低功耗技術(shù)實現(xiàn)最大冷卻性能

隨著計算機處理性能的不斷提高，功耗也在不斷增加。臺式電腦或服務(wù)器一般不存在散熱問題，而在便攜式PC應(yīng)用中，功耗問題則會導(dǎo)致復(fù)雜的熱以及電源問題。為了使電池得到充分利用，保證系統(tǒng)工作在合適的溫度范圍內(nèi)，以延長系統(tǒng)的無故障工作時間(MTBF)，筆記本電腦冷卻系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮很多因素。
設(shè)計者最關(guān)心的是功耗發(fā)熱問題(TDP)，也就是CPU在最壞條件下的功耗。在便攜式設(shè)備應(yīng)用中，從目前成本和開發(fā)的角度看，底座、散熱片以及散熱管的設(shè)計都是令人棘手的問題。一個好的散熱解決方案，需要從整個系統(tǒng)考慮，同時還要考慮處理器在最壞情況下的功耗。如果使用風(fēng)扇散熱，需考慮元件的布局以及底座的設(shè)計，盡可能地優(yōu)化氣體流動和空氣動力學(xué)的影響。
最新便攜式CPU具有三種溫度監(jiān)控功能：
1. 內(nèi)置溫度監(jiān)控?zé)崦舳O管，以監(jiān)控CPU溫度；
2. 管芯溫度監(jiān)控機制，自動調(diào)節(jié)CPU溫度并保持在安全范圍內(nèi)(PROCHOT#)；
3. 熱拔插開關(guān)，當(dāng)溫度超過135℃時，關(guān)閉處理器并發(fā)出THERM TRIP#信號。
在便攜式設(shè)備應(yīng)用中，CPU、圖形控制器和存儲控制器的散熱問題應(yīng)該給予特別關(guān)注。在散熱設(shè)計中，應(yīng)保證這些IC工作在理想溫度下，使用專門設(shè)計的晶體管來直接監(jiān)視CPU管芯的溫度。如用智能風(fēng)扇速度控制器來直接監(jiān)測溫度，見圖1。CPU管芯可直接監(jiān)控并實現(xiàn)智能冷卻，所以可以保證系統(tǒng)工作在理想溫度下，以滿足MTBF要求。

內(nèi)置熱敏二極管
利用恒定電流下二極管的負(fù)溫度系數(shù)特性，通過測量Vbe，其中Vbe=(nKT/q)ln(Ic/Is)，可以測得熱敏二極管的溫度。不過這種方法需要校準(zhǔn)源級電流Is絕對零的影響，較好的方法是測量器件在兩個不同電流下的Vbe變化，也就是芕be=(nKT/q)ln(N)，其中K是玻耳茲曼常數(shù)，q是電子的電荷，T是絕對溫度，N是兩個電流比，n是熱敏二極管的理想因數(shù)。
為了測量苬be，傳感器在工作電流I和NI之間變化，并通過采用低通濾波器來獲得波形，再通過斬波放大，從而得到一個正比于苬be的直流電壓，電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供二進(jìn)制的溫度輸出信號，并對16個測量周期值進(jìn)行平均，可以進(jìn)一步減小噪音的影響。
圖1中，如果CPU不帶片上晶體管，可以采用分散的晶體管，但需把集電極縛在晶體管的基極上。為了避免來自地線噪音對測量信號的干擾，可以使用一個外部二極管的D輸入，使傳感器負(fù)端被拉高在地線信號以上。如果傳感器工作在噪音環(huán)境下，那么使用電容C1進(jìn)行濾波，電容通常情況下取為2200pF。為了節(jié)約功耗以及降低外部噪音，可以根據(jù)熱負(fù)載來停止或者降低風(fēng)扇的速度。
第二個熱監(jiān)控電路單獨位于CPU管芯處，溫度傳感二極管輸出和溫度相關(guān)的電流，然后與電流源進(jìn)行比較，同時當(dāng)CPU溫度達(dá)到最大允許工作溫度時，就向CPU發(fā)送一個PROCHOT#信號，然后電流源被鎖止。從理論上說，PROCHOT#在解決處理器的溫度問題時是一個比較好的方法，但在處理器停止運行、睡眠、深睡眠狀態(tài)下，不能發(fā)送PROCHOT#信號。在通常的負(fù)載情況下，即使CPU處于睡眠狀態(tài)，功耗也不低于30%，并且大量晶體管泄漏電流也會流經(jīng)管芯，使CPU過熱，從而導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉。
為了防止由于過熱而損壞CPU，Intel公司采用了一種熱導(dǎo)航開關(guān)。當(dāng)管芯溫度達(dá)到125℃~135℃時，CPU所有時鐘都被掛起并發(fā)送THERMTRIP#信號。由于很高的泄漏電流仍然會使之升溫，Intel規(guī)定在500ms內(nèi)關(guān)閉電源電壓Vcc，并且一直發(fā)送THERMTRIP#信號，直到RESET#被初始化。THERMTRIP#獨立于CPU時鐘，即使在低功耗狀態(tài)下它也能正常發(fā)送。
利用PROCHOT#和 THERM TRIP#不能完全可靠地防止處理器過熱的發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)不能被動冷卻時，系統(tǒng)必須主動系統(tǒng)散熱。使用上面三種機制可以獲得很好的熱設(shè)計，但是使用一個獨立的熱監(jiān)控可能是最好的解決方案。通過連接一個內(nèi)建熱敏二極管到智能風(fēng)扇控制器，就可以自動確定CPU是否需要主動冷卻，并使用一個預(yù)編程的控制環(huán)來自動啟動風(fēng)扇，如圖2所示。如果能建立一個精確的熱模型，硬件監(jiān)控就可以保證CPU工作在安全溫度范圍內(nèi)。這種解決方案的優(yōu)點：實現(xiàn)最大處理性能，而且風(fēng)扇僅工作在需要散熱的條件下，既可以增加溫度敏感元器件的MTBF，也使系統(tǒng)的噪音特性得到提高。

MTBF
未來PC將更多的考慮產(chǎn)品壽命及可靠性。半導(dǎo)體廠商通常使用的溫度/可靠性模型大多基于Sematech可靠性技術(shù)咨詢委員會在1999年發(fā)表的論文“新型半導(dǎo)體技術(shù)可靠性評價的應(yīng)用條件”，論文詳細(xì)說明了使用Arrhenius等式來建立溫度影響模型。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的熱動力學(xué)，等式表明半導(dǎo)體的長期可靠性隨著溫度的增加而呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減。遞減率r(t)等于初始失效率r0乘以一定反應(yīng)過程EA下的負(fù)活性能量常數(shù)e，然后除以玻耳茲曼常數(shù)k和開氏溫度T。在確定單個器件EA的條件下，通過大量的強化壽命測試以及長期的現(xiàn)場失效統(tǒng)計規(guī)律研究，可以獲得復(fù)合活性能量下的所有器件的失效模式。但是由于復(fù)合活性能量具有高度預(yù)測性以及會產(chǎn)生誤導(dǎo)，所以大多數(shù)的半導(dǎo)體廠商都不會發(fā)表某個器件的復(fù)合活性能量，而關(guān)注半導(dǎo)體廠商公布的CPU在正確安裝以及在推薦規(guī)范下的使用壽命是很重要的。如果CPU長期工作在最大溫度下，會大大降低使用壽命，在低溫下使用則壽命會延長?！?/P>

作者簡介：
Sean Gilmour，愛爾蘭Limerick模擬器件溫度和系統(tǒng)監(jiān)視研發(fā)小組的應(yīng)用工程師。