風(fēng)扇自動(dòng)控制：高速芯片冷卻技術(shù)的趨勢(shì)

摘要：冷卻風(fēng)扇是大功率芯片(如CPU、FPGA和GPU)和系統(tǒng)的溫度管理中的重要部件。不幸的是，它們有時(shí)會(huì)帶來(lái)令使用者討厭的音頻噪聲。通過(guò)測(cè)量溫度并相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度，在溫度較低時(shí)可最大限度降低風(fēng)扇速度(和噪聲水平)，但是在最壞情況下為防止芯片損壞，要提高速度。本文討論了自動(dòng)控制冷風(fēng)扇速度的兩種技術(shù)。

高速芯片通常會(huì)逐漸變熱。它們跑得越快就會(huì)越熱。新一代的高速數(shù)字芯片使用了更小尺寸的工藝，允許降低電源電壓，這會(huì)有一些幫助，但是晶體管數(shù)量的增加比電源電壓的降低要快，因此功率水平仍然在上升。

當(dāng)晶片溫度上升時(shí)，性能會(huì)受到影響。參數(shù)改變、最大工作頻率降低，而且定時(shí)超出規(guī)定。從用戶的角度來(lái)看，發(fā)生這些情況時(shí)，產(chǎn)品不再正常工作。因此，冷卻高速芯片的首要原因就是在盡可能長(zhǎng)的工作時(shí)間和最寬的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持良好的性能。滿足參數(shù)規(guī)范的條件下，高速芯片的最大允許溫度取決于工藝和芯片的設(shè)計(jì)方法(芯片工作在何種“接近邊緣”的程度)，以及其他一些因素。晶片典型的最大溫度范圍是+90°C至+130°C。

超出性能開始惡化的臨界點(diǎn)工作時(shí)，過(guò)高的晶片溫度會(huì)給晶片造成災(zāi)難性的損害。最大晶片溫度通常遠(yuǎn)高于+120°C，并且由諸如工藝、封裝和處于高溫條件的時(shí)間等因素而定。因此，高速芯片需要被冷卻以免達(dá)到性能惡化和導(dǎo)致永久性損壞的溫度。

高速芯片很少使用單一的冷卻技術(shù)。實(shí)際上，一般需要結(jié)合多種技術(shù)以確保高性能和持續(xù)可靠性。散熱片、熱管、風(fēng)扇和時(shí)鐘節(jié)流是高速芯片最常用的冷卻手段。最后兩個(gè)，風(fēng)扇和時(shí)鐘節(jié)流，能夠幫助解決熱問(wèn)題，但它們會(huì)引入自身的問(wèn)題。

風(fēng)扇能大幅度地降低高速芯片的溫度，但它們也能產(chǎn)生大量的音頻噪聲。全速運(yùn)轉(zhuǎn)的冷卻風(fēng)扇的噪聲會(huì)令很多消費(fèi)者厭煩，也正成為政府機(jī)構(gòu)所關(guān)心的問(wèn)題，即工作場(chǎng)所中為時(shí)已久的噪聲效應(yīng)。根據(jù)溫度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度能明顯地降低風(fēng)扇噪聲；當(dāng)溫度低時(shí)，風(fēng)扇可緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)(可非常安靜)，當(dāng)溫度上升時(shí)，則加速運(yùn)轉(zhuǎn)。

時(shí)鐘節(jié)流—降低時(shí)鐘速度來(lái)減少功耗—通過(guò)降低系統(tǒng)性能來(lái)發(fā)揮作用。當(dāng)時(shí)鐘被節(jié)流時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)工作，但是在降低的速度下工作。很明顯，在高性能系統(tǒng)中，只有在絕對(duì)需要時(shí)，即溫度達(dá)到將停止工作時(shí)刻時(shí)，才能實(shí)行節(jié)流。

基于溫度控制風(fēng)扇速度或時(shí)鐘節(jié)流需要首先測(cè)量高速芯片的溫度。這可通過(guò)靠近目標(biāo)芯片——直接相鄰或有時(shí)在下面、或在散熱片上放置一個(gè)溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方式測(cè)量出的溫度與高速芯片的溫度相對(duì)應(yīng)，但明顯偏低(相差多達(dá)30°C)，并且測(cè)量溫度和晶片溫度之間的差異會(huì)隨著功耗的增加而增大。因此，電路板或散熱片的溫度必須與高速芯片的溫度相關(guān)起來(lái)。

對(duì)于許多高速芯片，有更好的解決方案。許多CPU、圖像芯片、FPGA和其它高速IC包含了一個(gè)“熱二極管”，實(shí)際上是連接為二極管的雙極型晶體管，位于晶片上。將遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器與此熱二極管相連，能夠直接測(cè)出極其精確的高速芯片溫度。這不僅繞開了在IC封裝外測(cè)量溫度時(shí)所遇到的大溫度梯度問(wèn)題，而且還消除了很長(zhǎng)的熱時(shí)間常數(shù)問(wèn)題，從幾秒到幾分鐘，提高了對(duì)于晶片溫度變化的響應(yīng)速度。

對(duì)于風(fēng)扇控制的需求迫使設(shè)計(jì)者做出幾個(gè)關(guān)鍵選擇。第一個(gè)選擇是調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度的方法。調(diào)節(jié)無(wú)刷直流風(fēng)扇速度的常用方法是調(diào)整風(fēng)扇的電源電壓。這種方法可在電源電壓最低到額定值的40%時(shí)很好地工作。但有一個(gè)缺點(diǎn)。如果使用線性調(diào)節(jié)器件來(lái)改變電源電壓的話，則效率很低。使用開關(guān)電源可以獲得更好的效率，但會(huì)增加成本和元件數(shù)量。

