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現(xiàn)在的PC和筆記本計算機追求執(zhí)行速度愈來愈快，功能愈來愈多。執(zhí)行速度愈來愈快代表著單一芯片的工作頻率愈來愈高，功率損耗也就愈來愈大；而功能愈來愈多，意味著許多我們能夠想到的功能的芯片，都被廠商放到主機板上面了。例如：三合一主機板已經(jīng)將聲卡的芯片和簡單功能的繪圖卡芯片放入主機板了，LAN-on-board的追求代表著未來的主機板已經(jīng)能提供10/100Mb/s的網(wǎng)絡(luò)功能，有些高階主機板甚至直接將SCSI芯片也放入主機板中。 速度變快和功能變多的結(jié)果就是電源功率需求也變得愈來愈高，從最初的100W到現(xiàn)在的250W/350W。換句話說，整個計算機系統(tǒng)會變得愈來愈熱，散熱的需求也就變得愈來愈重要。在構(gòu)思散熱方案的同時，正確地偵測系統(tǒng)或單一芯片的溫度也格外地重要。 一、 在PC中，哪些地方會用到溫度傳感器？ 究竟在PC中最主要的熱量產(chǎn)生的來源有哪些呢？了解熱源和為什么會發(fā)熱以后，我們便可以為它們找到解決方案。 1、 CPU - 現(xiàn)在無論是Intel的Pentium 4或是AMD的Athlon CPU都已經(jīng)超過1GHz。這代表著：如果沒有良好的散熱解決方案，在短短數(shù)秒鐘的時間，我們就可以用CPU來煎蛋和煎小香腸了。 2、 繪圖芯片或3D加速芯片 - 隨著視覺效果的需求，繪圖芯片和計算機游戲所依賴的加速芯片變得功能強大、設(shè)計很復(fù)雜且執(zhí)行頻率也很高，所以繪圖芯片是主機板上產(chǎn)生熱量的第二號因素。 3、 電源供應(yīng)器 - 自從交換式電源供應(yīng)器普及后，變壓器已經(jīng)不再是電源部份的主要熱量產(chǎn)生來源，而是做大電流切換動作的Power MOSFET。 4、 系統(tǒng)內(nèi)部的熱流(機殼內(nèi)部) - 我們一般人都會想到PC的機殼那么大，內(nèi)部的溫度再高也高不到那里去。可是正常的常規(guī)的半導(dǎo)體組件都只保證可以在攝氏零度到七十度之間工作，若系統(tǒng)內(nèi)部的散熱不良或散熱裝置工作不佳的話，也會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定或甚至死機。 5、 PC存儲卡（PCMCIA） - 由于PCMCIA控制芯片的負擔并不大，所以不會發(fā)出許多熱量，但真正的兇手是PCMCIA卡本身。理論上，包著鐵殼的薄卡片是最容易散熱的，但是因為PCMCIA卡是完全密合地插入筆記本計算機中，所以沒有辦法直接散熱到外面空氣中。 6、 導(dǎo)熱管(Heat Pipe) - 本來導(dǎo)熱管的發(fā)明就是要將熱量從CPU帶到計算機外部，但是導(dǎo)熱管本身也會耗電，再加上出口地方的風扇沒有轉(zhuǎn)動的情形下，導(dǎo)熱管就會變成另一號危險因素。由于它橫跨的區(qū)域很大，所以傷害性相對也更大。 7、 其它PC接口設(shè)備 - 如：光驅(qū)、硬盤機、和噴墨／激光打印機都是容易發(fā)熱的裝置。 二、 減少熱量產(chǎn)生和降低溫度的方法 方法一：想辦法減少在主機板上的每一顆芯片的功率損耗。 這可以從兩個地方著手：第一、從芯片設(shè)計上動腦筋，也就是減少邏輯門的總數(shù)目(Gate Count)。第二、從半導(dǎo)體制程(Process)上改善。然而，一旦功能確定以后，能夠減少的邏輯門數(shù)目便有限。如果，我們可以不斷地往次微米(Sub-micro)的制程進步，那芯片的工作電壓便可以由5伏特，降到3.3/3伏特，甚至可低到2.5伏特或者1.8伏特，那電源功率消耗至少可以減少二倍至三倍以上。 可是，由于改變的是半導(dǎo)體制程，所以研發(fā)的時程相對也拉長很多，并且證驗費用和初期生產(chǎn)成本都會提高。 方法二：降低執(zhí)行頻率。 在相同的數(shù)字電路中，電源消耗和工作頻率是成正比的。所以，頻率愈高則消耗的功率也愈高。如果我們不讓芯片達到那么快的頻率，那系統(tǒng)自然也不會產(chǎn)生那么多的熱量。這完全不需要額外的成本就可以達到，是省成本的解決方案。但是，使用者買這個等級的PC就是希望能夠執(zhí)行得夠快，若降低頻率來執(zhí)行，不會被客戶或使用者所接受。 方法三：利用風扇帶走熱量。 用一臺電風扇來吹走熱氣，我們就可以為計算機解決散熱問題，這并不會額外增加多少成本，更重要的是不需要改變整個芯片的設(shè)計或制程。 