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AI降噪技术白皮书
资料版本：6W100-20230626
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本文中的内容为通用性技术信息，某些信息可能不适用于您所购买的产品。
随着集成电路等技术的高速发展，芯片等电子器件的性能大幅提升，而物理尺寸却越来越小，这就导致电子器件的功率密度大幅提升。为了解决设备运行过程中出现的高温问题，交换机设备一般采用风冷散热系统进行散热，但随之而来的风扇噪声，成为了急需解决的问题。
我司针对CT产品（通信类产品）推出过第二代纯线性调速方案，该方案实现了在设备温度低时，风扇转速低；设备温度高时，风扇自动加速，加快散热。但在纯线性的调速策略下，风扇转速波动大，噪声较大。为解决这一问题，PID+线性调速方案应运而生。
PID+线性调速方案是我司针对CT产品推出的第三代调速方案，相比于第二代纯线性调速方案，第三代方案将线性调速的常温段改为PID调速，可以进一步降低设备在常温时的风扇转速，达到节能降噪的目的。
基于PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制），设备可以自动根据主控、业务板、网板等位置的温度对风扇转速进行调整。当设备温度不超过风扇加速的最低值时，风扇转速非常低、噪音非常小，从而节省耗电量；当设备温度升高，风扇自动加速、加快散热。
PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术。在一定的频率下，PWM通过不同的占空比输出不同大小的电压，从而调整风扇的转速。如下是PWM的基本概念：
· 频率f：1秒内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期，单位Hz。例如频率为50Hz，即一秒钟就有50个PWM周期。
· 周期T：T=1/f，即信号从高电平到低电平再回到高电平所花费的时间，单位为秒。
· 脉宽时间：在一个脉冲周期内，高电平的持续时间。
· 占空比：在一个脉冲周期内，高电平持续时间占整个周期时间的比例，单位是百分比。例如，一个脉冲周期时间是10ms，脉宽时间是8ms，那么占空比是80%。
一个周期的时间长度如下图所示。
图2-1 脉宽周期示意图
通过PWM调整输出电压的占空比可以输出不同的模拟电压。如图2-2所示,假设高电平为5V、低电平为0V，在一定的频率下，调整占空比为50%就可以得到2.5V的输出模拟电压，调整占空比为75%即可得到3.75V的输出模拟电压，调整占空比为20%，即可得到1V的输出模拟电压。
图2-2 PWM输出的模拟电压示意图
设备通过芯片结温来调整风扇电压的占空比、从而调节风扇转速。风扇调速曲线如下图所示，确定风扇转速占空比范围与风扇调速温度点范围即可，在调速范围内，设备温度和风扇电压的占空比形成线性关系。
图2-3 风扇调速曲线
当有用户对噪声或散热更关注时，可通过如下方式修改风扇的调速曲线。
联系H3C技术支持人员修改Tlow与Thigh的缺省值，以便灵活应对不同的噪声的要求。如下图所示，将Tlow与Thigh的值都加10，从而将风扇调速的范围从55～85℃修改为65～95℃。
不同设备的缺省值有所不同，此处仅做举例说明。
图2-4 修改Tlow与Thigh的缺省值
PID即比例(P)-积分(I)-微分(D)控制，是自动控制原理定义的一种控制方法，如图2-5所示。PID控制可以根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
图2-5 PID控制原理
各环节作用如下：
· 比例（P）环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。当偏差等于零时，控制作用也为零。因此，比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。
· 积分（I）环节：能对误差进行记忆，主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti（系统预设，用于调节积分强弱），Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
