高速芯片冷卻技術(shù)——風(fēng)扇自動(dòng)控制的應(yīng)用概況

風(fēng)扇冷卻技術(shù)是目前大功率高速(如CPU、FPGA和GPU)產(chǎn)品和系統(tǒng)散熱降溫中的重要技術(shù)與部件。但令人不滿意的是，冷卻風(fēng)扇有時(shí)會帶來令使人討厭的音頻噪聲，尤其是高速旋轉(zhuǎn)時(shí)更為突出。如今，可通過測量芯片溫度并相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度，使其在溫度較低時(shí)可最大限度降低風(fēng)扇速度和噪聲，但在風(fēng)扇速度降低最大時(shí)，會出現(xiàn)引發(fā)溫度又上升的最壞情況。此時(shí)為防止芯片損壞，必然又要提高風(fēng)扇速度。對這樣的矛盾，采用何種速度自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇冷卻方案是本文討論的主題。在此，先要說明高速芯片為什么會逐漸變熱?這是因?yàn)楦咚傩酒\(yùn)行速度越快就會越熱。雖然新一代的高速數(shù)字芯片使用了更小尺寸的工藝并允許降低電源電壓，這是有利的，但是晶體管數(shù)量的增加卻比電源電壓的降低要快，因此芯片功率損耗仍然很高，其溫度隨之迅速上升。
 
首要問題的解決

那末什么是首要問題?當(dāng)芯片溫度上升時(shí)，性能會受到影響。即，參數(shù)會改變、最大工作頻率會降低，而且時(shí)常要超出規(guī)定指標(biāo)。發(fā)生這些情況時(shí)，使用戶所用的產(chǎn)品或系統(tǒng)不再能正常工作。因此，高速芯片冷卻的首要問題，就是在很長的工作時(shí)間內(nèi)和最寬的環(huán)境條件范圍內(nèi)能保持良好的性能。在滿足參數(shù)指標(biāo)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)方法以及其他一些因素。而目前芯片典型的最大溫度范圍是+90℃至+130℃，當(dāng)工作超過性能指標(biāo)的臨界點(diǎn)時(shí)，就會開始惡化，即過高的芯片溫度會給芯片造成災(zāi)難性的損害。大量芯片溫度通常遠(yuǎn)高于+120℃，它是由工藝、封裝和在高溫條件下所處時(shí)間等因素而定。因此，高速芯片需要被冷卻，使其能在無性能惡化或永久性無損壞的溫度下長期工作。
 
如何解決

這實(shí)際上是風(fēng)扇冷卻自動(dòng)控制技術(shù)與可靠性的分折與設(shè)計(jì)。如今高速芯片很少使用單一的冷卻技術(shù)。實(shí)際上都是應(yīng)用多種技術(shù)的結(jié)合以確保持續(xù)的高性能和可靠性。而散熱片、熱管、風(fēng)扇和時(shí)鐘節(jié)流是高速芯片量常用的冷卻手段。其風(fēng)扇和時(shí)鐘節(jié)流是最能夠幫助解決散熱問題，但它們也會引入自身的問題。這是為什么?因?yàn)轱L(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)扇所具噪聲，即工作場所中時(shí)久的噪聲效應(yīng)會令很多使用者厭煩，這是設(shè)計(jì)技術(shù)迫切應(yīng)解決的問題。那就是要根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度能明顯地降低風(fēng)扇噪聲，即當(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)，則風(fēng)扇加速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)速度的高穩(wěn)定的自動(dòng)控制。值此，分別就以下幾種新型風(fēng)扇冷卻自動(dòng)控制技術(shù)作介紹。 關(guān)于時(shí)鐘節(jié)流技術(shù) 時(shí)鐘節(jié)流的就是降低時(shí)鐘速度來減少功耗，即通過降低系統(tǒng)性能發(fā)揮出冷卻功能。當(dāng)時(shí)鐘節(jié)流時(shí)，系統(tǒng)仍繼續(xù)工作，但是在系統(tǒng)運(yùn)行速度被降低。很明顯，在高性能系統(tǒng)中，這種時(shí)鐘節(jié)流技術(shù)只有在特別狀態(tài)下，即芯片溫度升高將造成工作不正常或?qū)⑼Ｖ构ぷ鲿r(shí)才會被應(yīng)用。