然而，風扇的馬達也是相當耗電的，所以何時打開風扇及關(guān)掉風扇便是很重要的設(shè)計參數(shù)，否則我們是可以吹散熱氣，卻達不到省電的效果。 三、 解決方案 雖然Intel極力想從CPU的設(shè)計和制程上的改善來減少熱的問題，但是在沒有散熱系統(tǒng)的情形下還是會燒毀。可見得方法三是現(xiàn)階段不能被取代的解決方案，然而風扇的開關(guān)控制和意外防患更需要溫度傳感器的協(xié)助才能完成。筆者從現(xiàn)在的PC機種所使用的解決方案，選取最具代表性的幾個，供讀者參考： * CPU - LM86(Remote Diode Temp Sensor) 一般的溫度傳感器(無論是熱敏電阻或IC溫度傳感器)都需要很長的時間才能夠?qū)醾鲗?dǎo)到傳感器的核心部份。根據(jù)National內(nèi)部的實驗結(jié)果，從CPU把熱傳導(dǎo)到空氣中，再從空氣中傳導(dǎo)到溫度傳感器中，這個過程至少需要20分鐘以上的時間。如果散熱片(Heat Sink)沒裝好或風扇沒轉(zhuǎn)，不到二分鐘的時間，使用者的CPU可能就會燒毀。 所以，CPU廠商(Intel和AMD)將一顆3904埋入芯片中，我們稱這顆3904為遠程二極管（Remote Diode），因為它離溫度傳感器本身很遠。于是在短短幾個毫秒(mini-second)中，溫度傳感器便能精確地偵測到CPU內(nèi)部的溫度了。現(xiàn)在的技術(shù)要能做到1℃的精確度已經(jīng)不是很難的事，而且會變成PC和筆記本計算機的一個重要的趨勢。 在LM86(圖1)的運用實例中，通常T_CRIT_A的輸出信號用來做過溫度保護的功能，我們稱之為熱保護（Thermal Shutdown）。好處是當Windows或某一個應(yīng)用程序造成系統(tǒng)死機時，LM86還能保護整個系統(tǒng)。而Alert這個輸出信號便可以做為軟件中斷，以達到ACPI規(guī)格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的Remote Diode之外，本身內(nèi)部還有一顆傳感器（sensor），可以感測LM86所在的溫度。所以，前面所提到的PC的系統(tǒng)溫度和筆記本計算機的導(dǎo)熱管，便可以使用LM86的本地傳感器來偵測，不需要再花額外的成本去買另外一顆溫度傳感器。 * 繪圖芯片或3D加速芯片 - LM26, LM88 通常繪圖芯片也是不能被降頻來執(zhí)行的，否則畫面會變成慢動作播放一般。那最好的方法還是加一散熱風扇。在這里就有兩個方式來激活和關(guān)閉風扇了，第一個是便宜的做法，用LM26來偵測溫度(如圖2)，等達到某一個界限時便激活風扇，若溫度降下來了，便自動關(guān)閉風扇。第二是采LM88來設(shè)計時髦的4段變速風扇控制器(如圖3)，讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉(zhuǎn)速。 * Power MOSFET - LM26 無論是PC的電源供應(yīng)器或者是筆記本計算機中的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部都會有一顆很燙的Power MOSFET。雖然電源部份都有一個風扇隨時在轉(zhuǎn)動，但是我們必須設(shè)想一件事：萬一風扇壞掉了，或者內(nèi)部電路有發(fā)生短路的時候，怎么辦？利用LM26的過溫度保護功能，在極限溫度時能夠自動關(guān)閉電源而達到關(guān)閉（Shutdown）或甚至恢復(fù)（Recovery）的功能。 * PCMCIA - LM88 LM88本身并不被設(shè)計來做為風扇的4段變速控制器，而是能同時偵測二個待測物。一般筆記本計算機的PCMCIA插槽都有兩個，所以LM88是用來偵測PCMCIA的最佳選擇。由于LM88不需要用軟件來控制，所以我們不用擔心Windows死機或藍屏幕(Blue Screen)的問題。 四、 如何使用LM86、LM26和LM88這三顆芯片？ 單就上一節(jié)的內(nèi)容，雖然我們了解到這些解決方案可以幫助我解決過熱的問題，但許多讀者想問如何把這些芯片用到PC系統(tǒng)中？接著，我們來討論一些如何使用這些芯片的技巧： * LM86 - 準確度為±1℃的溫度傳感器 首先，我們從LM86的技術(shù)規(guī)格資料看LM86所具有的特性。 