保持PC安全、安靜和冷卻的熱管理技術(shù)

引言
最新個人電腦的工作速度已經(jīng)超過2GHz。伴隨這驚人速度而來的是CPU和外圍設(shè)備所產(chǎn)生的大量熱量。降溫風(fēng)扇通常用來驅(qū)散這些過量的熱量，但是風(fēng)扇會增加音頻噪聲。降低CPU內(nèi)核的電壓和系統(tǒng)時鐘能夠減少熱量耗散，但是這是以犧牲工作性能為代價的。
最新的系統(tǒng)和熱監(jiān)視器件整合了復(fù)雜的溫度監(jiān)視器、電壓監(jiān)視器和風(fēng)扇控制功能，使所有參數(shù)達(dá)到平衡并且保持個人電腦的冷、靜和安全。圖1是一個典型系統(tǒng)的配置方框圖。


圖1  系統(tǒng)方框圖

溫度測量
測量溫度最理想的地方是系統(tǒng)中的最熱點(diǎn)。可以是CPU或者是電源、內(nèi)存、硬盤、顯卡這樣的外圍設(shè)備。某些熱量監(jiān)視器提供兩個遠(yuǎn)端的熱二極管監(jiān)視通道加上一個芯片上的溫度傳感器，這樣就能夠監(jiān)測到三個不同的熱區(qū)。所有現(xiàn)代的微處理器都包括芯片上的熱監(jiān)視二極管，用來測量CPU的溫度。系統(tǒng)里其它遠(yuǎn)端地點(diǎn)的溫度由二極管連接的NPN 或 PNP晶體管讀出。這些二極管和晶體管的正向電壓在固定的電流下工作，電壓按2mV/℃下降。可惜的是，正向電壓的絕對值隨器件的不同而變化，因此精確測量需要對每個器件作校證。根據(jù)DV = (KT/q) ln N，兩個同樣的二極管工作在不同的電流下所得到的正向電壓不同。式中T是絕對溫度，q是一個電子的電荷，N表示與工作電流之比。這個技術(shù)能夠用于測量溫度，但是只能用同一二極管切換兩個不同的電流，而不是通過兩個同樣的二極管。
圖2所示的信號條件用于這種測量。電流I和NI交替通過傳感器，輸出信號通過濾波、放大、同步調(diào)解產(chǎn)生一個直流電壓。電壓與DV成比例，精確的表達(dá)了被測溫度，而且與正向電壓的絕對值無關(guān)。

圖2  遠(yuǎn)端熱敏二極管的信號調(diào)理

風(fēng)扇速度控制
事實(shí)上，所有的個人電腦都使用一個或多個風(fēng)扇來保持系統(tǒng)的安全工作溫度。一個新的系統(tǒng)和熱監(jiān)視器在有無測速器的情況下都能夠監(jiān)視和控制四個風(fēng)扇。用脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)來控制風(fēng)扇，并且提供一個自動風(fēng)扇速度控制回路，用于個人電腦崩潰或者軟件癱瘓后保持系統(tǒng)降溫。ADM1027系統(tǒng)監(jiān)視器和風(fēng)扇控制器是為低噪聲桌面電腦和高性能服務(wù)器而設(shè)計(jì)的。它整合了兩個遠(yuǎn)端熱敏二極管和一個芯片上溫度傳感器，能夠控制四個風(fēng)扇速度和監(jiān)視五個電壓。ADM1027是業(yè)內(nèi)奔騰4芯片僅有的熱控制電路監(jiān)視器，能夠自動設(shè)置風(fēng)扇控制回路和最安靜的操作。如果由于風(fēng)扇的失靈、散熱器安裝不良和空氣流不夠而導(dǎo)致系統(tǒng)過熱，它會產(chǎn)生告警來保證系統(tǒng)安全。
早期的電腦用線性控制改變風(fēng)扇速度。由于電源電壓持續(xù)降低，這種方法的效率越來越低，并且控制范圍有限。PWM技術(shù)通過精確變化11~88Hz方波的占空比來控制風(fēng)扇速度。PWM能夠提供一個更寬的控制范圍，更簡單的驅(qū)動線路，更低的平均電能消耗，它與線性控制相比具有更高的效率。
一個三線風(fēng)扇的速度能夠通過測量測速器的周期來直接確定。在一個過程中，芯片上振蕩器被選通進(jìn)入計(jì)數(shù)器。PWM的輸出前沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器和計(jì)算測速器的周期。對于2線風(fēng)扇，風(fēng)扇的速度輸入被變換成模擬輸入。一個讀數(shù)電阻將電扇脈沖轉(zhuǎn)換為電壓，這個電壓由AC耦合接入測量電路。這就使得廉價的2線風(fēng)扇的速度能精確測定，無需使用更多的昂貴3線風(fēng)扇。

