PC中的風(fēng)扇速度控制技術(shù)

ADI公司提供一套全面的硬件監(jiān)控產(chǎn)品，適用于臺式機和筆記本電腦以及服務(wù)器。智能系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備使復(fù)雜的風(fēng)扇速度控制技術(shù)成為可能，以提供足夠的冷卻并保持系統(tǒng)中的最佳熱性能。在過去的一年中，我們開發(fā)了一系列產(chǎn)品，包括ADM1029雙通道PWM風(fēng)扇控制器和溫度監(jiān)控器、ADM1026和ADM1030/31完整、符合ACPI標(biāo)準(zhǔn)的雙通道±1°C遠(yuǎn)程熱監(jiān)控器，集成風(fēng)扇控制器，適用于一個或兩個獨立風(fēng)扇。它們基于ADM102x PC系統(tǒng)監(jiān)控器產(chǎn)品組合中的核心技術(shù)（另見模擬對話33-1和33-4）。這些新產(chǎn)品根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)測量的溫度提供風(fēng)扇速度控制，提供更完整的熱管理解決方案。我們在這里討論對這種復(fù)雜控制水平的需求以及提供這種控制所固有的問題。

背景

隨著新千年的到來，處理器正在實現(xiàn) 1 GHz 甚至更高的速度。它們在速度和系統(tǒng)性能方面的顯著改進(jìn)伴隨著使用它們的機器內(nèi)產(chǎn)生的熱量不斷增加。安全散熱的需求，以及計算行業(yè)開發(fā)“綠色PC”和用戶友好型機器（隨著互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成為主流）的舉措，推動了對更復(fù)雜的冷卻和熱管理技術(shù)的需求和發(fā)展。

PC也開始變得更小，尺寸和形狀不那么傳統(tǒng) - 這可以在市場上任何最新概念的PC或超薄筆記本電腦中看到。嚴(yán)格的功耗規(guī)范，如“移動電源指南'99”（參考文獻(xiàn)1）規(guī)定了通過筆記本電腦鍵盤可以安全散熱而不會引起用戶不適的程度。任何多余的熱量必須通過其他方式從系統(tǒng)中排出，例如沿?zé)峁芎蜕崞靼鍖α?，或使用風(fēng)扇使空氣通過系統(tǒng)。顯然，我們需要的是一種可以普遍采用的智能、有效的熱管理方法。各種行業(yè)團體已經(jīng)聚集在一起解決這些問題和其他問題，并制定了諸如筆記本電腦的ACPI（高級配置和電源接口）和服務(wù)器管理的IPMI（智能平臺管理接口）等標(biāo)準(zhǔn)。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

新的熱管理/速度控制產(chǎn)品的開發(fā)受到ACPI和IPMI標(biāo)準(zhǔn)的推動。高級配置和電源接口-ACPI由英特爾，微軟和東芝定義，主要用于定義和實現(xiàn)筆記本電腦的電源管理。

電源管理被定義為“硬件和軟件中的機制，用于最小化系統(tǒng)功耗、管理系統(tǒng)熱限制并最大限度地延長系統(tǒng)電池壽命。電源管理涉及系統(tǒng)速度、噪聲、電池壽命、處理速度和交流功耗之間的權(quán)衡。

首先考慮一個筆記本電腦用戶，他在穿越海洋或大陸時鍵入旅行報告。哪個特性更重要，最大 CPU 性能或延長電池壽命？在這樣一個簡單的文字處理器應(yīng)用程序中，用戶擊鍵之間的時間幾乎是CPU時鐘周期的永恒，最大CPU性能遠(yuǎn)不如電源的持續(xù)可用性那么重要。因此，CPU 性能可以與延長電池壽命相權(quán)衡。另一方面，考慮想要在數(shù)字多功能磁盤 （DVD） 上以全動態(tài)、全屏、令人麻木的聲音和亮度觀看最新詹姆斯邦德電影的用戶。至關(guān)重要的是，系統(tǒng)必須以足夠快的性能水平運行，以足夠快的速度解碼軟件，而不會丟失圖片或音頻幀。在這種情況下，CPU 性能不會受到影響。因此，發(fā)熱將處于最高水平，對熱管理的關(guān)注對于在不損害可靠性的情況下獲得最佳性能至關(guān)重要。輸入 ACPI。