表1:LM86技術(shù)規(guī)格表 電源供應(yīng)電壓 3.0V～3.6V 消耗電流 0.8mA 溫度感測準確度 ±1℃＠60 to 100℃ 工作溫度 -55℃～ +125℃ ADC分辨率 11位 串行界面 SMBus2.0 封裝 SOP-8或MSOP-8 LM86所具有的主要特色是±1℃的準確度和可由數(shù)字界面讀寫內(nèi)部寄存器(Register)，我們先來看看為何LM86能夠達到這些功能呢？在圖4中我們呈現(xiàn)了LM86內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在左上方的溫度感測電路(Temperature Sensor Circuit)中National運用了她所特有的技術(shù)，可以增 強遠距二極管(Remote Diode)感測的準確度。 另外，中央上方的Δ-ΣADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)也是增加準確度的重要功臣，我們可以把它想象成在轉(zhuǎn)換時間，將信號取樣了數(shù)千次，再求得平均值般地將數(shù)字信號輸出，所以從模擬輸入端所帶進來的噪聲便因此而濾掉了。當我們?nèi)〉昧讼喈敎蚀_的數(shù)字信號后，無論我們對它們施予任何數(shù)字電路運算，都已經(jīng)不會再影響準確度了。 在LM86的8支腳中，電源(Power)和接地(Ground)是固定的，而D+/D-是接到CPU的遠距二極管，SMBData/SMBClock則接到系統(tǒng)的SMBus上。唯獨 /Alert 和 /T_Crit_A比較有爭議性，第三節(jié)中所描述的應(yīng)用例子是最常用的設(shè)計，值得我們注意的是這兩支腳都是集電極開路的，所以在外部電路上必須加上提升電阻(Pull up resistor)。 * LM26 -- 精確度為±3℃的溫度調(diào)節(jié)器 相同地，我們也先瞧瞧LM26的技術(shù)規(guī)格，再進一步討論： 在電源部份，我們放寬了輸入電源的范圍從2.7V到5.5V，也就是說，這一顆芯片并不只是可以用在PC或是筆記本電腦中，它甚至可以用在任何消費性電子產(chǎn)品及可攜式產(chǎn)品上。由于它的功率損耗只有20uA，使用兩顆堿性電池(200mA-hr)就可以有一年以上的電池壽命。 表2:LM26技術(shù)規(guī)格表 電源供應(yīng)電壓 2.7V～5.5V 消耗電流 20uA(最大40uA) 溫度感測準確度 ±3℃ 磁現(xiàn)象的溫度區(qū)間 2℃或10℃ 工作溫度 -55℃～ +110℃ 溫度設(shè)定點 由供應(yīng)廠商設(shè)定 串行界面 無 封裝 SOP-23 200mA-小時/ 20uA = 10000小時 = 416 天 = 1.14年 由于LM26并沒有串行界面和微處理機相連接，所以不需要任何的軟件支持。在設(shè)計時的考慮就更加簡單了，只要將電源和地線接上，給予HYST腳位高電位或是低電位，則只要溫度達到設(shè)定點時，/OS就會有輸出。唯一需要注意的是設(shè)定點溫度是由客戶通知供貨商(國家半導(dǎo)體)，再由供貨商在工廠中燒錄而成的。 圖５：LM26結(jié)構(gòu)圖 * LM88 -- 精確度為±3℃的溫度調(diào)節(jié)器 由于LM88和LM86、LM26的設(shè)計理念都完全不一樣，所以我們反過來先看LM88的結(jié)構(gòu)圖(如圖6)。 在外接的遠距二極管方面有D0+、D-和D1+三支接腳，其實這代表著它可以同時接到兩顆遠距二極管，而且它們的D-是可以共同接在一起以節(jié)省腳位數(shù)的。此外，雖在LM88中放入Δ-ΣADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，但是沒有數(shù)字的串行界面，這代表著我們不需要透過微處理機或CPU來控制LM88。至于我們所提到的溫度設(shè)定點則和LM26一樣，必須要由供貨商來燒錄。 五、 結(jié)語 雖然在過去的PC和筆記本計算機中，溫度傳感器并不起眼，也沒有工程師會去注意它的重要性，更不用說使用者能感覺到它的存在。但是，對整個系統(tǒng)這些重要芯片來說，它是很重要的保護者，尤其是當系統(tǒng)愈來愈高速且愈來愈熱之后，它的重要性也會更加明顯，并且能左右系統(tǒng)的穩(wěn)定性。希望本文能夠帶給讀者一個清晰的印象，究竟溫度傳感器在PC系統(tǒng)中是扮演哪些角色？也希望工程師在驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性時，不妨考慮一下溫度傳感器的一些重要參數(shù)和功用。 |
