風(fēng)扇自動(dòng)控制：高速芯片冷卻技術(shù)的趨勢
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高速芯片通常會(huì )逐漸變熱。它們跑得越快就會(huì )越熱。新一代的高速數字芯片使用了更小尺寸的工藝，允許降低電源電壓，這會(huì )有一些幫助，但是晶體管數量的增加比電源電壓的降低要快，因此功率水平仍然在上升。
當晶片溫度上升時(shí)，性能會(huì )受到影響。參數改變、最大工作頻率降低，而且定時(shí)超出規定。從用戶(hù)的角度來(lái)看，發(fā)生這些情況時(shí)，產(chǎn)品不再正常工作。因此，冷卻高速芯片的首要原因就是在盡可能長(cháng)的工作時(shí)間和最寬的環(huán)境條件范圍內保持良好的性能。滿(mǎn)足參數規范的條件下，高速芯片的最大允許溫度取決于工藝和芯片的設計方法(芯片工作在何種“接近邊緣”的程度)，以及其他一些因素。晶片典型的最大溫度范圍是+90°C至+130°C。
超出性能開(kāi)始惡化的臨界點(diǎn)工作時(shí)，過(guò)高的晶片溫度會(huì )給晶片造成災難性的損害。最大晶片溫度通常遠高于+120°C，并且由諸如工藝、封裝和處于高溫條件的時(shí)間等因素而定。因此，高速芯片需要被冷卻以免達到性能惡化和導致永久性損壞的溫度。
高速芯片很少使用單一的冷卻技術(shù)。實(shí)際上，一般需要結合多種技術(shù)以確保高性能和持續可靠性。散熱片、熱管、風(fēng)扇和時(shí)鐘節流是高速芯片最常用的冷卻手段。最后兩個(gè)，風(fēng)扇和時(shí)鐘節流，能夠幫助解決熱問(wèn)題，但它們會(huì )引入自身的問(wèn)題。
風(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。全速運轉的冷卻風(fēng)扇的噪聲會(huì )令很多消費者厭煩，也正成為政府機構所關(guān)心的問(wèn)題，即工作場(chǎng)所中為時(shí)已久的噪聲效應。根據溫度來(lái)調節風(fēng)扇速度能明顯地降低風(fēng)扇噪聲；當溫度低時(shí)，風(fēng)扇可緩慢運轉(可非常安靜)，當溫度上升時(shí)，則加速運轉。
時(shí)鐘節流—降低時(shí)鐘速度來(lái)減少功耗—通過(guò)降低系統性能來(lái)發(fā)揮作用。當時(shí)鐘被節流時(shí)，系統繼續工作，但是在降低的速度下工作。很明顯，在高性能系統中，只有在絕對需要時(shí)，即溫度達到將停止工作時(shí)刻時(shí)，才能實(shí)行節流。
基于溫度控制風(fēng)扇速度或時(shí)鐘節流需要首先測量高速芯片的溫度。這可通過(guò)靠近目標芯片——直接相鄰或有時(shí)在下面、或在散熱片上放置一個(gè)溫度傳感器來(lái)實(shí)現。這種方式測量出的溫度與高速芯片的溫度相對應，但明顯偏低(相差多達30°C)，并且測量溫度和晶片溫度之間的差異會(huì )隨著(zhù)功耗的增加而增大。因此，電路板或散熱片的溫度必須與高速芯片的溫度相關(guān)起來(lái)。
對于許多高速芯片，有更好的解決方案。許多CPU、圖像芯片、FPGA和其它高速I(mǎi)C包含了一個(gè)“熱二極管”，實(shí)際上是連接為二極管的雙極型晶體管，位于晶片上。將遠程二極管溫度傳感器與此熱二極管相連，能夠直接測出極其精確的高速芯片溫度。這不僅繞開(kāi)了在IC封裝外測量溫度時(shí)所遇到的大溫度梯度問(wèn)題，而且還消除了很長(cháng)的熱時(shí)間常數問(wèn)題，從幾秒到幾分鐘，提高了對于晶片溫度變化的響應速度。
對于風(fēng)扇控制的需求迫使設計者做出幾個(gè)關(guān)鍵選擇。第一個(gè)選擇是調節風(fēng)扇速度的方法。調節無(wú)刷直流風(fēng)扇速度的常用方法是調整風(fēng)扇的電源電壓。這種方法可在電源電壓最低到額定值的40%時(shí)很好地工作。但有一個(gè)缺點(diǎn)。如果使用線(xiàn)性調節器件來(lái)改變電源電壓的話(huà)，則效率很低。使用開(kāi)關(guān)電源可以獲得更好的效率，但會(huì )增加成本和元件數量。
另外一個(gè)流行的風(fēng)扇速度控制技術(shù)是用一個(gè)低頻PWM信號驅動(dòng)風(fēng)扇，一般在30Hz范圍內，通過(guò)調整該信號的占空比來(lái)調節風(fēng)扇速度。因為只用單個(gè)小開(kāi)關(guān)管，因而這種方案的成本低廉。由于晶體管作為開(kāi)關(guān)使用，所以效率很高?？墒?，該法的不足之處就是風(fēng)扇會(huì )多少有些噪聲，這是由脈沖方式的電源引起的。PWM波形的快速邊沿會(huì )引起風(fēng)扇的機械結構移動(dòng)(有點(diǎn)像設計很差的揚聲器)，因而產(chǎn)生聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲。
