，所述電流源的輸出電流是其控制輸入端的電壓差(兩個模塊間的電壓差)的函數(shù)，和(ii)在那些模塊間輸送電流的電阻器R3、R4和R5。這就是熱流等效物，所述熱流的大小和方向取決于模塊間的溫度差。壓控電流源105、106和107用于使自發(fā)熱項與涉及到其它模塊的熱傳遞的項隔離。即，模塊中消耗的功率直接加熱該模塊，并間接加熱周圍的模塊。所述電阻器代表模塊間的熱阻。
電路104包括3個串連的壓控電流源，將跨接在所述模塊上的電壓電氣地相加。因為所述電路中的電壓對應(yīng)于被建模的系統(tǒng)中的溫度，所以電壓VCPU、VRAM、和VDISK代表所述CPU、RAM、和磁盤驅(qū)動器的溫度，且VSYSTEM是整個系統(tǒng)的溫度。
參考圖2A-2D，電壓VCPU、VRAM、和VDISK顯示為功率首先分別施加于所述3個模塊、然后再組合施加于所述3個模塊。本例中，1伏特電壓對應(yīng)于所述系統(tǒng)的最大允許溫度。
圖2A中，自時間0處開始，CPU是唯一被供電的模塊。它的相對小的熱質(zhì)量導(dǎo)致了當供電時相對迅速的溫度升高，且類似地當斷電時迅捷地冷卻。雖然其它模塊沒有被供電，但它們從所述CPU吸收一些熱。這通過當僅有所述CPU正在運行時，在圖2B和2C中它們各自的曲線上呈現(xiàn)的非零電壓而被顯示。
類似地，當所述其它模塊被單獨供電時，它們的溫度迅速上升，且未活動的模塊吸收熱并顯示一個小的溫升。例如，圖2B中，當僅有RAM被供電大約30秒時，它的溫度迅速升高，并傳遞熱給其他模塊。磁盤驅(qū)動器具有大得多的熱質(zhì)量，故所述磁盤驅(qū)動器看起來比其它模塊加熱更慢。
圖2A、2B、2C和2D表明了通過控制產(chǎn)熱組件的操作，系統(tǒng)如何被維持運轉(zhuǎn)并處于可接受的熱極限內(nèi)。例如，在大約70秒時間點處，所述RAM和CPU同時接通電源，通過運行于比單獨通電時更低的功率，分享熱預(yù)算。當功率在80秒時間點被施加于磁盤驅(qū)動器時，給RAM的功率被降低，以適應(yīng)磁盤驅(qū)動器即將產(chǎn)生的熱。假設(shè)控制分配給每個模塊的功率的算法被提供了所有相關(guān)的系數(shù)，那么如果RAM的功率軌上的電壓可以被逐漸地降低，則通過以與磁盤驅(qū)動器的溫度升高速率相同的速率降低所述電壓，最佳的系統(tǒng)性能就可以被實現(xiàn)。在90秒處，磁盤驅(qū)動器開始消耗更多功率(以更快的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)旋轉(zhuǎn)、每秒讀寫更多數(shù)據(jù)等)，故CPU的功率被降低。如前，此種降低可以被逐漸地實施以維持性能的最高水平。
使用熱性能的電模擬，可能確定每個產(chǎn)熱元件的溫度變化率。下面的典型方程式描述了圖1中表明的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括作為產(chǎn)熱元件的CPU、RAM和DISK。尤其為了確定作為時間的函數(shù)的CPU溫度的變化率，如下的公式是可適用的 類似地，RAM的溫度變化率可以被表示為 以相似的方式，與系統(tǒng)其他元件結(jié)合關(guān)于時間的磁盤的溫度變化率可以表示為 在上述每個方程式中，第一項代表元件的自身發(fā)熱，且第二項代表熱的減少，其是向周圍空氣以及電路板或機殼的熱損失的函數(shù)。第三項及后續(xù)各項代表來自于其他元件的熱增加?？梢岳斫?，需要額外的方程式來確定任何加入系統(tǒng)的新熱源的溫度變化率，且向每個方程式加入新項，以代表從所述新源向其他每個元件的熱貢獻。
如從上述公式中可以理解的，對于整個系統(tǒng)的溫度變化率是對于各個方程式的計算的每個結(jié)果的總和 為了達到熱平衡，每個組件必須向環(huán)境傳遞熱。圖1中的系統(tǒng)的三個元件中的每個的關(guān)系由以下方程式5、6和7指示 在前面的描述中，所述系統(tǒng)包括CPU、RAM和DISK，然而目前的實施方式可應(yīng)用于包含多個熱源的系統(tǒng)中，在多個熱源之間，對于一個源有充分的熱耦合，以影響另一個源的溫度。
