保持PC安全、安靜和冷卻的熱管理技術

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和外圍設備所產(chǎn)生的大量熱量。降溫風扇通常用來驅(qū)散這些過量的熱量，但是風扇會增加音頻噪聲。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)視器件整合了復雜的溫度監(jiān)視器、電壓監(jiān)視器和風扇控制功能，使所有參數(shù)達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?？梢允荂PU或者是電源、內(nèi)存、硬盤、顯卡這樣的外圍設備。某些熱量監(jiān)視器提供兩個遠端的熱二極管監(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)里其它遠端地點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，精確的表達了被測溫度，而且與正向電壓的絕對值無關。

圖2  遠端熱敏二極管的信號調(diào)理

風扇速度控制
事實上，所有的個人電腦都使用一個或多個風扇來保持系統(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)視和控制四個風扇。用脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)來控制風扇，并且提供一個自動風扇速度控制回路，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)視器和風扇控制器是為低噪聲桌面電腦和高性能服務器而設計的。它整合了兩個遠端熱敏二極管和一個芯片上溫度傳感器，能夠控制四個風扇速度和監(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，能夠自動設置風扇控制回路和最安靜的操作。如果由于風扇的失靈、散熱器安裝不良和空氣流不夠而導致系統(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技術通過精確變化11~88Hz方波的占空比來控制風扇速度。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入計數(shù)器。PWM的輸出前沿觸發(fā)計數(shù)器和計算測速器的周期。對于2線風扇，風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線風扇的速度能精確測定，無需使用更多的昂貴3線風扇。

自動風扇速度控制
自動風扇速度控制回路能夠保證在任何給定的溫度條件下風扇都能在最佳速度下運行，使得系統(tǒng)的電流消耗最小和產(chǎn)生的音頻噪聲最低。這個回路將風扇在預先設定的溫度下接通，當溫度發(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行參數(shù)，如圖3所示。風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扇穩(wěn)定運行，然后降低脈寬至風扇達到被測溫度所確定的速度。如果風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)字計算或者視頻處理而快速變化。如果風扇能夠立刻響應這些快速變化，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)風扇(比如底板風扇最為典型)通常比其它風扇(比如CPU風扇)噪聲更大。因此，一個風扇的增強聲音模式可相對其它風扇來單獨調(diào)整，即使它們受到相同的遠端溫度測量的控制。這就達到在維持系統(tǒng)正常運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，所有的風扇全速運轉(zhuǎn)直到溫度降到安全范圍。相似的，如果CPU溫度過高，則所有的風扇也都同時打開。這種情況發(fā)生在設計不良的系統(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備等。有監(jiān)控的系統(tǒng)比沒有監(jiān)控的系統(tǒng)噪聲低，因為它能自動校正并能在接近熱量限值的范圍內(nèi)安全工作。

結語
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。設計優(yōu)良的系統(tǒng)可在冷卻和安靜的狀態(tài)下運行，保護CPU和其他重要組件免受災害性損壞，這將提高系統(tǒng)的性能，使用戶更為滿意?！?