可用于監(jiān)控PC主板設計環(huán)境條件的芯片

在當今基于微處理器的系統(tǒng)中，電氣、機械和熱環(huán)境的管理變得越來越重要。本文將重點介紹精確的電壓和溫度監(jiān)控以及其他硬件監(jiān)控要求。我們將研究精確測量的技術，并為ADM9240芯片所體現(xiàn)的基于奔騰II的系統(tǒng)中的一系列硬件監(jiān)控任務提供解決方案。

隨著IC和系統(tǒng)設計人員尋求從設計中榨取每一點性能，硬件監(jiān)測和控制已成為電路板設計目標不可或缺的一部分。例如，需要保持精確的電源電壓水平，并持續(xù)處理高性能芯片產(chǎn)生的熱量?？刂苹芈返姆答伈糠滞ㄟ^硬件監(jiān)控完成 - 連續(xù)測量關鍵系統(tǒng)參數(shù)，如電源電壓，內(nèi)部溫度，冷卻風扇性能和其他環(huán)境因素。通過嚴格控制這些參數(shù)以保持在嚴格的限制范圍內(nèi)，可以最大限度地提高系統(tǒng)性能，從而保持電路的最佳工作條件并避免縮短組件壽命。

基于英特爾奔騰的最新一代產(chǎn)品清楚地表明了硬件監(jiān)視和控制的重要性。時鐘速率超過 450 MHz 的最新奔騰 II 微處理器需要復雜、高度穩(wěn)定的電源電壓 - 簡單的 +5 或 +3.3V 電源已不再足夠。相反，奔騰內(nèi)核邏輯需要 1.3 至 3.5 V 的數(shù)字可調(diào)電壓和 50mV 分辨率。所需的實際電壓取決于許多因素。當考慮到流過印刷電路板（PCB）走線電阻和電感的電流的動態(tài)變化性質(zhì)時，將電壓控制到這種程度并不是一個微不足道的要求。除了處理器芯片的要求外，典型系統(tǒng)還需要至少4個其他穩(wěn)壓電源：+12V、-12V、+5V和+3.3V，用于其他功能，如磁盤驅(qū)動器、視頻電路、PC卡等。為了保持長期可靠性，必須精確監(jiān)測和控制所有這些電壓。簡單的電壓比較器類型的電路可用于監(jiān)視固定電源;但是，監(jiān)控可變負載的高精度電源需要更復雜的解決方案，涉及電壓電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

除了嚴格控制的工作電壓外，當今的許多系統(tǒng)還依賴于熱管理方法，例如主動散熱、對流冷卻和強制風冷提供的冷卻，以保持可靠的工作條件。隨著IC和系統(tǒng)變得越來越快、越來越復雜、越來越密集，消除多余的熱量并保持安全、可靠的工作溫度變得越來越重要。溫度檢測，通常與風扇速度監(jiān)測和控制相結合，是當今用于確保系統(tǒng)可靠性的幾種技術。通過控制風扇速度，可以實現(xiàn)更高的效率、更低的功耗和更低的噪音水平。

受益于有效硬件監(jiān)控的另一個重要領域是總擁有成本 （TCO）。所有重要功能都受到持續(xù)監(jiān)控，并將結果傳達給系統(tǒng)管理軟件。在發(fā)生代價高昂的損壞之前，可以檢測到即將發(fā)生的故障，識別來源并采取糾正措施，甚至調(diào)用系統(tǒng)關閉。例如，可以通過監(jiān)控其速度來檢測堵塞的冷卻風扇。當速度從其標稱速度降低 10% 到 15% 時，軟件可以注意到問題并在劣化造成額外損壞之前關閉系統(tǒng)。以 10 美元的價格更換風扇比更換 1000 美元的 CPU 或更昂貴的系統(tǒng)主板更具吸引力。

多通道電壓、溫度和風扇速度監(jiān)控，以及每個參數(shù)的可編程限值設置，對于實現(xiàn)監(jiān)測和控制目標大有幫助。我們將在下面討論一些在基于奔騰的系統(tǒng)中實現(xiàn)此目的的特定技術。該演示將采用ADI公司的新型監(jiān)控IC ADM9240，以展示優(yōu)化監(jiān)控策略的方法。

電壓監(jiān)控

在一個典型的系統(tǒng)中，需要監(jiān)控多達六個電壓通道。典型系統(tǒng)電源包括以下部分或全部電源的組合：+12、-12、+5、+3.3、+2.7和+2.5 V。