那么什么是ACPI？ACPI 是描述組件之間的接口及其行為方式的規(guī)范。它不是純粹的軟件或硬件規(guī)范，因為它描述了 BIOS 軟件、操作系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件應(yīng)如何交互。

ACPI 規(guī)范概述了兩種不同的系統(tǒng)冷卻方法：被動冷卻和主動冷卻。被動冷卻依靠操作系統(tǒng) （OS） 和/或基本輸入/輸出系統(tǒng) （BIOS） 軟件來降低 CPU 功耗，以減少機器的散熱。如何實現(xiàn)這一點？通過做出明智的決策，例如在指定時間后未檢測到擊鍵或其他用戶交互時進(jìn)入掛起模式。或者，如果系統(tǒng)正在執(zhí)行一些密集的計算，例如 3D 處理，并且變得非常熱，BIOS 可能會決定限制（減慢）CPU 時鐘。這將減少機器的熱輸出，但以犧牲整體系統(tǒng)性能為代價。這種被動式冷卻有什么好處？其明顯的優(yōu)點是系統(tǒng)功率要求以靜默方式降低（不需要風(fēng)扇操作）以降低系統(tǒng)溫度，但它確實限制了性能。

那么，主動冷卻呢？在主動冷卻的系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)或 BIOS 軟件采取直接操作（如打開 CPU 安裝的風(fēng)扇）來冷卻處理器。它的優(yōu)點是，通過CPU的金屬塊或散熱器增加的氣流允許熱量相對快速地從CPU中排出。在被動冷卻系統(tǒng)中，僅 CPU 節(jié)流會阻止 CPU 進(jìn)一步發(fā)熱，但散熱器對“靜止空氣”的熱阻可能相當(dāng)大，這意味著散熱器會將熱量非常緩慢地散發(fā)到空氣中，延遲恢復(fù)全速處理。因此，采用主動冷卻的系統(tǒng)可以結(jié)合最大的CPU性能和更快的散熱。但是，風(fēng)扇的運行會將噪音引入系統(tǒng)環(huán)境并消耗更多功率。哪種冷卻技術(shù)更好？實際上，這取決于應(yīng)用程序;多功能機器將使用這兩種技術(shù)來處理不同的情況。ACPI 根據(jù)兩種不同的模式概述了冷卻技術(shù)：性能模式和靜默模式。圖1和圖2比較了這兩種模式。

圖1.性能優(yōu)先。主動模式（_ACx，風(fēng)扇打開）以 50 度進(jìn)入，被動模式（_PSV，油門后退）以 60° 進(jìn)入。關(guān)斷發(fā)生在臨界溫度 （_CRT） 90°。風(fēng)扇速度可能會在高于 ACx 的水平上增加。

圖2.靜音和電池經(jīng)濟性優(yōu)先。被動模式首先在 45 度時進(jìn)入，風(fēng)扇直到 60° 才打開。

圖1和圖2是溫標(biāo)示例，說明了性能、風(fēng)扇噪聲和功耗/耗散之間的各自權(quán)衡。為了使系統(tǒng)管理設(shè)備符合 ACPI 標(biāo)準(zhǔn)，它應(yīng)該能夠以 5°C 的間隔或 SCI（系統(tǒng)控制中斷）事件發(fā)出信號，表明發(fā)生了新的超限溫度增量。這些事件提供了一種機制，操作系統(tǒng)可以通過該機制跟蹤系統(tǒng)溫度，并就是否限制 CPU 時鐘、增加/降低冷卻風(fēng)扇的速度或采取更激烈的操作做出明智的決策。一旦溫度超過_CRT（臨界溫度）策略設(shè)置，系統(tǒng)將作為故障安全裝置關(guān)閉，以保護(hù) CPU。圖 1 和圖 2 中顯示的其他兩個策略設(shè)置是_PSV（被動冷卻或 CPU 時鐘限制）和_ACx。（主動冷卻，當(dāng)風(fēng)扇打開時）。

