低功耗技術實現最大冷卻性能

隨著計算機處理性能的不斷提高，功耗也在不斷增加。臺式電腦或服務器一般不存在散熱問題，而在便攜式PC應用中，功耗問題則會導致復雜的熱以及電源問題。為了使電池得到充分利用，保證系統工作在合適的溫度范圍內，以延長系統的無故障工作時間(MTBF)，筆記本電腦冷卻系統的設計需要考慮很多因素。
設計者最關心的是功耗發熱問題(TDP)，也就是CPU在最壞條件下的功耗。在便攜式設備應用中，從目前成本和開發的角度看，底座、散熱片以及散熱管的設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。如果使用風扇散熱，需考慮元件的布局以及底座的設計，盡可能地優化氣體流動和空氣動力學的影響。
最新便攜式CPU具有三種溫度監控功能：
1. 內置溫度監控熱敏二極管，以監控CPU溫度；
2. 管芯溫度監控機制，自動調節CPU溫度并保持在安全范圍內(PROCHOT#)；
3. 熱拔插開關，當溫度超過135℃時，關閉處理器并發出THERM TRIP#信號。
在便攜式設備應用中，CPU、圖形控制器和存儲控制器的散熱問題應該給予特別關注。在散熱設計中，應保證這些IC工作在理想溫度下，使用專門設計的晶體管來直接監視CPU管芯的溫度。如用智能風扇速度控制器來直接監測溫度，見圖1。CPU管芯可直接監控并實現智能冷卻，所以可以保證系統工作在理想溫度下，以滿足MTBF要求。

內置熱敏二極管
利用恒定電流下二極管的負溫度系數特性，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，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。
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，電壓通過模數轉換，提供二進制的溫度輸出信號，并對16個測量周期值進行平均，可以進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，使傳感器負端被拉高在地線信號以上。如果傳感器工作在噪音環境下，那么使用電容C1進行濾波，電容通常情況下取為2200pF。為了節約功耗以及降低外部噪音，可以根據熱負載來停止或者降低風扇的速度。
第二個熱監控電路單獨位于CPU管芯處，溫度傳感二極管輸出和溫度相關的電流，然后與電流源進行比較，同時當CPU溫度達到最大允許工作溫度時，就向CPU發送一個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、深睡眠狀態下，不能發送PROCHOT#信號。在通常的負載情況下，即使CPU處于睡眠狀態，功耗也不低于30%，并且大量晶體管泄漏電流也會流經管芯，使CPU過熱，從而導致系統關閉。
為了防止由于過熱而損壞CPU，Intel公司采用了一種熱導航開關。當管芯溫度達到125℃~135℃時，CPU所有時鐘都被掛起并發送THERMTRIP#信號。由于很高的泄漏電流仍然會使之升溫，Intel規定在500ms內關閉電源電壓Vcc，并且一直發送THERMTRIP#信號，直到RESET#被初始化。THERMTRIP#獨立于CPU時鐘，即使在低功耗狀態下它也能正常發送。
利用PROCHOT#和 THERM TRIP#不能完全可靠地防止處理器過熱的發生。當系統不能被動冷卻時，系統必須主動系統散熱。使用上面三種機制可以獲得很好的熱設計，但是使用一個獨立的熱監控可能是最好的解決方案。通過連接一個內建熱敏二極管到智能風扇控制器，就可以自動確定CPU是否需要主動冷卻，并使用一個預編程的控制環來自動啟動風扇，如圖2所示。如果能建立一個精確的熱模型，硬件監控就可以保證CPU工作在安全溫度范圍內。這種解決方案的優點：實現最大處理性能，而且風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，也使系統的噪音特性得到提高。

MTBF
未來PC將更多的考慮產品壽命及可靠性。半導體廠商通常使用的溫度/可靠性模型大多基于Sematech可靠性技術咨詢委員會在1999年發表的論文“新型半導體技術可靠性評價的應用條件”，論文詳細說明了使用Arrhenius等式來建立溫度影響模型。根據化學反應的熱動力學，等式表明半導體的長期可靠性隨著溫度的增加而呈指數函數關系遞減。遞減率r(t)等于初始失效率r0乘以一定反應過程EA下的負活性能量常數e，然后除以玻耳茲曼常數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場失效統計規律研究，可以獲得復合活性能量下的所有器件的失效模式。但是由于復合活性能量具有高度預測性以及會產生誤導，所以大多數的半導體廠商都不會發表某個器件的復合活性能量，而關注半導體廠商公布的CPU在正確安裝以及在推薦規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。■

作者簡介：
Sean Gilmour，愛爾蘭Limerick模擬器件溫度和系統監視研發小組的應用工程師。