圖3是典型通用系統(tǒng)300的示意圖，所述的系統(tǒng)300包括由N1、N2、N3......Nm指示的‘m’個熱消散源，以及由參考符號S1、S2......SK指示的‘k’個溫度傳感器。系統(tǒng)元件之間的熱阻由電阻符號R1至R15指示。如圖3中所顯示，在每對熱耦合的功率消耗源Ni的成員間有熱阻，每個功率源Ni與每個溫度傳感器S1、S2、、......SK間有熱阻，且從每個源Ni到周圍空氣節(jié)點A有熱阻，所述空氣節(jié)點A的溫度在圖中用TA標記。熱阻也存在于每對溫度傳感器S1、S2、......SK的成員之間，以及每個溫度傳感器與緊鄰于參考字符TA的周圍節(jié)點A之間。被提供到熱消散源N1、N2和N3之內(nèi)的功率分別用P1、P2和P3表示，以箭頭指示功率輸入。
下面的方程式8是一個通用方程，該方程表明了其中最終溫度已經(jīng)確定的靜態(tài)情形。方程式8代表用于節(jié)點Ni的能量守恒原理。Pi是消耗于Ni上的功率，第二個項組代表由于Ni-Nj熱耦合的貢獻，第三個項組表示Ni至所有傳感器Sj的耦合，且最后一項是與TA的直接交互作用。
方程式8以及后續(xù)方程式中用到的符號如下。下標NX指第X號功率消耗源，下標SX指第X號溫度傳感器，以及下標A指周圍空氣。TX是第X號元件的溫度，且元件A和B之間的熱阻用θAB指示。
方程式9用來表明用于溫度傳感器Si的相同的原理，其中第一項的集合是Nj到Si的交互作用，而最后項的集合是表示傳感器到傳感器的交互作用。
圖4表明一種熱電路，所述熱電路代表適合于熱動力溫度分析的通用熱力學系統(tǒng)，其包括熱質(zhì)量。在圖4中，每個節(jié)點具有它自己的熱容量，CNi和CSj。熱容量項也可以被認為是上面描述的熱質(zhì)量。
在圖4中，節(jié)點Ni具有帶有參考字符PI的緊鄰的箭頭，以代表接收熱量的節(jié)點。節(jié)點SJ是一個溫度傳感器節(jié)點，且一個第三節(jié)點以CL指示。參考圖4可以理解，有從每個節(jié)點延伸至溫度TA處的周圍空氣的熱阻。同樣，從每個節(jié)點到外界有熱阻。類似地，熱阻數(shù)據(jù)θSiSj代表傳感器Si和Sj之間的熱阻。被參考符號CNi指示的電容代表象征節(jié)點Ni的熱質(zhì)量的電氣電容器。同樣如圖4顯示，是由參考字符CCL指示的節(jié)點CL的熱質(zhì)量。
圖4中表明的電路，可以通過使用下面的方程式10、11和12以表現(xiàn)其特征 在以上符號中，“m”代表功率(發(fā)熱)源的數(shù)量，“k”代表溫度傳感器的數(shù)量，且“p”代表熱容量節(jié)點的數(shù)量。
方程式(10)代表應(yīng)用于功率消耗節(jié)點Ni的能量守恒定律，該方程式類似于方程式(8)，有如下區(qū)別Pi(t)是時間的函數(shù)，第四個項組是與CL型熱質(zhì)量的交互作用，且最后一項代表由于自身熱質(zhì)量CNi的貢獻。相似地，方程式(11)與方程式(9)類似，但具有表示與Cj熱質(zhì)量的交互作用的額外第三個項組，且最后一項涉及所述元件的熱質(zhì)量。方程式(12)與方程式(11)類似，但用于熱質(zhì)量CL而不是傳感器Sj。
形式(10、11、12)中的方程式總數(shù)為m+k+p，未知量總數(shù)為m+p+1(Ni、CL和TA處的未知溫度)。如果沒有誤差正在影響從傳感器Sj讀取的溫度，則僅需一個傳感器(k＝1)。然而，現(xiàn)實中的溫度受誤差影響。同樣，系統(tǒng)可能存在結(jié)合不緊固的區(qū)域，故可能需要在多于一個點測量溫度。當一些熱阻值未知時，可能也需要多于一個的傳感器。
圖5是一種熱電路，所述熱電路代表一種典型的熱力學系統(tǒng)500，所述系統(tǒng)500包括以節(jié)點N1指示的CPU，以節(jié)點N2指示的存儲器和以節(jié)點N3指示的磁盤驅(qū)動器。在系統(tǒng)500中，假設(shè)N1處的CPU定位于相對靠近存儲器節(jié)點N2，而磁盤驅(qū)動器(N3)定位于距所述處理器和所述存儲器有一些距離處?？紤]到相對距離，作出某些假設(shè)并解釋如下。為了系統(tǒng)500中的熱管理，由S1和S2指示的溫度傳感器安置于所述電路板上接近節(jié)點N1、N2和N3的位置。如前所述，系統(tǒng)元件間的熱阻被用帶下標的希臘字母θ表明，且進入節(jié)點的功率被帶有指明相應(yīng)節(jié)點的下標的P指示。
