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(dǎo)體公司　Emmy Denton
為了減低系統(tǒng)的維護成本，許多嵌入式微處理機系統(tǒng)都裝設(shè)了硬件監(jiān)視器，以提供基本的系統(tǒng)診斷功能。該項功能可以確保我們在發(fā)生問題時，通知到工程人員前來解決問題，或者是更換正確的元件。系統(tǒng)診斷功能包括檢測供應(yīng)的電源是否出現(xiàn)過壓/欠壓情況、系統(tǒng)散熱扇是否出現(xiàn)故障以及系統(tǒng)元件是否過度受熱等。

由于處理器及其他元件在運行時會產(chǎn)生熱能，因此許多處理系統(tǒng)都需要加設(shè)散熱風(fēng)扇，但散熱風(fēng)扇會產(chǎn)生令用戶感到煩厭的噪音。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(jiān)視器可提供3組脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出，以便控制散熱扇驅(qū)動電路。此外，LM85 芯片也可監(jiān)視5個不同的電源供應(yīng)的電壓、4個散熱扇轉(zhuǎn)速計的輸出信號，以及一組處理器的電壓穩(wěn)壓器模塊 VID 輸出。

脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出可以根據(jù)3個不同的溫度區(qū)做自動的調(diào)整。其中兩個區(qū)的溫度是由兩個已連接遠(yuǎn)程熱感二極管的晶體管負(fù)責(zé)感測，而第三區(qū)的溫度則是 LM85 芯片所在位置的溫度。

有關(guān)系統(tǒng)可以通過查詢功能直接向 LM85 芯片的狀態(tài)寄存器探詢，以確定出錯的地方。LM85 芯片設(shè)有儲存測量數(shù)值的高低限值寄存器。某一量度數(shù)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(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)便會自動設(shè)定或清除。

圖 1 顯示系統(tǒng)內(nèi) LM85 芯片的典型電路。LM85 芯片利用與 SMBus 2.0 接口兼容的簡單雙線串行接口與系統(tǒng)進行通信。有一點須注意，其中一個遠(yuǎn)程熱感二極管內(nèi)置于處理器的芯片內(nèi)。這款二極管是所有 CMOS 工藝技術(shù)都會采用的寄生 PNP。所不同的是這款二極管經(jīng)過特別設(shè)計，可與 LM85 芯片搭配一起使用。這個二極管熱傳感器可以裝設(shè)于任何 CMOS 特殊應(yīng)用集成電路 (ASIC) 之內(nèi)，經(jīng)過調(diào)校之后便可配合 LM85 芯片一起運作。

如欲查詢有關(guān)使用二極管熱傳感器時的誤差來源的進一步資料，請參看標(biāo)題為 高性能處理器系統(tǒng)的熱能管理 的研討會存檔資料，

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

這款電路的唯一缺點是 2N2222 在飽和后會出現(xiàn)壓降，令散熱扇因為不能獲得足 12 伏電壓的支持而無法以最高速度運轉(zhuǎn)。只要采用金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 取代雙極晶體管，壓降情況便可獲得改善，但這樣會增加系統(tǒng)成本。另一個可行方法是裝設(shè)一個稍大的散熱扇，這個設(shè)計更有助減低散熱扇發(fā)出的噪音。利用轉(zhuǎn)速計輸出監(jiān)視扇速則會產(chǎn)生另一問題。若利用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出將散熱扇的電源供應(yīng)截斷，轉(zhuǎn)速計的信號則會被扭曲，尤其是當(dāng) PWM頻率較高及/或占空比較低時。由于關(guān)閉 2N2222 時接地將會轉(zhuǎn)往阻抗極高的負(fù)載，因此若 PWM 頻率很高及/或占空比很低，轉(zhuǎn)速計信號也會被扭曲。圖 2 顯示過高的 PWM 頻率會引發(fā)甚么后果出現(xiàn)。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(qū)動路線。圖中下半部分的信號跟蹤軌跡顯示散熱扇轉(zhuǎn)速計的輸出。

LM85 芯片有兩個方法可以解決這個問題。例如，若采用 30 Hz 的 PWM 頻率，可準(zhǔn)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 是一個溫度的設(shè)定點，每當(dāng)溫度觸及這個設(shè)定點，PWM 輸出便會開始上升。溫度范圍 是指可以達(dá)到 100% PWM 的預(yù)先設(shè)定溫度范圍。PWM 可以按照線性的規(guī)律變動，由設(shè)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(dāng)溫度不斷下降，以至溫度讀數(shù)比 扇速溫度極限 - 磁滯 還要低時，PWM 輸出便會下降至最低的設(shè)定點。最低的 PWM 可以設(shè)于任何水平。若已超過了 絕對極限，其他兩個 PWM 輸出會設(shè)定為 100% 占空比。每一 PWM 輸出可分配至任何溫度區(qū)，例如其中一個、兩個、或全部三個溫度區(qū)之中的最熱一個。

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(qū)最低 PWM 或關(guān)閉
PWM 占空度按照線性規(guī)律增加
PWM 占空度按照線性規(guī)律減少
x 區(qū)的 PWM 設(shè)定為 最低扇速 (64h-66h)
x 區(qū)的 PWM 設(shè)定為 最低扇速 (64h-66h)
x 區(qū)的 PWM 設(shè)定為 100%
各區(qū)的 PWM 設(shè)定為 100%