在圖 1（性能模式）中，冷卻風(fēng)扇在 50°C 時打開。 如果溫度繼續(xù)上升到 60°C 以上，則啟動時鐘限制。此行為將最大限度地提高系統(tǒng)性能，因為系統(tǒng)僅在較高溫度下才會變慢。在圖 2（靜默模式）中，CPU 時鐘首先在 45 攝氏度時受到限制。如果溫度繼續(xù)升高，可以在 60 攝氏度時打開冷卻風(fēng)扇。這種降低性能的模式也往往會延長電池壽命，因為節(jié)流時鐘會降低功耗。

圖3顯示了溫度測量帶的限值如何跟蹤溫度測量。每次越界都會產(chǎn)生一個中斷。

圖3.通過移動極限和生成中斷來跟蹤溫度變化。

智能平臺管理接口 （IPMI） 規(guī)范（參考文獻(xiàn) 2）為服務(wù)器帶來了類似的熱管理功能。IPMI 旨在通過監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵“心跳”參數(shù)（溫度、電壓、風(fēng)扇速度和 PSU（電源單元））來降低服務(wù)器的總擁有成本 （TCO）。IPMI的另一個動機是服務(wù)器之間的互操作性需求，以促進(jìn)基板和機箱之間的通信。IPMI 基于 5 伏 I 的使用2C 總線，消息以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。

ADI公司溫度和系統(tǒng)監(jiān)控（TSM）系列的所有成員均符合ACPI和IPMI標(biāo)準(zhǔn)。

溫度監(jiān)測

在PC內(nèi)實現(xiàn)智能風(fēng)扇速度控制的先決條件是能夠準(zhǔn)確測量系統(tǒng)和處理器溫度。所使用的溫度監(jiān)測技術(shù)一直是許多文章的主題（例如，參見模擬對話33-4），這里將僅簡要介紹。ADI公司的所有系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備都使用稱為熱二極管監(jiān)控（TDM）的溫度監(jiān)控技術(shù)。該技術(shù)利用了這樣一個事實，即在恒定電流下工作的二極管連接的晶體管的正向電壓表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)，約為-2mV/°C。 由于VBE的絕對值因設(shè)備而異，因此此功能本身不適合用于批量生產(chǎn)的設(shè)備，因為每個設(shè)備都需要單獨校準(zhǔn)。在TDM技術(shù)中，兩個不同的電流依次通過晶體管，并測量電壓變化。溫度與VBE的差異有關(guān)：

ΔVBE = kT/q × ln(N)

其中：

k = 玻爾茲曼常數(shù)

q = 電子電荷大小

T = 絕對溫度，單位為開爾文

N = 兩個電流的比值

圖4.基本TDM信號調(diào)理電路。

在任何CPU中，最相關(guān)的溫度是芯片上“熱點”的溫度。系統(tǒng)中的所有其他溫度（包括散熱器溫度）將滯后于該溫度的上升。出于這個原因，幾乎每個CPU（自早期英特爾奔騰II處理器以來制造）在其芯片上包含一個戰(zhàn)略性位置的晶體管，用于熱監(jiān)控。它給出了真實的、基本上是瞬時的芯片溫度曲線。圖5顯示了系統(tǒng)中反復(fù)進(jìn)入和從掛起模式喚醒的溫度曲線。它比較了連接到CPU散熱器的熱敏電阻和基板熱二極管測量的溫度。在實際芯片溫度來回變化約13度的短時間內(nèi)，散熱器熱敏電阻無法檢測到任何變化。

圖5.散熱器熱敏電阻和TDM在一系列進(jìn)入和退出掛起模式期間測量的溫度比較。

風(fēng)扇溫度控制

通過建立精確的溫度監(jiān)控方法，可以實現(xiàn)有效的風(fēng)扇控制！通常，該技術(shù)是使用TDM來測量溫度，將檢測晶體管集成在片內(nèi)或外部放置在盡可能靠近熱點的位置，并將風(fēng)扇速度設(shè)置為確保在該溫度下足夠傳熱的水平?？刂苹芈返母鞣N運行參數(shù)都是可編程的，例如最小速度、風(fēng)扇啟動溫度、速度與溫度斜率以及開/關(guān)遲滯。所描述的速度控制方法將包括開關(guān)、連續(xù)（“線性”）和脈寬調(diào)制（PWM）。