另外，對于傳感器S1熱傳感器的熱容量用CS1指示，并且對于傳感器S2用CS2指示。類似地，CC1指示磁盤驅(qū)動器(N3)關(guān)于電路板的熱容量，所述磁盤驅(qū)動器被裝配于所述電路板上。如前，電阻器被利用以表示節(jié)點、傳感器元件以及熱質(zhì)量間的熱阻。例如，由θN1S1指示的電阻器表示節(jié)點N1與溫度傳感器S1間的熱阻。類似地，傳感器S1和傳感器S2間的熱阻用電阻器θS1S2指示。節(jié)點N2和熱質(zhì)量C1間的熱阻用θN2C1指出。節(jié)點N3和熱質(zhì)量C1間的熱阻用參考字符θN3C1指出。
圖6是圖5中描繪的系統(tǒng)500的模塊圖表示，且進一步包括被連接于節(jié)點N1、N2和N3的功率/熱管理電路(PTMC)601。PTMC 601通過輸入導(dǎo)線(lead)603接收輸入功率PI，并分別地提供功率P1、P2和P3給節(jié)點N1、N2和N3。為了說明的方便，電路500中的元件間的熱交互作用集中于圖6中的模塊602內(nèi)?？偩€604被用于在PTMC 601與CPU間傳送數(shù)據(jù)。所述CPU發(fā)送命令給PTMC 601以控制功率/熱引擎，且PTMC 601發(fā)送熱測量結(jié)果、極限值、功率數(shù)據(jù)以及估算的、測得的、或預(yù)測的溫度值給CPU。在PTMC 601和CPU間傳送的數(shù)據(jù)包括熱容量、溫度和熱阻。下面一組方程式可以用于表現(xiàn)系統(tǒng)500動態(tài)運行的特征 方程式13定義了關(guān)于節(jié)點N1的熱關(guān)系，方程式14描述節(jié)點N2，以及方程式15描述節(jié)點N3。方程式16描述傳感器S1的熱關(guān)系，以及方程式17類似地處理傳感器S2的所述關(guān)系，所有所述關(guān)系都涉及系統(tǒng)500的剩余部分。最后，方程式18處理熱容量C1。
下面是對求解上述方程組中遇到的三種情況的討論 a)未知數(shù)與方程式數(shù)量相同，例如，未知數(shù)為TN1、TN2、TN3、TC1、θS1A和TA。如果，例如熱傳導(dǎo)由于可變的空氣流而是可變的，則θS1A可能是未知的。在此情形下，所述方程式系統(tǒng)可以被如所示般求解。
b)未知數(shù)多于方程式在此情形下，基于系統(tǒng)的物理性質(zhì)而增加方程式，例如未知數(shù)為TN1、TN2、TN3、TC1、θS1A、θS2A和TA。在此情形下，人們可推出另一個方程式。例如，如果兩個熱阻本質(zhì)上是相似的(比如根據(jù)同一空氣流)，則該兩個熱阻的比率可以被確定為常量。
c)方程式多于未知數(shù)例如如果θS1A和θS2A是已知的，則系統(tǒng)是過度約束的。求解方程式1至6，將得到非零的結(jié)果，為了方便，這里用ε1、ε2、ε3、ε4、ε5和ε6表示。上述方程式系統(tǒng)可以在最小均方方法的意義中被求解；最小化ε12+ε22+ε32+ε42+ε52+ε62就最小化誤差。上述6個方程式被利用以確定每個節(jié)點處的溫度，所述溫度既是節(jié)點處被元件消耗的功率的函數(shù)，也是該節(jié)點正在從鄰近節(jié)點接收的熱的函數(shù)。
PTMC 601的運行如下。PTMC 601在某測量時間t測量、估算或計算注入每個節(jié)點N1、N2和N3的功率，測量溫度TS1和TS2，然后基于熱信息和其它提供給系統(tǒng)設(shè)計者的或其已知的數(shù)據(jù)，求解方程組。所得的解提供了關(guān)注位置處的溫度。通過以接連的步驟測量，升高或降低的溫度變化將被識別，且該信息用于確定例如在元件內(nèi)的熱可能變得超限之前的時間。這在下面關(guān)于聯(lián)系圖7所提供的操作的描述中被更詳細地描述。預(yù)測數(shù)據(jù)然后被發(fā)送給系統(tǒng)控制器，如果有合適動作的話，所述系統(tǒng)控制器利用該數(shù)據(jù)確定關(guān)于系統(tǒng)操作而將采取的合適動作。