· 微分（D）环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
实际应用中可以根据需要采用P、PI、PD或者PID控制。
在出厂时设备会预设一个SP(SetPoint)值，该值恒定，不可通过命令行改变。PID算法会使器件温度趋近于SP值来智能控制风扇转速，当温度低于SP值时，减小风扇转速。当温度高于SP值时，增大风扇转速。
PID调速通过不断调整优化PID风扇控制单元的相关参数，使得系统具有以下响应：
· 各个热点温度最小的过冲；
· 各个热点温度短时间达到平衡状态；
· 风扇转速小幅度的振荡。
热点温度：指设备上的热点温度传感器的温度。
过冲：指超过设定值的幅度。
PID算法具有原理简单、易于实现、适用面广等优点，但是也具有相应时间较慢等缺点。当设备温度信息发生变化时，PID算法需要一定的时间来调节风扇转速。所以新一代调速方案在高温段保留了线性调速，充分利用线性调速响应快的优点，保证了设备在高温运行时安全与可靠。并且新一代调速方案还定义了多种模式可供用户选择，包括静音模式、均衡模式和散热增强模式。
用户可以使用fan auto-control-mode命令用来配置风扇的工作模式。
· balance：配置风扇工作在均衡模式。该模式下风扇的转速和噪音介于散热增强模式和静音模式之间，在优先保证散热的情况下尽量降低噪音，达到了最优的节能和降噪。
· low-temperature：配置风扇工作在散热增强模式。该模式下风扇转速较高，优先保证了设备在较低的温度下工作，降低了温度波动并提升了整机可靠性。但此状态下会使设备功耗增大，噪音相对其他模式有所增大。
· silence：配置设备工作在静音模式。该模式下风扇转速较低、噪音较小，但是设备温度会相对升高。在对噪音比较敏感的场合推荐使用此模式。
当风扇转速转速在Nlow和Nmid之间以及器件温度小于Tlow时采用PID调速，其他情况下采用线性调速。调速曲线如图2-6所示。
在器件温度小于Tlow时，采用PID调速，可以使风扇保持在更低转速，维持器件温度在SP值点附近。相比于纯线性调速，能够降低转速，实现节能并且降低噪声的作用；在器件温度大于Tlow时，采用线性调速，响应更加积极，防止器件超温。
如图2-7所示，与纯线性调速方案对比，PID调速可以有效控制风扇转速，使风扇转速保持在更低的水平。
PID+线性调速流程如图2-8所示。
图2-8 PID+线性调速流程
本例使用S5580X-48S4YC-HI产品进行测试，测试配置见下表说明。
表3-1 测试项说明
|
配置 |
说明 |
|
产品配置 |
典型配置（典配）：无扩展卡，半数端口插入短距光模块或电缆 |
|
调速策略 |
· TC1：线性调速+180W普通电源 · TC2：线性调速+180W降噪电源 · TC3：PID综合调速+180W普通电源 · TC4：PID综合调速+180W降噪电源 （降噪电源相比普通电源具备降噪特性） |
|
风向 |
风扇模块风向（本例使用FAN-40B-1-F和FAN-40F-1-F风扇）： · 抽风：端口侧进风，电源侧出风 · 吹风：电源侧进风，端口侧出风 |
表3-2 25℃环境
|
环境温度 |
产品配置 |
调速策略 |
风扇风向 |
噪声/dBA |
|
25℃ |
典配 |
TC1 |
抽风 |
46 |
|
吹风 |
45.6 |
|||
|
TC2 |
抽风 |
39.3 |
||
|
吹风 |
39.6 |
|||
|
TC3 |
抽风 |
44.7 |
||
|
吹风 |
44.9 |
|||
|
TC4 |
抽风 |
36.4 |
||
|
吹风 |
38.6 |
表3-3 35℃环境
|
环境温度 |
产品配置 |
调速策略 |
风扇风向 |
噪声/dBA |
|
35℃ |
典配 |
TC1 |
抽风 |
51.3 |
|
吹风 |
51 |
|||
|
TC2 |
抽风 |
49.3 |
||
|
吹风 |
49 |
|||
|
TC3 |
抽风 |
46 |
||
|
吹风 |
45.6 |
|||
|
TC4 |
抽风 |
39.3 |
||
|
吹风 |
39.6 |
表3-4 50℃环境
|
环境温度 |
产品配置 |
调速策略 |
风扇风向 |
噪声/dBA |