風(fēng)扇控制方法：從歷史上看，PC中風(fēng)扇速度控制的方法范圍從簡單的開關(guān)控制到閉環(huán)溫度到風(fēng)扇速度控制。

兩步控制：這是PC中采用的最早的風(fēng)扇速度控制形式。BIOS 將測量系統(tǒng)溫度（最初使用靠近 CPU 的熱敏電阻），并決定是完全打開還是關(guān)閉冷卻風(fēng)扇。后來，PC使用更精確的基于TDM的溫度監(jiān)視器來實現(xiàn)相同的兩步風(fēng)扇控制。

三步控制： BIOS 或操作系統(tǒng)再次使用熱敏電阻或熱敏二極管測量溫度，并根據(jù)軟件設(shè)置決定是完全打開、完全關(guān)閉風(fēng)扇還是將其設(shè)置為半速運行。

線性風(fēng)扇速度控制：這種較新的風(fēng)扇速度控制方法也稱為電壓控制。BIOS 或操作系統(tǒng)從 TDM 測量電路讀取溫度，并將一個字節(jié)寫回片內(nèi) DAC，以設(shè)置輸出電壓以控制風(fēng)扇的速度。這種類型的IC風(fēng)扇控制器就是一個例子，ADM1022具有8位DAC片內(nèi)，輸出電壓范圍為0 V至2.5 V。它與具有所選風(fēng)扇適當(dāng)設(shè)計額定值的外部緩沖放大器配合使用。ADM1022還包含默認(rèn)的自動硬件跳變點，如果TDM電路檢測到過熱情況，則風(fēng)扇將全速驅(qū)動。這些類型的設(shè)備的首次亮相標(biāo)志著自動風(fēng)扇速度控制的出現(xiàn)，其中一些決策從操作系統(tǒng)軟件轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)監(jiān)控硬件。

脈寬調(diào)制 （PWM） 風(fēng)扇速度控制： 在ADI公司的系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品線中，這些PWM類型是最新的風(fēng)扇控制產(chǎn)品。BIOS 或操作系統(tǒng)可以從 TDM 設(shè)備讀取溫度，并通過調(diào)整應(yīng)用于冷卻風(fēng)扇的 PWM 占空比來控制冷卻風(fēng)扇的速度。

值得注意的是，上述所有風(fēng)扇速度控制方法都依賴于CPU或主機干預(yù)，通過2線系統(tǒng)管理總線從TDM器件讀取溫度。然后，由CPU執(zhí)行的熱量管理軟件必須決定風(fēng)扇速度應(yīng)該是多少，并將一個值寫回系統(tǒng)監(jiān)視器IC上的寄存器以設(shè)置適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇速度。

風(fēng)扇速度控制發(fā)展的下一步是實現(xiàn)自動風(fēng)扇速度控制回路，該循環(huán)可以獨立于軟件運行，并在給定的芯片溫度下以最佳速度運行風(fēng)扇。這種閉環(huán)速度控制有很多好處。

一旦系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備初始化（通過加載具有所需參數(shù)的限值寄存器），控制環(huán)路就完全獨立于軟件，IC可以在沒有主機干預(yù)的情況下對溫度變化做出反應(yīng)。當(dāng)發(fā)生災(zāi)難性系統(tǒng)故障時，此功能尤其理想，系統(tǒng)無法從中恢復(fù)。如果PC崩潰，操作系統(tǒng)中的電源管理軟件將不再執(zhí)行，從而導(dǎo)致熱量管理丟失！如果PC無法讀取正在測量的溫度（因為PC已崩潰），則無法期望設(shè)置正確的風(fēng)扇速度以提供所需的冷卻水平。

