利用LM85芯片為處理器提供獨立式扇速控制

Application Brief Autonomous Fan Control For Processor Systems Using the LM85
美國國家半導體公司　Emmy Denton
為了減低系統的維護成本，許多嵌入式微處理機系統都裝設了硬件監視器，以提供基本的系統診斷功能。該項功能可以確保我們在發(fā)生問(wèn)題時(shí)，通知到工程人員前來(lái)解決問(wèn)題，或者是更換正確的元件。系統診斷功能包括檢測供應的電源是否出現過(guò)壓/欠壓情況、系統散熱扇是否出現故障以及系統元件是否過(guò)度受熱等。

由于處理器及其他元件在運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱能，因此許多處理系統都需要加設散熱風(fēng)扇，但散熱風(fēng)扇會(huì )產(chǎn)生令用戶(hù)感到煩厭的噪音。目前有許多方法可以控制噪音音量，而最明顯的方法是控制扇速。

LM85 硬件監視器可提供3組脈沖寬度調制 (PWM) 輸出，以便控制散熱扇驅動(dòng)電路。此外，LM85 芯片也可監視5個(gè)不同的電源供應的電壓、4個(gè)散熱扇轉速計的輸出信號，以及一組處理器的電壓穩壓器模塊 VID 輸出。

脈沖寬度調制 (PWM) 輸出可以根據3個(gè)不同的溫度區做自動(dòng)的調整。其中兩個(gè)區的溫度是由兩個(gè)已連接遠程熱感二極管的晶體管負責感測，而第三區的溫度則是 LM85 芯片所在位置的溫度。

有關(guān)系統可以通過(guò)查詢(xún)功能直接向 LM85 芯片的狀態(tài)寄存器探詢(xún)，以確定出錯的地方。LM85 芯片設有儲存測量數值的高低限值寄存器。某一量度數值可與高低限值加以比較，一經(jīng)核對比較之后，狀態(tài)寄存器內的有關(guān)數據便會(huì )自動(dòng)設定或清除。

圖 1 顯示系統內 LM85 芯片的典型電路。LM85 芯片利用與 SMBus 2.0 接口兼容的簡(jiǎn)單雙線(xiàn)串行接口與系統進(jìn)行通信。有一點(diǎn)須注意，其中一個(gè)遠程熱感二極管內置于處理器的芯片內。這款二極管是所有 CMOS 工藝技術(shù)都會(huì )采用的寄生 PNP。所不同的是這款二極管經(jīng)過(guò)特別設計，可與 LM85 芯片搭配一起使用。這個(gè)二極管熱傳感器可以裝設于任何 CMOS 特殊應用集成電路 (ASIC) 之內，經(jīng)過(guò)調校之后便可配合 LM85 芯片一起運作。

如欲查詢(xún)有關(guān)使用二極管熱傳感器時(shí)的誤差來(lái)源的進(jìn)一步資料，請參看標題為 高性能處理器系統的熱能管理 的研討會(huì )存檔資料，

PWM 散熱扇驅動(dòng)電路采用簡(jiǎn)單的 2N2222 NPN 晶體管。由于 LM85 芯片可以提供4個(gè)轉速計輸入，但 PWM 輸出則只有3個(gè)，因此 PWM3 只好由兩個(gè)散熱扇共用。

這款電路的唯一缺點(diǎn)是 2N2222 在飽和后會(huì )出現壓降，令散熱扇因為不能獲得足 12 伏電壓的支持而無(wú)法以最高速度運轉。只要采用金屬氧化半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 取代雙極晶體管，壓降情況便可獲得改善，但這樣會(huì )增加系統成本。另一個(gè)可行方法是裝設一個(gè)稍大的散熱扇，這個(gè)設計更有助減低散熱扇發(fā)出的噪音。利用轉速計輸出監視扇速則會(huì )產(chǎn)生另一問(wèn)題。若利用脈沖寬度調制 (PWM) 輸出將散熱扇的電源供應截斷，轉速計的信號則會(huì )被扭曲，尤其是當 PWM頻率較高及/或占空比較低時(shí)。由于關(guān)閉 2N2222 時(shí)接地將會(huì )轉往阻抗極高的負載，因此若 PWM 頻率很高及/或占空比很低，轉速計信號也會(huì )被扭曲。圖 2 顯示過(guò)高的 PWM 頻率會(huì )引發(fā)甚么后果出現。圖中上半部分的信號跟蹤軌跡顯示 PWM 2N2222 集極至散熱扇的驅動(dòng)路線(xiàn)。圖中下半部分的信號跟蹤軌跡顯示散熱扇轉速計的輸出。

LM85 芯片有兩個(gè)方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。例如，若采用 30 Hz 的 PWM 頻率，可準確量度的最低速度約為 2500 RPM。但只要采用 LM85 芯片的獨特電路，這個(gè)最低速度可以大幅降低至 420 RPM 左右。

LM85 芯片的獨立式扇速控制建基于量度溫度與 PWM 輸出之間的線(xiàn)性關(guān)系。圖 3 顯示用以控制扇速的寄存器。 扇速溫度極限 是一個(gè)溫度的設定點(diǎn)，每當溫度觸及這個(gè)設定點(diǎn)，PWM 輸出便會(huì )開(kāi)始上升。溫度范圍 是指可以達到 100% PWM 的預先設定溫度范圍。PWM 可以按照線(xiàn)性的規律變動(dòng)，由設定為 扇速溫度極限 的最低水平增加至 100% (即 扇速溫度極限 加 溫度范圍)。每當溫度不斷下降，以至溫度讀數比 扇速溫度極限 - 磁滯 還要低時(shí)，PWM 輸出便會(huì )下降至最低的設定點(diǎn)。最低的 PWM 可以設于任何水平。若已超過(guò)了 絕對極限，其他兩個(gè) PWM 輸出會(huì )設定為 100% 占空比。每一 PWM 輸出可分配至任何溫度區，例如其中一個(gè)、兩個(gè)、或全部三個(gè)溫度區之中的最熱一個(gè)。

扇速溫度極限 - 磁滯
(0度至 15度)
(6Dh-6Eh)
扇速溫度極限
(67h-69h)
扇速溫度極限 + 溫度范圍 (2度至 80度)
(5Fh-61h)
絕對極限
(6Ah-6Ch)
x 區最低 PWM 或關(guān)閉
PWM 占空度按照線(xiàn)性規律增加
PWM 占空度按照線(xiàn)性規律減少
x 區的 PWM 設定為 最低扇速 (64h-66h)
x 區的 PWM 設定為 最低扇速 (64h-66h)
x 區的 PWM 設定為 100%
各區的 PWM 設定為 100%