由于需要跟蹤如此多（和不同）的電源，具有數(shù)字讀數(shù)的多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了最大的靈活性。基于 A/D 轉(zhuǎn)換器的解決方案有助于軟件控制和限值設置。一旦轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，數(shù)據(jù)就很容易作、處理和存儲，以供歷史參考。

以下是必須解決的一些注意事項，以便將信號從模擬精確轉(zhuǎn)換為數(shù)字： 由于被測電源通常使用開關模式技術產(chǎn)生，因此開關引入的噪聲會使其電壓難以準確監(jiān)控。開關毛刺和負載相關電壓偏移可能是雜散報警的來源。因此，監(jiān)控電路必須抑制電源毛刺和偏移，但仍要足夠快，以檢測電源何時真正超出容差。當電源確實超出公差時，重要的是報告它，以便盡快處理情況，以避免系統(tǒng)性能錯誤甚至損壞。

ADM9240的輸入電路（圖1）具有雙重作用：

一個。過濾輸入信號
b.衰減輸入電平，使其調(diào)整為板載ADC的
基準電壓。

在片上集成衰減網(wǎng)絡具有重要優(yōu)勢。由于電阻不準確或不匹配而導致的任何誤差都已包含在通道規(guī)格中，因此用戶無需進一步增加系統(tǒng)誤差預算。

圖1.輸入通道濾波和衰減

ADM9240 的輸入范圍也有偏置，因此標稱輸入電壓電平對應于 ADC 上的 2/25 滿量程（圖 <>）。這種縮放提供從+<>%過壓到總故障的范圍。將大部分動態(tài)范圍置于低端可以考慮大多數(shù)誤差情況，并且還具有更大的靈活性，因為可以監(jiān)視較低電壓的電源（指定低于列出的標準電平），但精度會有所降低。

圖2.輸入傳遞函數(shù)

監(jiān)測核心電壓

除了監(jiān)視固定電源外，基于奔騰 II 的系統(tǒng)還需要精確監(jiān)視處理器內(nèi)核電壓 VCCP。今天的奔騰 II（P2）使用 5 位 VID（電壓識別）代碼（高于上一代產(chǎn)品的 4 位）根據(jù) P2 提供的 VID 代碼，內(nèi)核電壓可以設置在 1.3 V 和 3.5 V 之間。

VID 代碼表

前面討論的電壓監(jiān)控要求也適用于VCCP電源，但容差要嚴格得多。用于監(jiān)控此情況的A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍設置為0 V至3.6 V，2/7滿量程設置為2.<> V。這提供了足夠的動態(tài)范圍和精度，以適應其他處理器內(nèi)核電壓，甚至超出P<>要求。

在可能采用不同處理器內(nèi)核電壓的雙處理器系統(tǒng)中，ADM9240提供第二個多路復用輸入通道（VCCP2）。

監(jiān)測負電壓

通過反轉(zhuǎn)信號的極性，可以監(jiān)視正輸入通道上的負電壓。但這可能不具有成本效益——它需要一個反相運算放大器，并且浪費了芯片“空間”。也可以使用使用正偏置和范圍的反轉(zhuǎn)解釋的低成本方案。如圖3所示：電阻R2偏置至+5 V;上限和下限（以及過壓（75%）和欠壓（25%）范圍）將被轉(zhuǎn)置。由于失調(diào)電壓取決于+5 V基準電平，因此應使用精確的+5 V基準電壓源，或者（如果使用5 V電源本身）應首先測量該輸入，并相應地設置-12 V電源的限值。

圖3.使用正輸入通道 （VCCP） 監(jiān)控 -12V 電源

溫度監(jiān)測

溫度監(jiān)控提高了可靠性，并允許接近接近實現(xiàn)最大性能的效率。如果冷卻系統(tǒng)完全失效或惡化到不足的程度，它還可用于保護系統(tǒng)免受過熱。

硅傳感器作為電子系統(tǒng)中的溫度傳感器變得越來越重要，因為它們是線性的、準確的、廉價的、可靠的;并且可以與其他模擬或數(shù)字功能集成在同一 IC 上。它們利用基極-發(fā)射極電壓（在是）和硅雙極結型晶體管中的電流密度（電流/發(fā)射極面積），以產(chǎn)生與絕對溫度（PTAT）成比例的電壓。如果電流以固定比率r流過兩個相同的晶體管（或者如果相等的電流流過一個晶體管和一組r相同的并聯(lián)晶體管），則差分在是是PTAT。圖4是說明原理的電路。一個1和一個2是發(fā)射極區(qū)域，我S是反向飽和電流，k/q 是玻爾茲曼常數(shù)與電子電荷的比值，約為 86 μV/K。