自動風(fēng)扇速度控制
自動風(fēng)扇速度控制回路能夠保證在任何給定的溫度條件下風(fēng)扇都能在最佳速度下運(yùn)行，使得系統(tǒng)的電流消耗最小和產(chǎn)生的音頻噪聲最低。這個回路將風(fēng)扇在預(yù)先設(shè)定的溫度下接通，當(dāng)溫度發(fā)生變化時再調(diào)整速度。對最低溫度、溫度范圍、滯后量和電扇啟動時間編程來確定線路中的運(yùn)行參數(shù)，如圖3所示。風(fēng)扇由于慣性不能以最低轉(zhuǎn)速啟動。為了克服接通時的慣性，將增加脈沖寬度直到風(fēng)扇穩(wěn)定運(yùn)行，然后降低脈寬至風(fēng)扇達(dá)到被測溫度所確定的速度。如果風(fēng)扇被卡住或斷開而出現(xiàn)故障，回路會產(chǎn)生一個中斷信號。


圖3  自動風(fēng)扇速度控制


音頻噪聲的最小化
CPU的功率消耗和溫度由于繁忙的數(shù)字計(jì)算或者視頻處理而快速變化。如果風(fēng)扇能夠立刻響應(yīng)這些快速變化，就不必考慮這種令人煩躁的噪聲電平變化的影響。相反，PWM的占空比被控制在一個固定速率上下變動。每次讀取溫度時，將計(jì)算出新的占空比。如果新值比前一次升高，占空比將按速率增加。相反，如果新值比前一次有所降低，則占空比將減小。
系統(tǒng)風(fēng)扇(比如底板風(fēng)扇最為典型)通常比其它風(fēng)扇(比如CPU風(fēng)扇)噪聲更大。因此，一個風(fēng)扇的增強(qiáng)聲音模式可相對其它風(fēng)扇來單獨(dú)調(diào)整，即使它們受到相同的遠(yuǎn)端溫度測量的控制。這就達(dá)到在維持系統(tǒng)正常運(yùn)作時減小音頻噪聲成為可能。

不會失效的散熱
某些系統(tǒng)和熱監(jiān)視器可以監(jiān)視三個發(fā)熱區(qū)，支持四個風(fēng)扇的冗余冷卻。在大型高可用性系統(tǒng)中，采用分布式電路來感知溫度和散熱。任何通道出現(xiàn)超溫時，所有的風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)直到溫度降到安全范圍。相似的，如果CPU溫度過高，則所有的風(fēng)扇也都同時打開。這種情況發(fā)生在設(shè)計(jì)不良的系統(tǒng)中，包括散熱器容量不夠、安裝不合適、潤滑油量不夠、風(fēng)扇失效、或者人為問題，如氣流不夠或者安裝了太多高功率的外圍設(shè)備等。有監(jiān)控的系統(tǒng)比沒有監(jiān)控的系統(tǒng)噪聲低，因?yàn)樗茏詣有Ｕ⒛茉诮咏鼰崃肯拗档姆秶鷥?nèi)安全工作。

結(jié)語
系統(tǒng)性能不好或者音頻噪聲電平較高會引起最終用戶不滿意，防礙產(chǎn)品在市場上的成功推出。設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)可在冷卻和安靜的狀態(tài)下運(yùn)行，保護(hù)CPU和其他重要組件免受災(zāi)害性損壞，這將提高系統(tǒng)的性能，使用戶更為滿意?！?