|
50℃ |
典配 |
TC1 |
抽风 |
62.7 |
|
吹风 |
65.1 |
|||
|
TC2 |
抽风 |
62.7 |
||
|
吹风 |
65.1 |
|||
|
TC3 |
抽风 |
51.3 |
||
|
吹风 |
51 |
|||
|
TC4 |
抽风 |
49.3 |
||
|
吹风 |
49 |
表3-5 调速策略说明
|
调速策略 |
说明 |
|
TC1 |
线性调速+180W普通电源 |
|
TC2 |
线性调速+180W降噪电源 |
|
TC3 |
PID综合调速+180W普通电源 |
|
TC4 |
PID综合调速+180W降噪电源 |
不同降噪类型表示在不同调速策略下的降噪收益，例如TC2-TC4表示同样使用180W降噪电源的情况下，采用PID综合调速相比于纯线性调速的降噪效果。
· 环境温度较低时，设备风扇转速一直处于较低的转速，不论哪种调速策略下设备产生的噪声都不大，所以TC2-TC4的降噪收益不明显。
· 降噪电源本身存在降噪特性，所以TC3-TC4和TC1-TC4的降噪收益效果显著。
表3-6 25℃环境
|
温度 |
降噪类型 |
风向 |
降噪收益/dBA |
降噪收益比 |
|
25℃ |
TC3-TC4 |
抽风 |
8.3 |
18.6% |
|
吹风 |
6.3 |
14.0% |
||
|
TC2-TC4 |
抽风 |
2.9 |
7.4% |
|
|
吹风 |
1 |
2.5% |
||
|
TC1-TC4 |
抽风 |
9.6 |
20.9% |
|
|
吹风 |
7 |
15.4% |
图3-1 25℃环境
环境温度升高，整体上风扇转速有所提高。但PID调速相较于线性调速，能够很好的控制风扇转速，使设备噪声降低，搭配降噪电源特性，使TC3-TC4、TC2-TC4和TC1-TC4三种情况下的降噪收益均比较显著。
表3-7 35℃环境
|
温度 |
降噪类型 |
风向 |
降噪收益/dBA |
降噪收益比 |
|
35℃ |
TC3-TC4 |
抽风 |
6.7 |
14.6% |
|
吹风 |
6 |
13.2% |
||
|
TC2-TC4 |
抽风 |
9.7 |
19.7% |
|
|
吹风 |
9.4 |
19.2% |
||
|
TC1-TC4 |
抽风 |
12 |
23.4% |
|
|
吹风 |
11.4 |
22.5% |
图3-2 35℃环境
· 环境温度进一步提高，设备风扇转速较高，设备整体噪声增大，PID调速的降噪效果更加明显，TC2-TC4和TC1-TC4的降噪收益显著。
· 由于环境温度升高，降噪电源的风扇转速提升，噪声提升，TC3-TC4的降噪收益降低。
表3-8 50℃环境
|
温度 |
降噪类型 |
风向 |
降噪收益/dBA |
降噪收益比 |
|
50℃ |
TC3-TC4 |
抽风 |
2 |
3.9% |
|
吹风 |
2 |
3.9% |
||
|
TC2-TC4 |
抽风 |
13.4 |
21.4% |
|
|
吹风 |
16.1 |
24.7% |
||
|
TC1-TC4 |
抽风 |
13.4 |
21.4% |
|
|
吹风 |
16.1 |
24.7% |
图3-3 50℃环境
由以上测试数据可知：
不论在低温环境（25℃）还是高温环境（50℃）下，新一代PID综合调速方案均能带来不错的降噪效果，尤其是在搭配了降噪电源使用时，降噪效果将更加可观。
对于不同的风扇模块风向，产生的噪声有所差异，PID综合调速带来的降噪效果也有所不同，但整体而言，均能产生良好的正面效果。
我司的第三代智能调速方案通过对风扇的精准调速控制，实现了设备不同工作负荷下的动态调节，使风扇运行更加平稳，噪音更低。同时，第三代智能调速技术还能够提高节能能力，降低功耗，帮助企业节约能源，降低运营成本。与传统的风扇调速方式相比，具有更高的安全性、稳定性和可靠性，可以满足更多的生产需求。
总而言之，新一代调速方案，既能在典型常温配置下实现设备的节能和降噪，又能在高温环境下快速响应，保证设备可靠性，兼顾了节能与降噪。因此新一代调速方案广泛的适用于客户的各个实际使用场景中，并且具有多个调速模式的选择，能够满足客户的不同需求，提升客户的实际应用体验。
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