閉環(huán)實現(xiàn)的另一個切實好處是，它將在任何給定溫度下以最佳速度運行風(fēng)扇。這意味著噪音和功耗都降低了。全速運行風(fēng)扇可最大限度地提高功耗和噪音。如果可以通過回路優(yōu)化有效管理風(fēng)扇速度，則僅在給定溫度下僅以所需的速度運行，則功耗和可聽見的風(fēng)扇噪音都會降低。在電池供電的筆記本電腦應(yīng)用中，這是一個絕對關(guān)鍵的要求，其中每一毫安電流（或毫安秒的電荷）都是寶貴的商品。

自動風(fēng)扇速度控制回路

以下是實現(xiàn)自動風(fēng)扇速度控制回路的方法，該回路將使用TDM技術(shù)測量溫度，并將風(fēng)扇速度適當(dāng)?shù)卦O(shè)置為溫度的函數(shù)?？删幊虆?shù)允許更完整地控制環(huán)路。要編程的第一個寄存器值為 T最低.這是風(fēng)扇首次打開的溫度（對應(yīng)于 ACx），也是風(fēng)扇速度控制開始的溫度。速度暫時設(shè)置為最大以使風(fēng)扇運轉(zhuǎn)，然后返回到最低速度設(shè)置（請參閱圖 6）。允許控制溫度風(fēng)扇速度函數(shù)斜率的參數(shù)是從 T.MAX到 T最低或 T范圍.T 的編程值最低和 T范圍定義風(fēng)扇達(dá)到最大速度的溫度，即 T.MAX= T最低* u范圍.可編程溫度范圍可選：5&de;C、10°C、20°C、40°C 和 80°C。 為了避免在T附近快速循環(huán)上下最低，滯后用于建立低于 T 的溫度最低，此時風(fēng)扇將關(guān)閉?？删幊痰江h(huán)路中的遲滯量為1°C至15°C。 此風(fēng)扇控制回路可由操作系統(tǒng)軟件通過 SMBus 進(jìn)行監(jiān)控，PC 可以隨時決定覆蓋控制回路。

圖6.風(fēng)扇速度編程為溫度的自動函數(shù)。

PWM 與線性風(fēng)扇速度控制

有人可能會問，如果線性風(fēng)扇速度控制已經(jīng)廣泛使用，為什么脈寬調(diào)制是可取的。

考慮使用線性風(fēng)扇速度控制驅(qū)動的 12V 風(fēng)扇。當(dāng)施加到風(fēng)扇的電壓從 0 V 緩慢增加到約 8 V 時，風(fēng)扇將開始旋轉(zhuǎn)。隨著風(fēng)扇電壓的進(jìn)一步增加，風(fēng)扇速度將增加，直到在 12 V 驅(qū)動時以最大速度運行。因此，12V 風(fēng)扇的有效工作窗口介于 8 V 和 12 V 之間;范圍僅為 4 V，可用于速度控制。

對于筆記本電腦使用的 5-V 風(fēng)扇，情況變得更糟。風(fēng)扇在施加的電壓約為 4 V 之前不會啟動，高于 4 V，風(fēng)扇將趨向于接近全速旋轉(zhuǎn)，因此在 4 到 5 伏之間幾乎沒有可用的速度控制。因此，線性風(fēng)扇速度控制不適合控制大多數(shù)類型的5V風(fēng)扇。

通過脈寬調(diào)制（PWM），最大電壓施加在受控間隔（方波的占空比，通常為30至100 Hz）內(nèi)。隨著該占空比或高時間與低時間之比的變化，風(fēng)扇的速度將發(fā)生變化。

在這些頻率下，清潔轉(zhuǎn)速表（轉(zhuǎn)速表）脈沖從風(fēng)扇接收回來，從而實現(xiàn)可靠的風(fēng)扇速度測量。隨著驅(qū)動頻率的提高，存在用于精確測量的轉(zhuǎn)速脈沖不足的問題，然后是噪聲，最后是電尖峰破壞轉(zhuǎn)速信號。因此，大多數(shù)PWM應(yīng)用使用低頻激勵來驅(qū)動風(fēng)扇。外部PWM驅(qū)動電路非常簡單。它可以通過單個外部晶體管或MOSFET來驅(qū)動風(fēng)扇來實現(xiàn)（圖7）。由模擬速度電壓驅(qū)動的線性風(fēng)扇速度控制等效物需要一個運算放大器、一個調(diào)整管和一對電阻來設(shè)置運算放大器增益。