在一些實施方式中，所述系統(tǒng)控制器是有限狀態(tài)機(FSM)，所述系統(tǒng)控制器用于基于對溫度的預(yù)測值來最優(yōu)化系統(tǒng)目標。所述系統(tǒng)控制器能夠起作用以使在組件溫度極限內(nèi)的系統(tǒng)性能最大化，以及采取圖7中流程圖所表明的積極步驟。
在不同位置求解用于溫度T的方程組、以及提供預(yù)測數(shù)據(jù)給系統(tǒng)控制器的前述步驟可以由操作系統(tǒng)執(zhí)行，而不是由PTMC執(zhí)行，其中所述操作系統(tǒng)與包括操作設(shè)備N1、N2和N3的系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。
圖7是表明本發(fā)明一種實施方式的操作的流程圖。參考圖7，在步驟A中，測量施加于系統(tǒng)各模塊的電壓和流經(jīng)所述各模塊的電流。然后在步驟B中，計算每個模塊消耗的功率，且在步驟C中，基于熱模型和系數(shù)，確認最近一次計算是否顯示有任何模塊處于過限溫度。如果確定溫度過限，那么在步驟D中采取修正動作。根據(jù)其它模塊中的系統(tǒng)配置，此動作可以降低給處于過限溫度的模塊的功率，且也降低給為處于過限溫度的模塊貢獻熱的其他模塊的功率。熱貢獻的減少可以通過許多途徑實現(xiàn)，諸如降低模塊的活動級別或降低電壓。步驟D之后，程序返回步驟A。
如果步驟C確定沒有模塊已經(jīng)達到過限溫度，那么在步驟E中檢查新的計算結(jié)果，以了解是否有任何模塊的溫度變化被預(yù)測。如果這個檢查的結(jié)果是沒有變化，那么程序返回步驟A，并繼續(xù)檢查每個模塊。然而，如果任何模塊的溫度有降低，那么通過施加更多功率給該模塊而提高系統(tǒng)性能就是可能的。步驟F確定提高性能是否是所希望的。如果回答為是，步驟G被執(zhí)行以增加功率給適當?shù)哪K。如果不希望提高性能，那么系統(tǒng)返回步驟A。如果在步驟E中確定最近的功率計算預(yù)測有任何模塊溫度的增加，那么在步驟H中對照模塊的和系統(tǒng)的溫度極限檢測所述溫度。如果沒有極限將被超過，則系統(tǒng)返回步驟A。如果在步驟H中，有溫度被預(yù)測要超過極限，則在步驟I中，計算時間直到超過所述極限為止，且程序于步驟J繼續(xù)。
在步驟J中，對照在步驟I中計算的超過溫度極限的時間估算，檢測導(dǎo)致溫度極限被超過的活動的持續(xù)時間。如果所述活動將在溫度超過極限的估算時間前終止，則程序返回步驟A。如果所述活動在溫度極限被超過前不終止，則程序以步驟K繼續(xù)。
在步驟K中，基于全系統(tǒng)的活動做出決定是更適宜降低被施加于很可能過熱的模塊上的功率，還是降低給其他熱產(chǎn)生物的功率。如果確定所述很可能超過允許溫度的模塊就是那個功率應(yīng)被降低的模塊，那么在步驟L中執(zhí)行功率的降低。這將通過減少所述模塊的活動或如果允許而降低該模塊的電壓來實現(xiàn)。在步驟L中功率降低之后，程序返回步驟A。如果在步驟K中，做出其他模塊的功率應(yīng)被降低的決定，則在步驟M中做出哪個模塊的功率應(yīng)被降低的決定。在步驟M中功率降低的模塊被選定后，將在步驟N中執(zhí)行功率降低方案，以減少被選定模塊的活動，或降低供給該模塊的電壓。接著步驟N中的動作，系統(tǒng)返回步驟A中的起始點，并繼續(xù)檢查系統(tǒng)。
圖8是圖6中表明的PTMC 601的一種實施方式的功能模塊圖。在功能上，PTMC 601中的動作大致可被分為601-1指示的算法功能和601-2指示的控制部分功能。基于所使用的算法，算法部分601-1中完成的計算的結(jié)果可能導(dǎo)致改變由活動控制模塊601-3所指示的活動、或者改變在模塊601-4中施加于被控單元(CPU、RAM和DISK)的電壓的決定。如果活動控制是所期望的，則通過線路601-5提供信號以控制DISK，或通過線路601-6提供信號以控制RAM，或通過線路601-7提供信號以控制CPU的活動。取決于系統(tǒng)設(shè)計者的選擇，所述控制信號可以對處于控制下的一個或更多設(shè)備起作用。