低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大冷卻性能

隨著計(jì)算機(jī)處理性能的不斷提高，功耗也在不斷增加。臺(tái)式電腦或服務(wù)器一般不存在散熱問(wèn)題，而在便攜式PC應(yīng)用中，功耗問(wèn)題則會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的熱以及電源問(wèn)題。為了使電池得到充分利用，保證系統(tǒng)工作在合適的溫度范圍內(nèi)，以延長(zhǎng)系統(tǒng)的無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)，筆記本電腦冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素。
設(shè)計(jì)者最關(guān)心的是功耗發(fā)熱問(wèn)題(TDP)，也就是CPU在最壞條件下的功耗。在便攜式設(shè)備應(yīng)用中，從目前成本和開(kāi)發(fā)的角度看，底座、散熱片以及散熱管的設(shè)計(jì)都是令人棘手的問(wèn)題。一個(gè)好的散熱解決方案，需要從整個(gè)系統(tǒng)考慮，同時(shí)還要考慮處理器在最壞情況下的功耗。如果使用風(fēng)扇散熱，需考慮元件的布局以及底座的設(shè)計(jì)，盡可能地優(yōu)化氣體流動(dòng)和空氣動(dòng)力學(xué)的影響。
最新便攜式CPU具有三種溫度監(jiān)控功能：
1. 內(nèi)置溫度監(jiān)控?zé)崦舳O管，以監(jiān)控CPU溫度；
2. 管芯溫度監(jiān)控機(jī)制，自動(dòng)調(diào)節(jié)CPU溫度并保持在安全范圍內(nèi)(PROCHOT#)；
3. 熱拔插開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度超過(guò)135℃時(shí)，關(guān)閉處理器并發(fā)出THERM TRIP#信號(hào)。
在便攜式設(shè)備應(yīng)用中，CPU、圖形控制器和存儲(chǔ)控制器的散熱問(wèn)題應(yīng)該給予特別關(guān)注。在散熱設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證這些IC工作在理想溫度下，使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的晶體管來(lái)直接監(jiān)視CPU管芯的溫度。如用智能風(fēng)扇速度控制器來(lái)直接監(jiān)測(cè)溫度，見(jiàn)圖1。CPU管芯可直接監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)智能冷卻，所以可以保證系統(tǒng)工作在理想溫度下，以滿(mǎn)足MTBF要求。

