風扇自動控制：高速芯片冷卻技術(shù)的趨勢

摘要：冷卻風扇是大功率芯片(如CPU、FPGA和GPU)和系統(tǒng)的溫度管理中的重要部件。不幸的是，它們有時會帶來令使用者討厭的音頻噪聲。通過測量溫度并相應地調(diào)節(jié)風扇速度，在溫度較低時可最大限度降低風扇速度(和噪聲水平)，但是在最壞情況下為防止芯片損壞，要提高速度。本文討論了自動控制冷風扇速度的兩種技術(shù)。

高速芯片通常會逐漸變熱。它們跑得越快就會越熱。新一代的高速數(shù)字芯片使用了更小尺寸的工藝，允許降低電源電壓，這會有一些幫助，但是晶體管數(shù)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，性能會受到影響。參數(shù)改變、最大工作頻率降低，而且定時超出規(guī)定。從用戶的角度來看，發(fā)生這些情況時，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的工作時間和最寬的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持良好的性能。滿足參數(shù)規(guī)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。

超出性能開始惡化的臨界點工作時，過高的晶片溫度會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)。實際上，一般需要結(jié)合多種技術(shù)以確保高性能和持續(xù)可靠性。散熱片、熱管、風扇和時鐘節(jié)流是高速芯片最常用的冷卻手段。最后兩個，風扇和時鐘節(jié)流，能夠幫助解決熱問題，但它們會引入自身的問題。

風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(zhuǎn)的冷卻風扇的噪聲會令很多消費者厭煩，也正成為政府機構(gòu)所關(guān)心的問題，即工作場所中為時已久的噪聲效應。根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)風扇速度能明顯地降低風扇噪聲；當溫度低時，風扇可緩慢運轉(zhuǎn)(可非常安靜)，當溫度上升時，則加速運轉(zhuǎn)。

時鐘節(jié)流—降低時鐘速度來減少功耗—通過降低系統(tǒng)性能來發(fā)揮作用。當時鐘被節(jié)流時，系統(tǒng)繼續(xù)工作，但是在降低的速度下工作。很明顯，在高性能系統(tǒng)中，只有在絕對需要時，即溫度達到將停止工作時刻時，才能實行節(jié)流。

基于溫度控制風扇速度或時鐘節(jié)流需要首先測量高速芯片的溫度。這可通過靠近目標芯片——直接相鄰或有時在下面、或在散熱片上放置一個溫度傳感器來實現(xiàn)。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隨著功耗的增加而增大。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。

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IC包含了一個“熱二極管”，實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。這不僅繞開了在IC封裝外測量溫度時所遇到的大溫度梯度問題，而且還消除了很長的熱時間常數(shù)問題，從幾秒到幾分鐘，提高了對于晶片溫度變化的響應速度。

對于風扇控制的需求迫使設計者做出幾個關(guān)鍵選擇。第一個選擇是調(diào)節(jié)風扇速度的方法。調(diào)節(jié)無刷直流風扇速度的常用方法是調(diào)整風扇的電源電壓。這種方法可在電源電壓最低到額定值的40%時很好地工作。但有一個缺點。如果使用線性調(diào)節(jié)器件來改變電源電壓的話，則效率很低。使用開關(guān)電源可以獲得更好的效率，但會增加成本和元件數(shù)量。

另外一個流行的風扇速度控制技術(shù)是用一個低頻PWM信號驅(qū)動風扇，一般在30Hz范圍內(nèi)，通過調(diào)整該信號的占空比來調(diào)節(jié)風扇速度。因為只用單個小開關(guān)管，因而這種方案的成本低廉。由于晶體管作為開關(guān)使用，所以效率很高?？墒?，該法的不足之處就是風扇會多少有些噪聲，這是由脈沖方式的電源引起的。PWM波形的快速邊沿會引起風扇的機械結(jié)構(gòu)移動(有點像設計很差的揚聲器)，因而產(chǎn)生聽得見的噪聲。

另外一個風扇控制的設計選擇是是否測量風扇速度，以便作為控制策略的一部分。除了電源和地，許多風扇都有第三根線，該線向風扇控制電路提供“轉(zhuǎn)速計”信號。轉(zhuǎn)速計輸出在風扇每旋轉(zhuǎn)一圈時產(chǎn)生特定數(shù)量的脈沖(例如兩個脈沖)。一些風扇控制電路將這種轉(zhuǎn)速計信號作為反饋，調(diào)節(jié)風扇電壓或PWM占空比以獲得期望的RPM。更簡單的方法是忽略任何轉(zhuǎn)速計信號，只調(diào)節(jié)風扇驅(qū)動加速或減速。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反饋環(huán)，簡化了控制系統(tǒng)。

在一些系統(tǒng)中，限制風扇速度的變化速率也很重要。當系統(tǒng)與用戶非常接近時，這一點尤其重要。有些情況下簡單地開關(guān)風扇或當溫度變化時立即改變速度是可接受的。可是，當用戶就在附近時，風扇噪聲的突然變化會格外顯著且令人討厭。將風扇驅(qū)動信號的變化率限制在一定限度以內(nèi)(如1%每秒)會最大限度降低風扇控制的聽覺效果。風扇速度同樣改變了，但不會特別引人注意。

另外一個重要的設計因素是風扇控制策略。通常情況下，風扇在特定的溫度門限以下關(guān)閉，當超過門限后開始低速旋轉(zhuǎn)(例如全速度的40%)。當溫度上升時，風扇驅(qū)動隨溫度線性增長，直至100%的驅(qū)動。最佳斜率依賴于系統(tǒng)要求。更大的斜率一定程度上可獲得更穩(wěn)定的芯片溫度，但當功耗隨時變化時，風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，以使風扇在晶片溫度高到足以啟動時鐘節(jié)流之前達到全速運轉(zhuǎn)。

風扇控制電路可以多種方式實現(xiàn)。具有多達5個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(shù)據(jù)傳送給微處理器。具有多個風扇轉(zhuǎn)速計監(jiān)視通道的風扇速度調(diào)節(jié)器可對風扇RPM或電源電壓提供可靠的控制，并可接受來自于外部微控制器的命令。為了降低成本和簡化設計，單片封裝內(nèi)包含了溫度測量和自動風扇控制的IC已有市售。傳感器/控制器一般也包含了過溫檢測，可用于時鐘節(jié)流或系統(tǒng)關(guān)斷，因而可避免高速芯片因過熱而災難性損毀。

這種IC的例子有兩個，一個是直流驅(qū)動，另一個是PWM驅(qū)動，如圖1和2所示。圖1中的IC遠程檢測溫度并根據(jù)溫度控制風扇速度。該芯片通過一個內(nèi)部功率晶體管產(chǎn)生一個直流電源電壓。圖2中的IC具有類似功能，但通過一個外部晶體管以PWM波形來驅(qū)動風扇。兩者都具備完整的熱故障監(jiān)測和過熱輸出，如果高速芯片太熱可用來關(guān)斷系統(tǒng)。


圖1. 線性(直流輸出)溫度傳感器和自動風扇速度控制器。根據(jù)高速芯片的溫度自動控制風扇速度。風扇的轉(zhuǎn)速計反饋允許風扇控制器直接調(diào)節(jié)風扇速度。系統(tǒng)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風扇速度控制器。根據(jù)溫度來自動控制風扇速度。時鐘節(jié)流和系統(tǒng)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)斷溫度門限，即使系統(tǒng)軟件掛起時也能確保安全。