供選擇地，模塊601-1中的選定的算法可以指明施加于CPU、RAM或DISK的電壓中的改變、或活動變化和電壓變化的組合。如圖8中所反映的，對CPU的電壓控制通過CPU電源模塊601-8施加，所述電源模塊601-8通過線路601-9向CPU提供功率。CPU電源模塊601-8通過線路601-10從電壓控制模塊601-4接收控制信號。類似地，關(guān)于改變RAM功率的決定可以使用通過601-12給RAM供電的RAM電源模塊601-11而實現(xiàn)，所述的RAM電源模塊601-11通過601-13接收控制信號。最后，如果要改變磁盤驅(qū)動器(N3)的功率，電源電壓(power voltage)控制模塊601-4通過導(dǎo)線601-14發(fā)送信號給DISK電源控制模塊601-15，所述DISK電源控制模塊601-15的輸出通過導(dǎo)線601-16提供工作電壓給DISK。
當然應(yīng)當理解，PTMC 601可以用各種其他方式在功能上實現(xiàn)，且圖8中的表示法僅僅是可以用于實踐本發(fā)明的一種實施方式。
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如果任何公開通過引用結(jié)合于此，且這樣的所結(jié)合的公開部分地或全部地與本公開沖突，則就沖突的范圍、和/或更廣的公開、和/或更廣的術(shù)語定義，由本公開支配。如果所結(jié)合的公開部分或全部地相互沖突，則就沖突的范圍，由日期在后的公開支配。
除非在此另外明確聲明，通常的術(shù)語在它們表達的各自的上下文中具有它們相應(yīng)的通常的意義，且通常的技術(shù)術(shù)語在相應(yīng)的技術(shù)中以及在它們表達于此的各自的上下文中，具有它們相應(yīng)的規(guī)范意義。
給出了通用概念及特殊實施方式的上述公開，通過所附權(quán)利要求，可界定尋求保護的范圍。已發(fā)布的權(quán)利要求并非用于將申請人的權(quán)利限定于公開的權(quán)利要求內(nèi)，但并未以一個或更多進一步的申請的方式限制于字面聲明的主題，所述一個或更多進一步的申請包括那些依美國專利法35§120和/或美國專利法35§251提交的申請。
權(quán)利要求
1.一種用于確定多個電氣組件中的任意組件的溫度的方法，其中所述電氣組件以熱的形式充分消耗所有其接收的功率，所述方法包括以下步驟
(a)監(jiān)控功率源，其中所述功率源獨立地向每個所述電氣組件提供功率，由此獲得用于每個所述電氣組件的功率參數(shù)值；
(b)計算每個所述電氣組件消耗的所述功率；
(c)使用熱模型和預(yù)定的系數(shù)，為每個所述電氣組件計算溫度參數(shù)值；和
(d)通過將所述電氣組件的所計算出的所述溫度參數(shù)值與所述電氣組件的先前存儲的溫度值相結(jié)合，計算每個電氣組件的即時溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中為所述多個電氣組件中的某一個電氣組件計算溫度參數(shù)值的所述步驟包括以下步驟
(a)計算自發(fā)熱參數(shù)值；
(b)減去代表熱損失的參數(shù)值；和
(c)加上代表在所述某一個電氣組件與每個其余的電氣組件間的凈熱傳遞的參數(shù)值。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述先前存儲的溫度值是通過監(jiān)控一個或更多溫度傳感器而獲得的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括傳送溫度參數(shù)數(shù)據(jù)給主機。
5.一種用于控制多個電氣組件中的任意組件的溫度的方法，其中所述電氣組件以熱的形式充分消耗所有其接收的功率，所述方法包括以下步驟
(a)監(jiān)控功率源，其中所述功率源獨立地向每個所述電氣組件提供功率，由此獲得用于每個所述電氣組件的功率參數(shù)值；
(b)計算每個所述電氣組件消耗的所述功率；
(c)使用熱模型和預(yù)定的系數(shù)，為每個所述電氣組件計算溫度參數(shù)值；
(d)通過將所述電氣組件的所計算出的所述溫度參數(shù)值與所述電氣組件的先前存儲的溫度值相結(jié)合，計算每個電氣組件的即時溫度；