圖4.硅溫度傳感器的工作原理

在ADM9240上，片內(nèi)溫度檢測使用額外的多路復用器通道（圖5）。循環(huán)時，模擬輸入和溫度通道分別由多路復用器依次選擇，并由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

圖5.電壓和溫度監(jiān)控

偏移、縮放和數(shù)據(jù)操作提供二進制補碼輸出。雖然理論溫度范圍為零下128oC至+127oC，但實際器件和封裝限制將其限制在-40oC至+125oC左右。

溫度傳感器的位置對于精確的溫度測量很重要。理想情況下，它應該與被測量物體保持密切的身體接觸。這并不總是可行的，特別是當單個傳感器只是多功能IC上的一個功能時，必須考慮其他因素。如果無法直接熱接觸，則必須表征傳感器的溫度與所需測量點之間的差異。通過這種方式，可以使用已知的偏移來補償溫差。

風扇速度測量

風扇速度感應為潛在問題提供了寶貴的預警信號。風扇是高度可靠的電子系統(tǒng)中的弱機械部件。雖然現(xiàn)代無刷風扇比早期的刷子類型更可靠，但它們?nèi)匀蝗菀壮霈F(xiàn)機械磨損。軸承磨損和摩擦增加會減慢風扇的轉(zhuǎn)速，導致空氣減少。如果持續(xù)監(jiān)控速度，則可以在冷卻不足導致嚴重問題之前發(fā)現(xiàn)預測故障的跡象。

現(xiàn)代風扇提供轉(zhuǎn)速計輸出（通常每轉(zhuǎn)兩個脈沖），以方便速度監(jiān)控。轉(zhuǎn)速是通過簡單地計算固定時間段內(nèi)的脈沖數(shù)來確定的。

雖然這是最簡單的速度監(jiān)控方案，但它很慢。例如，當風扇以低于 1000 RPM 的速度運行時，需要幾秒鐘才能累積出相當大且準確的計數(shù)。

ADM9240采用的技術不直接計算風扇轉(zhuǎn)速輸出脈沖。相反，它使用轉(zhuǎn)速輸出作為高頻內(nèi)部時鐘的門控信號。通過計算門控脈沖的數(shù)量，可以確定風扇的周期。累積計數(shù)與風扇的轉(zhuǎn)速周期成正比，與速度成反比。

具體而言，片內(nèi) 22.5kHz 振蕩器被選通到 8 位計數(shù)器的輸入中，用于風扇轉(zhuǎn)速輸出的兩個周期，對應于風扇一圈的時間（圖 6）。

圖6.轉(zhuǎn)速計輸出和速度確定

為了適應不同速度的風扇，可以在計數(shù)器之前添加預分頻器（除數(shù)）?？紤]以下使用ADM9240的示例。

除數(shù)為 2 時，風扇每轉(zhuǎn)有兩個輸出脈沖，轉(zhuǎn)速為 4000 rpm，計數(shù)為 168。也就是說，在 4000 rpm 時，每分鐘有 8000 個脈沖，每秒 133.3 個脈沖;因此，脈沖對之間的間隔為 15 毫秒，計數(shù)為 0.015（22，500/2） = 168+。

當風扇減速時，計數(shù)增加到計數(shù)器的最大計數(shù) 255，這發(fā)生在 4000 （168.75/255） = 2647 rpm 時。

將風扇轉(zhuǎn)速計輸出連接至5V/3V邏輯

由于風扇通常由高于邏輯/監(jiān)控電路的電壓供電，因此有必要提供一個不會對邏輯施加過大壓力或正向偏置某些內(nèi)部結的接口。使用電阻/齊納二極管網(wǎng)絡的電壓箝位提供了一個很好的解決方案（圖 7）。應選擇齊納擊穿電壓，使其低于邏輯電源電壓。采用 5V 邏輯時，適合使用 4.0V 齊納二極管。

圖7.轉(zhuǎn)速計輸出接口

控制風扇速度

如果風扇在額定電壓和環(huán)境溫度下移動的空氣多于充分冷卻所需的空氣，則可以控制其速度以減少風扇噪音和功耗，同時將溫度保持在安全水平。

最簡單的控制形式是線性調(diào)整風扇的電源電壓。例如，通過將電源調(diào)整到低于 12 V 的電壓，可以限制 12V 風扇的速度。

但是，必須考慮到，如果電源電壓固定在低值，風扇可能無法可靠地啟動。使用D/A轉(zhuǎn)換器來改變速度（圖8），風扇可以以更高的速度啟動，然后減速到正確的值。對于 12V 風扇，最小可靠工作電壓可能高達 6 或 7 V，允許相當大的調(diào)整范圍。