另外一個(gè)流行的風(fēng)扇速度控制技術(shù)是用一個(gè)低頻PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，一般在30Hz范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整該信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。因?yàn)橹挥脝蝹€(gè)小開關(guān)管，因而這種方案的成本低廉。由于晶體管作為開關(guān)使用，所以效率很高?？墒?，該法的不足之處就是風(fēng)扇會(huì)多少有些噪聲，這是由脈沖方式的電源引起的。PWM波形的快速邊沿會(huì)引起風(fēng)扇的機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)(有點(diǎn)像設(shè)計(jì)很差的揚(yáng)聲器)，因而產(chǎn)生聽得見的噪聲。

另外一個(gè)風(fēng)扇控制的設(shè)計(jì)選擇是是否測(cè)量風(fēng)扇速度，以便作為控制策略的一部分。除了電源和地，許多風(fēng)扇都有第三根線，該線向風(fēng)扇控制電路提供“轉(zhuǎn)速計(jì)”信號(hào)。轉(zhuǎn)速計(jì)輸出在風(fēng)扇每旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)產(chǎn)生特定數(shù)量的脈沖(例如兩個(gè)脈沖)。一些風(fēng)扇控制電路將這種轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)作為反饋，調(diào)節(jié)風(fēng)扇電壓或PWM占空比以獲得期望的RPM。更簡(jiǎn)單的方法是忽略任何轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)，只調(diào)節(jié)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)加速或減速。該方案的速度控制精度較小，但成本更低，并且至少省卻了一個(gè)反饋環(huán)，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。

在一些系統(tǒng)中，限制風(fēng)扇速度的變化速率也很重要。當(dāng)系統(tǒng)與用戶非常接近時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。有些情況下簡(jiǎn)單地開關(guān)風(fēng)扇或當(dāng)溫度變化時(shí)立即改變速度是可接受的?？墒?，當(dāng)用戶就在附近時(shí)，風(fēng)扇噪聲的突然變化會(huì)格外顯著且令人討厭。將風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化率限制在一定限度以內(nèi)(如1%每秒)會(huì)最大限度降低風(fēng)扇控制的聽覺效果。風(fēng)扇速度同樣改變了，但不會(huì)特別引人注意。

另外一個(gè)重要的設(shè)計(jì)因素是風(fēng)扇控制策略。通常情況下，風(fēng)扇在特定的溫度門限以下關(guān)閉，當(dāng)超過(guò)門限后開始低速旋轉(zhuǎn)(例如全速度的40%)。當(dāng)溫度上升時(shí)，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)隨溫度線性增長(zhǎng)，直至100%的驅(qū)動(dòng)。最佳斜率依賴于系統(tǒng)要求。更大的斜率一定程度上可獲得更穩(wěn)定的芯片溫度，但當(dāng)功耗隨時(shí)變化時(shí)，風(fēng)扇速度的變化量更大。如果目標(biāo)是高性能，則應(yīng)該選擇起始溫度和斜率，以使風(fēng)扇在晶片溫度高到足以啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)流之前達(dá)到全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

風(fēng)扇控制電路可以多種方式實(shí)現(xiàn)。具有多達(dá)5個(gè)測(cè)量通道的多種遠(yuǎn)端溫度傳感器可直接檢測(cè)高速芯片的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳送給微處理器。具有多個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)監(jiān)視通道的風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器可對(duì)風(fēng)扇RPM或電源電壓提供可靠的控制，并可接受來(lái)自于外部微控制器的命令。為了降低成本和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，單片封裝內(nèi)包含了溫度測(cè)量和自動(dòng)風(fēng)扇控制的IC已有市售。傳感器/控制器一般也包含了過(guò)溫檢測(cè)，可用于時(shí)鐘節(jié)流或系統(tǒng)關(guān)斷，因而可避免高速芯片因過(guò)熱而災(zāi)難性損毀。

這種IC的例子有兩個(gè)，一個(gè)是直流驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)是PWM驅(qū)動(dòng)，如圖1和2所示。圖1中的IC遠(yuǎn)程檢測(cè)溫度并根據(jù)溫度控制風(fēng)扇速度。該芯片通過(guò)一個(gè)內(nèi)部功率晶體管產(chǎn)生一個(gè)直流電源電壓。圖2中的IC具有類似功能，但通過(guò)一個(gè)外部晶體管以PWM波形來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。兩者都具備完整的熱故障監(jiān)測(cè)和過(guò)熱輸出，如果高速芯片太熱可用來(lái)關(guān)斷系統(tǒng)。


圖1. 線性(直流輸出)溫度傳感器和自動(dòng)風(fēng)扇速度控制器。根據(jù)高速芯片的溫度自動(dòng)控制風(fēng)扇速度。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速計(jì)反饋允許風(fēng)扇控制器直接調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。系統(tǒng)關(guān)斷輸出防止高速芯片到達(dá)毀滅性溫度。


圖2. PWM輸出的溫度傳感器和自動(dòng)風(fēng)扇速度控制器。根據(jù)溫度來(lái)自動(dòng)控制風(fēng)扇速度。時(shí)鐘節(jié)流和系統(tǒng)關(guān)斷輸出防止高速芯片達(dá)到毀滅性溫度。將CRIT0和CRIT1管腳連接到電源或地可選擇默認(rèn)的關(guān)斷溫度門限，即使系統(tǒng)軟件掛起時(shí)也能確保安全。