高速芯片的溫度測量

基于用溫度來控制風(fēng)扇速度或時(shí)鐘節(jié)流技術(shù)均首先要測量高速芯片的溫度，其測量方法這可通過放置一個(gè)溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。而溫度傳感器的放置可以是在芯片表面或靠近芯片相鄰或靠芯片下面的電路板處，而在散熱片上放置溫度傳感器是通常有效正確的辦法。這種方式測量出的溫度與高速芯片的溫度相對應(yīng)，但常常會偏低(有時(shí)誤差達(dá)30℃)，并且測量溫度和芯片溫度之間的差異會隨著功耗的增加而增大。因此，造成了電路板或散熱片的溫度與高速芯片的溫度之間相差一個(gè)較大的溫度梯度關(guān)系。 溫度測量精度的提高 測量精度提高的解決方案是，有許多如CPU、圖像芯片、FPGA等高速芯片及其它高速IC芯片，芯內(nèi)均包含一個(gè)熱二極管“感溫結(jié)”，并位于芯片上，見圖1左面所示的。而在MAX1669內(nèi)置的遠(yuǎn)程結(jié)溫傳感器可直接與熱二極管“感溫結(jié)”相連(見圖1所示)。這樣就能夠直接測出高速芯片的溫度，其精確度很高。這不僅避免了在IC封裝外測量溫度時(shí)所遇到的較大數(shù)值溫度梯度問題(或稱非線性)，而且還消除了從幾秒到幾分鐘的熱時(shí)間常數(shù)問題，提高了對于芯片溫度變化的響應(yīng)速度。 其圖1所示為采用MAXl669實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇線控制的典型電路。MAXl669是風(fēng)扇控制技術(shù)的最新進(jìn)展，即將完整的數(shù)字接口(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)DAC和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路(除功率晶體管外)整合到單片IC中，代表了目前最為常用的風(fēng)扇控制方案。其中，MAXl669的獨(dú)道之處在于它內(nèi)置了一個(gè)遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器，通過引腳DXP(+)與DXN(-)可直接連接到高速芯片的熱二極管“感溫結(jié)”上(熱二極管“感溫結(jié)”可以是2N3906雙極型晶體管，例用2N390作為傳感器)，該MAXl669引腳FAN可將DAC輸出或PWM的線性輸出傳送到風(fēng)扇的功率驅(qū)動(dòng)管IRF7201上。圖1 MAXl669尤其適合于那些因成本或技術(shù)問題的無法配備轉(zhuǎn)速計(jì)的風(fēng)扇。 圖1 MAXl669的DXP與DX引腳為遠(yuǎn)距離傳感器正負(fù)端;ALERT為報(bào)警口，OVERT為過熱口;SMBCLK為時(shí)鐘口，SMBDATA為數(shù)據(jù)口。 風(fēng)扇控制在設(shè)計(jì)上有幾個(gè)關(guān)鍵選擇。