內(nèi)置熱敏二極管
利用恒定電流下二極管的負(fù)溫度系數(shù)特性，通過(guò)測(cè)量Vbe，其中Vbe=(nKT/q)ln(Ic/Is)，可以測(cè)得熱敏二極管的溫度。不過(guò)這種方法需要校準(zhǔn)源級(jí)電流Is絕對(duì)零的影響，較好的方法是測(cè)量器件在兩個(gè)不同電流下的Vbe變化，也就是芕be=(nKT/q)ln(N)，其中K是玻耳茲曼常數(shù)，q是電子的電荷，T是絕對(duì)溫度，N是兩個(gè)電流比，n是熱敏二極管的理想因數(shù)。
為了測(cè)量苬be，傳感器在工作電流I和NI之間變化，并通過(guò)采用低通濾波器來(lái)獲得波形，再通過(guò)斬波放大，從而得到一個(gè)正比于苬be的直流電壓，電壓通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供二進(jìn)制的溫度輸出信號(hào)，并對(duì)16個(gè)測(cè)量周期值進(jìn)行平均，可以進(jìn)一步減小噪音的影響。
圖1中，如果CPU不帶片上晶體管，可以采用分散的晶體管，但需把集電極縛在晶體管的基極上。為了避免來(lái)自地線(xiàn)噪音對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，可以使用一個(gè)外部二極管的D輸入，使傳感器負(fù)端被拉高在地線(xiàn)信號(hào)以上。如果傳感器工作在噪音環(huán)境下，那么使用電容C1進(jìn)行濾波，電容通常情況下取為2200pF。為了節(jié)約功耗以及降低外部噪音，可以根據(jù)熱負(fù)載來(lái)停止或者降低風(fēng)扇的速度。
第二個(gè)熱監(jiān)控電路單獨(dú)位于CPU管芯處，溫度傳感二極管輸出和溫度相關(guān)的電流，然后與電流源進(jìn)行比較，同時(shí)當(dāng)CPU溫度達(dá)到最大允許工作溫度時(shí)，就向CPU發(fā)送一個(gè)PROCHOT#信號(hào)，然后電流源被鎖止。從理論上說(shuō)，PROCHOT#在解決處理器的溫度問(wèn)題時(shí)是一個(gè)比較好的方法，但在處理器停止運(yùn)行、睡眠、深睡眠狀態(tài)下，不能發(fā)送PROCHOT#信號(hào)。在通常的負(fù)載情況下，即使CPU處于睡眠狀態(tài)，功耗也不低于30%，并且大量晶體管泄漏電流也會(huì)流經(jīng)管芯，使CPU過(guò)熱，從而導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉。
為了防止由于過(guò)熱而損壞CPU，Intel公司采用了一種熱導(dǎo)航開(kāi)關(guān)。當(dāng)管芯溫度達(dá)到125℃~135℃時(shí)，CPU所有時(shí)鐘都被掛起并發(fā)送THERMTRIP#信號(hào)。由于很高的泄漏電流仍然會(huì)使之升溫，Intel規(guī)定在500ms內(nèi)關(guān)閉電源電壓Vcc，并且一直發(fā)送THERMTRIP#信號(hào)，直到RESET#被初始化。THERMTRIP#獨(dú)立于CPU時(shí)鐘，即使在低功耗狀態(tài)下它也能正常發(fā)送。
利用PROCHOT#和 THERM TRIP#不能完全可靠地防止處理器過(guò)熱的發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)不能被動(dòng)冷卻時(shí)，系統(tǒng)必須主動(dòng)系統(tǒng)散熱。使用上面三種機(jī)制可以獲得很好的熱設(shè)計(jì)，但是使用一個(gè)獨(dú)立的熱監(jiān)控可能是最好的解決方案。通過(guò)連接一個(gè)內(nèi)建熱敏二極管到智能風(fēng)扇控制器，就可以自動(dòng)確定CPU是否需要主動(dòng)冷卻，并使用一個(gè)預(yù)編程的控制環(huán)來(lái)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇，如圖2所示。如果能建立一個(gè)精確的熱模型，硬件監(jiān)控就可以保證CPU工作在安全溫度范圍內(nèi)。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)最大處理性能，而且風(fēng)扇僅工作在需要散熱的條件下，既可以增加溫度敏感元器件的MTBF，也使系統(tǒng)的噪音特性得到提高。

MTBF
未來(lái)PC將更多的考慮產(chǎn)品壽命及可靠性。半導(dǎo)體廠(chǎng)商通常使用的溫度/可靠性模型大多基于Sematech可靠性技術(shù)咨詢(xún)委員會(huì)在1999年發(fā)表的論文“新型半導(dǎo)體技術(shù)可靠性評(píng)價(jià)的應(yīng)用條件”，論文詳細(xì)說(shuō)明了使用Arrhenius等式來(lái)建立溫度影響模型。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)，等式表明半導(dǎo)體的長(zhǎng)期可靠性隨著溫度的增加而呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減。遞減率r(t)等于初始失效率r0乘以一定反應(yīng)過(guò)程EA下的負(fù)活性能量常數(shù)e，然后除以玻耳茲曼常數(shù)k和開(kāi)氏溫度T。在確定單個(gè)器件EA的條件下，通過(guò)大量的強(qiáng)化壽命測(cè)試以及長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)失效統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究，可以獲得復(fù)合活性能量下的所有器件的失效模式。但是由于復(fù)合活性能量具有高度預(yù)測(cè)性以及會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，所以大多數(shù)的半導(dǎo)體廠(chǎng)商都不會(huì)發(fā)表某個(gè)器件的復(fù)合活性能量，而關(guān)注半導(dǎo)體廠(chǎng)商公布的CPU在正確安裝以及在推薦規(guī)范下的使用壽命是很重要的。如果CPU長(zhǎng)期工作在最大溫度下，會(huì)大大降低使用壽命，在低溫下使用則壽命會(huì)延長(zhǎng)?！?/P>

作者簡(jiǎn)介：
Sean Gilmour，愛(ài)爾蘭Limerick模擬器件溫度和系統(tǒng)監(jiān)視研發(fā)小組的應(yīng)用工程師。