保持PC安全、安静和冷却的热管理技术

引言
最新个人电脑的工作速度已经超过2GHz。伴随这惊人速度而来的是CPU和外围设备所产生的大量热量。降温风扇通常用来驱散这些过量的热量，但是风扇会增加音频噪声。降低CPU内核的电压和系统时钟能够减少热量耗散，但是这是以牺牲工作性能为代价的。
最新的系统和热监视器件整合了复杂的温度监视器、电压监视器和风扇控制功能，使所有参数达到平衡并且保持个人电脑的冷、静和安全。图1是一个典型系统的配置方框图。


图1  系统方框图

温度测量
测量温度最理想的地方是系统中的最热点。可以是CPU或者是电源、内存、硬盘、显卡这样的外围设备。某些热量监视器提供两个远端的热二极管监视通道加上一个芯片上的温度传感器，这样就能够监测到三个不同的热区。所有现代的微处理器都包括芯片上的热监视二极管，用来测量CPU的温度。系统里其它远端地点的温度由二极管连接的NPN 或 PNP晶体管读出。这些二极管和晶体管的正向电压在固定的电流下工作，电压按2mV/℃下降。可惜的是，正向电压的绝对值随器件的不同而变化，因此精确测量需要对每个器件作校证。根据DV = (KT/q) ln N，两个同样的二极管工作在不同的电流下所得到的正向电压不同。式中T是绝对温度，q是一个电子的电荷，N表示与工作电流之比。这个技术能够用于测量温度，但是只能用同一二极管切换两个不同的电流，而不是通过两个同样的二极管。
图2所示的信号条件用于这种测量。电流I和NI交替通过传感器，输出信号通过滤波、放大、同步调解产生一个直流电压。电压与DV成比例，精确的表达了被测温度，而且与正向电压的绝对值无关。

图2  远端热敏二极管的信号调理

风扇速度控制
事实上，所有的个人电脑都使用一个或多个风扇来保持系统的安全工作温度。一个新的系统和热监视器在有无测速器的情况下都能够监视和控制四个风扇。用脉冲宽度调节(PWM)来控制风扇，并且提供一个自动风扇速度控制回路，用于个人电脑崩溃或者软件瘫痪后保持系统降温。ADM1027系统监视器和风扇控制器是为低噪声桌面电脑和高性能服务器而设计的。它整合了两个远端热敏二极管和一个芯片上温度传感器，能够控制四个风扇速度和监视五个电压。ADM1027是业内奔腾4芯片仅有的热控制电路监视器，能够自动设置风扇控制回路和最安静的操作。如果由于风扇的失灵、散热器安装不良和空气流不够而导致系统过热，它会产生告警来保证系统安全。
早期的电脑用线性控制改变风扇速度。由于电源电压持续降低，这种方法的效率越来越低，并且控制范围有限。PWM技术通过精确变化11~88Hz方波的占空比来控制风扇速度。PWM能够提供一个更宽的控制范围，更简单的驱动线路，更低的平均电能消耗，它与线性控制相比具有更高的效率。
一个三线风扇的速度能够通过测量测速器的周期来直接确定。在一个过程中，芯片上振荡器被选通进入计数器。PWM的输出前沿触发计数器和计算测速器的周期。对于2线风扇，风扇的速度输入被变换成模拟输入。一个读数电阻将电扇脉冲转换为电压，这个电压由AC耦合接入测量电路。这就使得廉价的2线风扇的速度能精确测定，无需使用更多的昂贵3线风扇。

自动风扇速度控制
自动风扇速度控制回路能够保证在任何给定的温度条件下风扇都能在最佳速度下运行，使得系统的电流消耗最小和产生的音频噪声最低。这个回路将风扇在预先设定的温度下接通，当温度发生变化时再调整速度。对最低温度、温度范围、滞后量和电扇启动时间编程来确定线路中的运行参数，如图3所示。风扇由于惯性不能以最低转速启动。为了克服接通时的惯性，将增加脉冲宽度直到风扇稳定运行，然后降低脉宽至风扇达到被测温度所确定的速度。如果风扇被卡住或断开而出现故障，回路会产生一个中断信号。


图3  自动风扇速度控制


音频噪声的最小化
CPU的功率消耗和温度由于繁忙的数字计算或者视频处理而快速变化。如果风扇能够立刻响应这些快速变化，就不必考虑这种令人烦躁的噪声电平变化的影响。相反，PWM的占空比被控制在一个固定速率上下变动。每次读取温度时，将计算出新的占空比。如果新值比前一次升高，占空比将按速率增加。相反，如果新值比前一次有所降低，则占空比将减小。
系统风扇(比如底板风扇最为典型)通常比其它风扇(比如CPU风扇)噪声更大。因此，一个风扇的增强声音模式可相对其它风扇来单独调整，即使它们受到相同的远端温度测量的控制。这就达到在维持系统正常运作时减小音频噪声成为可能。

不会失效的散热
某些系统和热监视器可以监视三个发热区，支持四个风扇的冗余冷却。在大型高可用性系统中，采用分布式电路来感知温度和散热。任何通道出现超温时，所有的风扇全速运转直到温度降到安全范围。相似的，如果CPU温度过高，则所有的风扇也都同时打开。这种情况发生在设计不良的系统中，包括散热器容量不够、安装不合适、润滑油量不够、风扇失效、或者人为问题，如气流不够或者安装了太多高功率的外围设备等。有监控的系统比没有监控的系统噪声低，因为它能自动校正并能在接近热量限值的范围内安全工作。

结语
系统性能不好或者音频噪声电平较高会引起最终用户不满意，防碍产品在市场上的成功推出。设计优良的系统可在冷却和安静的状态下运行，保护CPU和其他重要组件免受灾害性损坏，这将提高系统的性能，使用户更为满意。