調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度

而調(diào)節(jié)無刷直流風(fēng)扇的速度是常用的方法，即通過調(diào)整風(fēng)扇的電源電壓來實(shí)現(xiàn)。其法可從電源電壓最低值到額定電壓的40%時(shí)均能很好地工作。但其缺點(diǎn)是，如果使用線性調(diào)節(jié)器件來改變電源電壓，則效率很低。而使用開關(guān)電源可以獲得更好的效率，但會增加成本和元件數(shù)量。 而改進(jìn)型的風(fēng)扇速度控制是采用PWM(脈寬調(diào)制)風(fēng)扇控制芯片技術(shù)。該芯片產(chǎn)生—個(gè)低頻PWM信號驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，其低頻一般在30Hz范圍內(nèi)，通過PWM信號占空比的改變來調(diào)整電壓大小從而調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。因?yàn)橹挥脝蝹€(gè)小開關(guān)管實(shí)現(xiàn)開/關(guān)控制，所以這種方案所以效率很高并且成本低廉。但該方法的不足之處就是風(fēng)扇會多少有些噪聲，這是由于電源的脈沖方式引起的。因PWM波形的快速上升下降邊沿會引起風(fēng)扇的機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)(與設(shè)計(jì)很差的楊聲器相似)，故產(chǎn)生了聽得見的噪聲。 用“轉(zhuǎn)速計(jì)”信號實(shí)現(xiàn)控制。 眾所周知，風(fēng)扇的電源除了電源和地外。許多風(fēng)扇都有第三根線。用該線向風(fēng)扇控制電路提供“轉(zhuǎn)速計(jì)”信號，當(dāng)風(fēng)扇每旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)便輸出其所產(chǎn)生的特定數(shù)量脈沖-兩個(gè)脈沖。而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)是應(yīng)用風(fēng)扇內(nèi)裝有的霍爾元件具有對轉(zhuǎn)速能計(jì)數(shù)之功能所構(gòu)成的電路。 一些風(fēng)扇控制電路將這種風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)輸出的信號作為反饋FB(見圖2所示右虛線框圖)，調(diào)節(jié)風(fēng)扇電壓或PWM占空比以獲得期望的RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))。當(dāng)然更簡單的方法是忽略任何轉(zhuǎn)速計(jì)信號，只對風(fēng)扇加速或減速的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。雖則該方案的速度控制精度較低，卻省了一個(gè)反饋環(huán)，簡化了控制系統(tǒng)使成本更低。圖2為MAX6650風(fēng)扇速度控制器與帶有轉(zhuǎn)速信輸出的風(fēng)扇一起構(gòu)成了一個(gè)反饋控制電路。而MAX6650是閉環(huán)風(fēng)扇控制電路，能接受來自風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)輸出的反饋信號FB，這樣能夠直接設(shè)定風(fēng)扇速度，無須擔(dān)心啟動(dòng)和低速運(yùn)行的可靠性問題。

斜率與起始溫度因素的考慮

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)信號隨溫度線性增長，直至100%的驅(qū)動(dòng)。其最佳斜率依賴于系統(tǒng)要求，而更大的斜率在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)間變化時(shí)，風(fēng)扇速度的變化量更大。如果風(fēng)扇控制設(shè)計(jì)的目標(biāo)是高性能，則應(yīng)該選擇起始溫度和斜率，以使風(fēng)扇在芯片溫度高到足以啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)流技術(shù)之前達(dá)到全速運(yùn)轉(zhuǎn)。 風(fēng)扇控制電路的應(yīng)用發(fā)展 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)測量通道的多種遠(yuǎn)端溫度傳感器可直接檢測高速芯片的溫度，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，就可對風(fēng)扇RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))或電源電壓提供可靠的控制，并可接受來自于外部微控制器的命令。為了降低成本和簡化設(shè)計(jì)，單片封裝內(nèi)并包含了溫度測量和自動(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溫檢測，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熱而災(zāi)難性損毀。

為此，再列舉兩個(gè)這種風(fēng)扇控制電路的應(yīng)用例子，一個(gè)是直流驅(qū)動(dòng)(如圖3MAX6660所示)，另一個(gè)是PWM(脈寬調(diào)制)驅(qū)動(dòng)(如圖4所示)。在圖3中用高速芯片遠(yuǎn)程檢測溫度功能實(shí)現(xiàn)了根據(jù)溫度對風(fēng)扇速度的控制。該MAX6660風(fēng)扇控制電路通過一個(gè)內(nèi)部功率晶體管產(chǎn)生直流電源電壓通過引腳FAN來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。圖4中的MAX6663具有類似功能，但通過一個(gè)外部場效應(yīng)晶體管MOSFET(VP1)以PWM波形來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。兩者都具備完整的熱故障監(jiān)測和過熱輸出，如果高速芯片太熱可用來關(guān)斷系統(tǒng)。