(e)將所述每個電氣組件的即時溫度與相應(yīng)的預(yù)定值比較；和
(f)降低其中所計算出的所述溫度超過預(yù)定值的任意一個或更多所述電氣組件的功率消耗。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中為所述多個電氣組件中的某一個電氣組件計算所述溫度參數(shù)值的所述步驟包含以下步驟
(a)計算自發(fā)熱參數(shù)值；
(b)減去代表熱損失的參數(shù)值；和
(c)加上代表在所述某一個電氣組件與每個其余的電氣組件間的凈熱傳遞的參數(shù)值。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，進一步包括傳送溫度參數(shù)數(shù)據(jù)給主機。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括降低施加于所述電氣組件上的電壓。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括降低所述電氣組件的時鐘頻率。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括降低提供給所述電氣組件的功率。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括降低所述電氣組件的性能。
12.如權(quán)利要求5所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括控制冷卻裝置。
13.如權(quán)利要求5所述的方法，其中降低第一電氣組件的所述功率消耗的步驟包括降低第二電氣組件的所述功率消耗，因此減少從所述第二電氣組件到所述第一電氣組件的所述凈熱傳遞。
14.如權(quán)利要求5所述的方法，其中至少一個所述電氣組件包括用于執(zhí)行一個或更多程序的微處理器。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中降低電氣組件的功率消耗的所述步驟包括根據(jù)一種規(guī)則選擇一個或更多將被暫停、由所述微處理器執(zhí)行的程序。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述規(guī)則包括選擇將被暫停的程序，其中所述程序的優(yōu)先級比正在被所述微處理器執(zhí)行的任何其他即時程序的優(yōu)先級較低。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中降低電氣組件的功率消耗的所述步驟包括根據(jù)一種規(guī)則選擇一個或更多程序，用于對所述微處理器執(zhí)行所述程序有效的時間減少。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述規(guī)則包括選擇用于對所述微處理器執(zhí)行所述程序有效的時間減少的程序，其中所述程序的優(yōu)先級比正在被所述微處理器執(zhí)行的任何其他即時程序的優(yōu)先級較低。
19.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述先前存儲的溫度值是通過監(jiān)控一個或更多溫度傳感器而獲得的。
20.一種用于控制多個電氣組件中的任意組件的溫度的方法，其中所述電氣組件以熱的形式充分消耗所有其接收的功率，所述方法包括以下步驟
(a)監(jiān)控功率源，其中所述功率源獨立地向每個所述電氣組件提供功率，由此獲得用于每個所述電氣組件的功率參數(shù)值；
(b)計算每個所述電氣組件消耗的所述功率；
(c)使用熱模型和預(yù)定的系數(shù)，為每個所述電氣組件計算溫度參數(shù)值；
(d)通過將所述電氣組件的所計算出的所述溫度參數(shù)值與所述電氣組件的先前存儲的溫度值相結(jié)合，計算每個電氣組件的即時溫度；
(e)將所述每個電氣組件的即時溫度與相應(yīng)的預(yù)定值比較；和
