电子系统散热管理架构


　在散热管理上，电子系统负责的工作虽然只有对温度的量测及对风扇的控制，但这却是整个散热系统中最核心的部分。温度感测与风扇控制的规划架构可以有很多种作法，好的规划对于整体的散热效益影响甚钜；加上目前计算机系统中需侦测和控制温度的元件很多，在规划上必须考量如何进行最佳化的感测及控制电路？控制的模式为何？如何做到最精确的温度感测，以及对风扇做到智能性的控制？这些都是设计上很大的挑战。此外，今日Intel已推出不少散热管理的新技术，包括SST、DTS、PECI等，这些新技术都具有改善散热效益的优势，但工程师必须懂得如何运用这些技术，才能让它们的功能获得完善的表现。

　■风扇控制

　风扇是将热量从电源供应器、CPU和硬碟处移除的最基本方法。目前每个计算机用的风扇都使用一个无刷式（brushless）的DC马达，这种风扇的效率与马达控制的状况密切相关。无刷式DC风扇马达控制器提供更高等级的系统控制，它整合了一个马达控制驱动器，此驱动器能接收数码及类比PWM讯号，进而提供准确的空气流动和噪音控制。

　传统的风扇马达只有两线的输出入控制，只具有接地（GND）和电压（12V）两个接脚，因此若不是将风扇一直打开，就只能基于恒温器（thermostat）型式的输入值，在超过某一特定温度时来打开风扇。进一步的作法是三线风扇，也就是多了一个接脚来传输转速计（tachometer；tach）讯号。而Intel最新的作法是再多一个PWM输入接脚的四线风扇，此风扇把PWM的输入视为一个讯号值，能在极高的PWM频率下运作，同时还会用到一个更高（kHz范围）PWM频率值。在这个设计中，马达的速度可以降低20％，但仍能可靠地启动。

 

　■温度感测

　所有的热量管理都是从温度的量测开始的。要做到温度量测，方式有很多，包括热电偶（thermocouple）、热敏电阻（thermistor）、温度阻抗型装置（resistance temperature device；RTD）和半导体传感器等。半导体传感器的温度系数较其它方案稍微高一些，在不同的温度时会有不同的偏置值（offset），不过，半导体接合面电压（junction voltage）对应于温度的情况又比其它方案更具有线性化的特征。

　另一种更先进的方法是使用二组电流再减去其电压差异来得出更为线性的ΔVbe。在今日的PC中，几乎所有的量测都使用ΔVbe技术，其中的一个二极管是处理器基板二极管（substrate diode）。当制程从90nm微缩到65nm或更小时，这个二极管变得愈来愈不是个理想的二极管，反而是一个可能造成准确性议题的不良晶体管，其增益beta值甚至会小于1。除了beta值的变异外，漏电也是问题的一部分。

　为了改善这种问题，Intel推出低电压的两线数码式温度传感器（digital temperature sensor；DTS），这颗DTS的温度感测电路会持续地监控内部温度二极管的基极－射极电压，以及连结到D+和D-接脚的远端二极管。这个芯片将两个类比电压转换为数码值，并将此资料放到温度暂存器。使用与SMBus兼容的序列式界面，用户就可以取得温度暂存器中的资料。 

　温度量测的精确度和范围是温度传感器性能评监的关键，这会影响到风扇控制的效益。除了传感器本身的灵敏性外，传感器所在的位置也是一大关键，当传感器离热源愈近，就愈来显示出实际的温度状况，但以CPU来说，传感器的位置与实际热点会有一段差距，很容易就会产生约10℃的温度差异，这要视两者相隔的距离而定。此外，热点并不是一直都在相同的区域，它会经常的改变。对于单核心来说，这是事实；当走向多核心时，情况只会更糟，即使采用了多个传感器也不能完全解决这个问题。

　■智能性热量管理方案

　在今日愈来愈复杂的计算机系统中，热量管理方案也得变得更聪明才行。要将热量管理提升到系统等级的智能性，必须从高度精确的温度感测做起，也就是要能做到±1℃的准确性，并且涵盖了极大的产业应用温度范围。要达成此目标，背后的核心技术可能包括先进能隙（bandgap）、高效能类比转换流动（analog conversion flow）、内部类比数码转换器（ADC）和sigma-delta，以及ΔVbe的建置方式等。而温度感测的准确性可以精确的控制风扇并降低耗电，透过智能性冷却还能将噪音降到最低。

　有了精确的温度感测，就能为系统控制中的保护频带（Guardband）进行最佳化设计，进而能降低风扇运作时间以及电流泄漏，而精确的控制加上一个封闭回路的风扇就能提供即时的运作管理。如果温度感测不够准确，很容易导致风扇过早打开，这会造成过度的耗电及风扇噪音；相较之下，精确的感测能够降低70％的风扇运作需求，进而减少约2W的耗电以及约15dBA的风扇噪音。

　除了功耗与噪音议题外，错误的温度感测也会导致系统的严重问题，尤其是无法恰当的保护CPU，进而让处理器愈来愈热、消耗愈多的能量，也缩减了使用寿命；此外，过热的系统会产生当机现象或损毁资料及其它元件。为了提升对系统的管理，具有风扇控制的数码远矩温度传感器还能将感测功能与可调变风扇速度控制整合在一起，进而改善系统效能和增加可靠性。

　自动风扇控制让系统设计师能充分利用减少保护频带的好处来为风扇开关的时间做到最佳化的设计。这个封闭回路系统利用流入或周围温度及有效率的PWM控制来减少升温或降温模式时的风扇启用时间，这类传感器具有最小及最大速度、迟滞（hysteresis）和警示的组态暂存器（configuration register），进而让风扇能基于准确的温度量测来做线性的速度控制。降低启用时间能增加风扇及整个系统在失误（MTBF）和稳定性之间的中间时间（mean time）。

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