高速芯片冷卻技術——風扇自動控制的應用概況

風扇冷卻技術是目前大功率高速(如CPU、FPGA和GPU)產品和系統散熱降溫中的重要技術與部件。但令人不滿意的是，冷卻風扇有時會帶來令使人討厭的音頻噪聲，尤其是高速旋轉時更為突出。如今，可通過測量芯片溫度并相應地調節風扇速度，使其在溫度較低時可最大限度降低風扇速度和噪聲，但在風扇速度降低最大時，會出現引發溫度又上升的最壞情況。此時為防止芯片損壞，必然又要提高風扇速度。對這樣的矛盾，采用何種速度自動控制技術實現風扇冷卻方案是本文討論的主題。在此，先要說明高速芯片為什么會逐漸變熱?這是因為高速芯片運行速度越快就會越熱。雖然新一代的高速數字芯片使用了更小尺寸的工藝并允許降低電源電壓，這是有利的，但是晶體管數量的增加卻比電源電壓的降低要快，因此芯片功率損耗仍然很高，其溫度隨之迅速上升。
 
首要問題的解決

那末什么是首要問題?當芯片溫度上升時，性能會受到影響。即，參數會改變、最大工作頻率會降低，而且時常要超出規定指標。發生這些情況時，使用戶所用的產品或系統不再能正常工作。因此，高速芯片冷卻的首要問題，就是在很長的工作時間內和最寬的環境條件范圍內能保持良好的性能。在滿足參數指標的條件下，高速芯片的最大允許溫度取決于工藝和芯片的設計方法以及其他一些因素。而目前芯片典型的最大溫度范圍是+90℃至+130℃，當工作超過性能指標的臨界點時，就會開始惡化，即過高的芯片溫度會給芯片造成災難性的損害。大量芯片溫度通常遠高于+120℃，它是由工藝、封裝和在高溫條件下所處時間等因素而定。因此，高速芯片需要被冷卻，使其能在無性能惡化或永久性無損壞的溫度下長期工作。
 
如何解決

這實際上是風扇冷卻自動控制技術與可靠性的分折與設計。如今高速芯片很少使用單一的冷卻技術。實際上都是應用多種技術的結合以確保持續的高性能和可靠性。而散熱片、熱管、風扇和時鐘節流是高速芯片量常用的冷卻手段。其風扇和時鐘節流是最能夠幫助解決散熱問題，但它們也會引入自身的問題。這是為什么?因為風扇能大幅度地降低高速芯片的溫度，但它們也能產生大量的音頻噪聲。全速運轉的冷卻風扇所具噪聲，即工作場所中時久的噪聲效應會令很多使用者厭煩，這是設計技術迫切應解決的問題。那就是要根據溫度來調節風扇速度能明顯地降低風扇噪聲，即當溫度低時，風扇可緩慢運轉(可非常安靜)，當溫度上升時，則風扇加速運轉，實現速度的高穩定的自動控制。值此，分別就以下幾種新型風扇冷卻自動控制技術作介紹。 關于時鐘節流技術 時鐘節流的就是降低時鐘速度來減少功耗，即通過降低系統性能發揮出冷卻功能。當時鐘節流時，系統仍繼續工作，但是在系統運行速度被降低。很明顯，在高性能系統中，這種時鐘節流技術只有在特別狀態下，即芯片溫度升高將造成工作不正?；驅⑼Ｖ构ぷ鲿r才會被應用。

高速芯片的溫度測量

基于用溫度來控制風扇速度或時鐘節流技術均首先要測量高速芯片的溫度，其測量方法這可通過放置一個溫度傳感器來實現。而溫度傳感器的放置可以是在芯片表面或靠近芯片相鄰或靠芯片下面的電路板處，而在散熱片上放置溫度傳感器是通常有效正確的辦法。這種方式測量出的溫度與高速芯片的溫度相對應，但常常會偏低(有時誤差達30℃)，并且測量溫度和芯片溫度之間的差異會隨著功耗的增加而增大。因此，造成了電路板或散熱片的溫度與高速芯片的溫度之間相差一個較大的溫度梯度關系。 溫度測量精度的提高 測量精度提高的解決方案是，有許多如CPU、圖像芯片、FPGA等高速芯片及其它高速IC芯片，芯內均包含一個熱二極管“感溫結”，并位于芯片上，見圖1左面所示的。而在MAX1669內置的遠程結溫傳感器可直接與熱二極管“感溫結”相連(見圖1所示)。這樣就能夠直接測出高速芯片的溫度，其精確度很高。這不僅避免了在IC封裝外測量溫度時所遇到的較大數值溫度梯度問題(或稱非線性)，而且還消除了從幾秒到幾分鐘的熱時間常數問題，提高了對于芯片溫度變化的響應速度。 其圖1所示為采用MAXl669實現風扇線控制的典型電路。MAXl669是風扇控制技術的最新進展，即將完整的數字接口(數模轉換器)DAC和風扇驅動電路(除功率晶體管外)整合到單片IC中，代表了目前最為常用的風扇控制方案。其中，MAXl669的獨道之處在于它內置了一個遠端結溫傳感器，通過引腳DXP(+)與DXN(-)可直接連接到高速芯片的熱二極管“感溫結”上(熱二極管“感溫結”可以是2N3906雙極型晶體管，例用2N390作為傳感器)，該MAXl669引腳FAN可將DAC輸出或PWM的線性輸出傳送到風扇的功率驅動管IRF7201上。圖1 MAXl669尤其適合于那些因成本或技術問題的無法配備轉速計的風扇。 圖1 MAXl669的DXP與DX引腳為遠距離傳感器正負端;ALERT為報警口，OVERT為過熱口;SMBCLK為時鐘口，SMBDATA為數據口。 風扇控制在設計上有幾個關鍵選擇。