(f)降低其中所計算出的所述溫度超過預(yù)定值的任意一個或更多所述電氣組件的功率消耗。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中為所述多個電氣組件中的某一個電氣組件計算所述溫度參數(shù)值的所述步驟，包含以下步驟
(a)計算自發(fā)熱參數(shù)值；
(b)減去代表熱損失的參數(shù)值；和
(c)加上代表在所述某一個電氣組件與每個其余的電氣組件間的凈熱傳遞的參數(shù)值。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，進一步包括傳送溫度參數(shù)數(shù)據(jù)給主機。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括降低施加于所述電氣組件上的電壓。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括降低所述電氣組件的時鐘頻率。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，進一步包括降低提供給所述電氣組件的功率。
26.如權(quán)利要求20所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括降低所述電氣組件的性能。
27.如權(quán)利要求20所述的方法，其中降低給定電氣組件的功率消耗的所述步驟包括控制冷卻裝置。
28.如權(quán)利要求20所述的方法，其中降低第一電氣組件的所述功率消耗的步驟包括降低第二電氣組件的所述功率消耗，因此減少從所述第二電氣組件到所述第一電氣組件的所述凈熱傳遞。
29.如權(quán)利要求20所述的方法，其中至少一個所述電氣組件包括用于執(zhí)行一個或更多程序的微處理器。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中降低電氣組件的功率消耗的所述步驟包括根據(jù)一種規(guī)則選擇一個或更多將被暫停、由所述微處理器執(zhí)行的程序。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述規(guī)則包括選擇將被暫停的程序，其中所述程序的優(yōu)先級比在被所述微處理器執(zhí)行的任何其他即時程序的優(yōu)先級較低。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中降低電氣組件的功率消耗的所述步驟包括據(jù)一種規(guī)則選擇一個或更多程序，用于對所述微處理器執(zhí)行所述程序有效的時間減少。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述的規(guī)則包括選擇用于對所述微處理器執(zhí)行所述程序有效的時間減少的程序，其中所述程序的優(yōu)先級比正在被所述微處理器執(zhí)行的任何其他即時程序的優(yōu)先級較低。
34.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述先前存儲的溫度值是通過監(jiān)控溫度傳感器而獲得的。
全文摘要
以熱的形式將供給它們的功率充分消耗的電氣組件[601-8，601-11，601-15]，將改變溫度以響應(yīng)于自身發(fā)熱、向它們周圍環(huán)境的熱傳遞、以及從一個組件向其他組件傳遞的熱。公開了一種用于使用熱模型計算組件(多個組件)的溫度的方法[圖7A-7B]。在一種實施方式中，每個組件的功率消耗被控制以限定所述組件的溫度[圖7A中的步驟E]。在一種實施方式中，組件的溫度是通過改變其他組件的功率消耗而被調(diào)整的[圖7B中的步驟K]。在一些實施方式中，組件的功率消耗是通過調(diào)整它的性能而被調(diào)整的[圖7A中的步驟F]。在另外的實施方式中，通過選擇一個或更多程序用于所調(diào)整的執(zhí)行來調(diào)整功耗[圖7B中的步驟J]。
文檔編號G01K1/00GK101553716SQ200680046543
公開日2009年10月7日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者肯特·科納罕, 克雷格·蘭伯特, 索林·A·斯帕諾科 申請人:艾科嘉公司