ADM9240的8位DAC可用于風扇速度控制。DAC的1.25 V輸出需要一個外部放大/電流提升級來驅(qū)動風扇。

圖8.風扇速度控制

通過 LAN 網(wǎng)絡進行控制和監(jiān)控

硬件監(jiān)視和控制可以進一步擴展為在網(wǎng)絡上運行，以便可以連續(xù)監(jiān)視整個計算機網(wǎng)絡的運行狀況。英特爾的 LAN 桌面客戶端管理器 （LDCM） 是網(wǎng)絡管理軟件的一個示例，它可以監(jiān)控網(wǎng)絡上的各個工作站并對其進行故障排除，并向系統(tǒng)管理員提供未來潛在問題的早期警告。

許多網(wǎng)絡問題都是由于沒有經(jīng)驗的用戶安裝不兼容的軟件或硬件而發(fā)生的。兩者都可以通過局域網(wǎng)遠程監(jiān)控。機箱入侵傳感器可用于檢測未經(jīng)授權的系統(tǒng)篡改。典型的傳感器包括簡單的微動開關、干簧開關、霍爾效應開關甚至光學傳感器。打開外殼時，開關被切換或光束斷開。

ADM9240包括一條輸入線，可連接到機箱防盜開關，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報。通常，開關使用觸發(fā)器或晶閘管連接到閉鎖電路。因此，機箱防盜閂鎖必須可由系統(tǒng)管理員重置。在ADM9240上，機箱防盜線也可以臨時配置為輸出線，以便發(fā)送清除脈沖以清除鎖存器。

圖9顯示了完整ADM9240的框圖。通過結合電壓、溫度、風扇和機箱入侵監(jiān)控，為電子設備提供了更好控制的操作環(huán)境。對用戶的好處是提高了穩(wěn)定性、可靠性和降低擁有成本。

圖9.ADM9240原理框圖

圖10顯示了使用ADM9240的完整監(jiān)控解決方案。此電路適用于奔騰 II 型主板。同時監(jiān)控所有六個電源是否存在過壓或欠壓情況，這些情況會對電子設備構成威脅。上限和下限通過2線系統(tǒng)管理總線（SMBus）進行編程。主控制器通常是PIIX4南橋芯片，但也可以是專用微控制器。除了電壓監(jiān)控外，該電路還通過J2和J3監(jiān)控一對冷卻風扇的速度。其中一個風扇（J3）使用ADM9240上的DAC進行速度控制以限制噪聲，而第二個風扇則以全速連續(xù)運行。線性速度控制為保持低聲發(fā)射提供了可靠、低噪聲的解決方案。通過連接到J1的光學、機械或磁性開關（適當定位以避免篡改）檢測并鎖定未經(jīng)授權的系統(tǒng)篡改。請注意，檢測和閉鎖電路由備用電池供電，因此即使拔下系統(tǒng)插頭，監(jiān)控也會繼續(xù)。置位時，系統(tǒng)管理員可以使用對ADM9240的特殊命令清除鎖存邏輯。

圖 10.采用ADM9240的完整監(jiān)控解決方案。

下一代

在撰寫本文時，下一代硬件監(jiān)控解決方案正在開發(fā)中;它剛剛變得可用。ADM1024體現(xiàn)了上述所有原理。此外，它還包括熱二極管監(jiān)控（TDM）技術。這種革命性的技術允許通過奔騰 II 上的二極管連接晶體管持續(xù)監(jiān)控奔騰芯片本身的溫度。通過切換通過片內(nèi)二極管的兩種不同電流并測量二極管正向電壓的微小變化，可以通過原理類似于圖4所示的多路復用帶隙測量來準確確定管芯溫度。

該方案的主要優(yōu)點是可以獲得準確的溫度測量值，而無需定位外部傳感器進行親密接觸。由于傳感器現(xiàn)在正好在測量點，因此可以非常精確，并且完全消除了熱滯后。ADM1024內(nèi)置開關電流源以及濾波和放大輸入級。與ADM9240一樣，板載ADC將溫度測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。

除了這些TDM通道外，ADM1024還包含額外的配置寄存器，以提供更大的靈活性?？梢愿鶕?jù)需要配置輸入通道，以測量風扇速度或電壓或熱輸入。其他通道可以配置為監(jiān)視電壓識別位（VID），或者實際上可以用作中斷監(jiān)視輸入。

電壓、散熱、風扇速度、機箱、VID監(jiān)控與額外的靈活性相結合，使ADM1024適用于各種下一代主板設計，無論是臺式機、服務器還是工作站。

審核編輯：郭婷