調節風扇速度

而調節無刷直流風扇的速度是常用的方法，即通過調整風扇的電源電壓來實現。其法可從電源電壓最低值到額定電壓的40%時均能很好地工作。但其缺點是，如果使用線性調節器件來改變電源電壓，則效率很低。而使用開關電源可以獲得更好的效率，但會增加成本和元件數量。 而改進型的風扇速度控制是采用PWM(脈寬調制)風扇控制芯片技術。該芯片產生—個低頻PWM信號驅動風扇，其低頻一般在30Hz范圍內，通過PWM信號占空比的改變來調整電壓大小從而調節風扇速度。因為只用單個小開關管實現開/關控制，所以這種方案所以效率很高并且成本低廉。但該方法的不足之處就是風扇會多少有些噪聲，這是由于電源的脈沖方式引起的。因PWM波形的快速上升下降邊沿會引起風扇的機械結構移動(與設計很差的楊聲器相似)，故產生了聽得見的噪聲。 用“轉速計”信號實現控制。 眾所周知，風扇的電源除了電源和地外。許多風扇都有第三根線。用該線向風扇控制電路提供“轉速計”信號，當風扇每旋轉一圈時，轉速計便輸出其所產生的特定數量脈沖-兩個脈沖。而風扇轉速計是應用風扇內裝有的霍爾元件具有對轉速能計數之功能所構成的電路。 一些風扇控制電路將這種風扇轉速計輸出的信號作為反饋FB(見圖2所示右虛線框圖)，調節風扇電壓或PWM占空比以獲得期望的RPM(每分鐘轉數)。當然更簡單的方法是忽略任何轉速計信號，只對風扇加速或減速的驅動進行調節。雖則該方案的速度控制精度較低，卻省了一個反饋環，簡化了控制系統使成本更低。圖2為MAX6650風扇速度控制器與帶有轉速信輸出的風扇一起構成了一個反饋控制電路。而MAX6650是閉環風扇控制電路，能接受來自風扇轉速計輸出的反饋信號FB，這樣能夠直接設定風扇速度，無須擔心啟動和低速運行的可靠性問題。

斜率與起始溫度因素的考慮

通常情況下，風扇在特定的溫度門限以下關閉，當超過門限后開始低速旋轉(例如全速度的40%)。當溫度上升時，風扇驅動信號隨溫度線性增長，直至100%的驅動。其最佳斜率依賴于系統要求，而更大的斜率在一定程度上可獲得更穩定的芯片溫度，但當功耗隨時間變化時，風扇速度的變化量更大。如果風扇控制設計的目標是高性能，則應該選擇起始溫度和斜率，以使風扇在芯片溫度高到足以啟動時鐘節流技術之前達到全速運轉。 風扇控制電路的應用發展 風扇控制電路可以多種方式實現。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，并將溫度數據傳送給微處理器。具有多個風扇轉速計監視通道的風扇速度調節器，就可對風扇RPM(每分鐘轉數)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，單片封裝內并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，可用于時鐘節流或系統關斷。因而可避免高速芯片因過熱而災難性損毀。

為此，再列舉兩個這種風扇控制電路的應用例子，一個是直流驅動(如圖3MAX6660所示)，另一個是PWM(脈寬調制)驅動(如圖4所示)。在圖3中用高速芯片遠程檢測溫度功能實現了根據溫度對風扇速度的控制。該MAX6660風扇控制電路通過一個內部功率晶體管產生直流電源電壓通過引腳FAN來驅動風扇。圖4中的MAX6663具有類似功能，但通過一個外部場效應晶體管MOSFET(VP1)以PWM波形來驅動風扇。兩者都具備完整的熱故障監測和過熱輸出，如果高速芯片太熱可用來關斷系統。