另外一個(gè)風(fēng)扇控制的設計選擇是是否測量風(fēng)扇速度，以便作為控制策略的一部分。除了電源和地，許多風(fēng)扇都有第三根線(xiàn)，該線(xiàn)向風(fēng)扇控制電路提供“轉速計”信號。轉速計輸出在風(fēng)扇每旋轉一圈時(shí)產(chǎn)生特定數量的脈沖(例如兩個(gè)脈沖)。一些風(fēng)扇控制電路將這種轉速計信號作為反饋，調節風(fēng)扇電壓或PWM占空比以獲得期望的RPM。更簡(jiǎn)單的方法是忽略任何轉速計信號，只調節風(fēng)扇驅動(dòng)加速或減速。該方案的速度控制精度較小，但成本更低，并且至少省卻了一個(gè)反饋環(huán)，簡(jiǎn)化了控制系統。
在一些系統中，限制風(fēng)扇速度的變化速率也很重要。當系統與用戶(hù)非常接近時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。有些情況下簡(jiǎn)單地開(kāi)關(guān)風(fēng)扇或當溫度變化時(shí)立即改變速度是可接受的?？墒?，當用戶(hù)就在附近時(shí)，風(fēng)扇噪聲的突然變化會(huì )格外顯著(zhù)且令人討厭。將風(fēng)扇驅動(dòng)信號的變化率限制在一定限度以?xún)?如1%每秒)會(huì )最大限度降低風(fēng)扇控制的聽(tīng)覺(jué)效果。風(fēng)扇速度同樣改變了，但不會(huì )特別引人注意。
另外一個(gè)重要的設計因素是風(fēng)扇控制策略。通常情況下，風(fēng)扇在特定的溫度門(mén)限以下關(guān)閉，當超過(guò)門(mén)限后開(kāi)始低速旋轉(例如全速度的40%)。當溫度上升時(shí)，風(fēng)扇驅動(dòng)隨溫度線(xiàn)性增長(cháng)，直至100%的驅動(dòng)。最佳斜率依賴(lài)于系統要求。更大的斜率一定程度上可獲得更穩定的芯片溫度，但當功耗隨時(shí)變化時(shí)，風(fēng)扇速度的變化量更大。如果目標是高性能，則應該選擇起始溫度和斜率，以使風(fēng)扇在晶片溫度高到足以啟動(dòng)時(shí)鐘節流之前達到全速運轉。
風(fēng)扇控制電路可以多種方式實(shí)現。具有多達5個(gè)測量通道的多種遠端溫度傳感器可直接檢測高速芯片的溫度，并將溫度數據傳送給微處理器。具有多個(gè)風(fēng)扇轉速計監視通道的風(fēng)扇速度調節器可對風(fēng)扇RPM或電源電壓提供可靠的控制，并可接受來(lái)自于外部微控制器的命令。為了降低成本和簡(jiǎn)化設計，單片封裝內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(guò)溫檢測，可用于時(shí)鐘節流或系統關(guān)斷，因而可避免高速芯片因過(guò)熱而災難性損毀。
這種IC的例子有兩個(gè)，一個(gè)是直流驅動(dòng)，另一個(gè)是PWM驅動(dòng)，如圖1和2所示。圖1中的IC遠程檢測溫度并根據溫度控制風(fēng)扇速度。該芯片通過(guò)一個(gè)內部功率晶體管產(chǎn)生一個(gè)直流電源電壓。圖2中的IC具有類(lèi)似功能，但通過(guò)一個(gè)外部晶體管以PWM波形來(lái)驅動(dòng)風(fēng)扇。兩者都具備完整的熱故障監測和過(guò)熱輸出，如果高速芯片太熱可用來(lái)關(guān)斷系統。
圖1. 線(xiàn)性(直流輸出)溫度傳感器和自動(dòng)風(fēng)扇速度控制器。根據高速芯片的溫度自動(dòng)控制風(fēng)扇速度。風(fēng)扇的轉速計反饋允許風(fēng)扇控制器直接調節風(fēng)扇速度。系統關(guān)斷輸出防止高速芯片到達毀滅性溫度。
圖2. PWM輸出的溫度傳感器和自動(dòng)風(fēng)扇速度控制器。根據溫度來(lái)自動(dòng)控制風(fēng)扇速度。時(shí)鐘節流和系統關(guān)斷輸出防止高速芯片達到毀滅性溫度。將CRIT0和CRIT1管腳連接到電源或地可選擇默認的關(guān)斷溫度門(mén)限，即使系統軟件掛起時(shí)也能確保安全。
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