圖7.PWM驅(qū)動電路與線性驅(qū)動電路的比較。

如何測量風(fēng)扇速度？3 線風(fēng)扇具有轉(zhuǎn)速輸出，通常每轉(zhuǎn)輸出 1、2 或 4 個轉(zhuǎn)速脈沖，具體取決于風(fēng)扇型號。然后，該數(shù)字轉(zhuǎn)速信號直接施加到系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備上的轉(zhuǎn)速輸入。轉(zhuǎn)速脈沖不計算在內(nèi)，因為風(fēng)扇運行相對較慢，并且需要相當(dāng)長的時間才能積累大量轉(zhuǎn)速脈沖以進(jìn)行可靠的風(fēng)扇速度測量。相反，轉(zhuǎn)速脈沖用于將運行頻率為22.5 kHz的片內(nèi)振蕩器選通計數(shù)器（見圖8）。實際上，正在測量轉(zhuǎn)速周期以確定風(fēng)扇速度。轉(zhuǎn)速值寄存器中的高計數(shù)表示風(fēng)扇低速運行（反之亦然）。限位寄存器用于檢測風(fēng)扇粘連或停止。

圖8.風(fēng)扇速度測量。

風(fēng)扇速度控制還有哪些其他問題？

當(dāng)使用PWM控制風(fēng)扇時，可靠連續(xù)風(fēng)扇運行的最小占空比約為33%。但是，風(fēng)扇不會以 33% 的占空比啟動，因為沒有足夠的功率來克服其慣性。如圖 6 的討論中所述，此問題的解決方案是在啟動時將風(fēng)扇旋轉(zhuǎn) 2 秒鐘。如果風(fēng)扇需要以最低速度運行，則在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)后，PWM占空比可以降低到33%，并且由于遲滯而防止其失速。

風(fēng)扇失速和風(fēng)扇故障

然而，在系統(tǒng)中使用時，風(fēng)扇可能會在某個時候停止。原因可能包括風(fēng)扇運行太慢，或灰塵積聚阻止其旋轉(zhuǎn)。因此，ADI公司的系統(tǒng)監(jiān)視器具有基于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速輸出的片內(nèi)機制，用于檢測并重新啟動停止的風(fēng)扇。如果未收到轉(zhuǎn)速脈沖，則轉(zhuǎn)速值寄存器中的值將超過轉(zhuǎn)速極限寄存器中的限制，并將設(shè)置錯誤標(biāo)志。這將導(dǎo)致控制器嘗試通過嘗試旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇 2 秒鐘來重新啟動風(fēng)扇。如果風(fēng)扇繼續(xù)出現(xiàn)故障，最多嘗試重新啟動 5 次，則確認(rèn)存在災(zāi)難性風(fēng)扇故障，并且 FAN_FAULT 引腳將置位以警告系統(tǒng)風(fēng)扇出現(xiàn)故障。在雙風(fēng)扇雙控制器系統(tǒng)中，第二個風(fēng)扇可以全速旋轉(zhuǎn)，以嘗試補償由于第一個風(fēng)扇故障而導(dǎo)致的氣流損失。

總結(jié)

ADI公司繼續(xù)開發(fā)卓越的熱管理解決方案，并將其提供給計算行業(yè)。為ADM1029、ADM1030/31和ADM1026開發(fā)的技術(shù)將PC內(nèi)的熱管理提升到一個新的水平。這些器件具有溫度監(jiān)控、硬件自動溫度控制、風(fēng)扇速度測量、支持備用和冗余風(fēng)扇、風(fēng)扇存在和風(fēng)扇故障檢測、可編程 PWM 頻率和占空比等功能。隨著電源準(zhǔn)則變得更加嚴(yán)格，PC運行溫度明顯更高，正在開發(fā)更復(fù)雜的溫度測量和風(fēng)扇速度控制技術(shù)，以更有效地管理未來的系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