溫控技術(shù)介紹

溫控技術(shù)介紹
隨著運(yùn)行速度的加快微處理器功耗和溫度都在不斷增大，如何使處理器安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性，防止因過熱而產(chǎn)生的死機(jī)、藍(lán)屏、反復(fù)重啟動(dòng)甚至處理器燒毀，不僅是處理器所面臨的困境，也是主板設(shè)計(jì)面臨的重要課題。為此Intel提出了溫度監(jiān)控器（Thermal Monitor，以下簡(jiǎn)稱TM）的概念，其目的就是通過對(duì)處理器進(jìn)行溫度控制和過熱保護(hù)，增加處理器的穩(wěn)定性和安全性。
溫度測(cè)量：
建立微處理器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，首先要選擇一種合適的溫度測(cè)量器件。能夠測(cè)量溫度的器件有很多種，如熱敏電阻、熱電偶和半導(dǎo)體溫度傳感器等。電腦中最早使用熱敏電阻作為測(cè)溫元件，微處理器插座下豎立的球狀或帶狀的小元件就是熱敏電阻，如下圖
熱敏電阻（Thermal Resistor ，簡(jiǎn)稱Thermistor）體積小、價(jià)格低，使用方便，但熱敏電阻測(cè)量精度難以保證，更重要的是無法檢測(cè)到處理器核心的真實(shí)溫度。不過此項(xiàng)技術(shù)并非無用武之地，對(duì)于處理器內(nèi)部溫度測(cè)量不能達(dá)到要求，但對(duì)于環(huán)境溫度測(cè)量還是能達(dá)到要求的，如主機(jī)箱內(nèi)部的環(huán)境溫度等。
為了解決熱敏電阻無法測(cè)量微處理器核心真實(shí)溫度的問題，Intel在Pentium Ⅱ和Celeron處理器中植入了熱敏二極管（Thermal Diode，或簡(jiǎn)稱作Thermodiode）直接測(cè)量處理器核心溫度，此后的Pentium Ⅲ和Pentium 4芯片中都植入了熱敏二極管，AMD在Athlon和Duron處理器中也植入了熱敏二極管。目前，無論Intel還是AMD的微處理器已很少使用熱敏電阻測(cè)量微處理器表面溫度，所以BIOS與檢測(cè)軟件所顯示的微處理器溫度都是指微處理器的核心溫度，而在Pentium Ⅱ以前，微處理器溫度通常是指表面溫度。

熱敏二極管又叫熱敏PN結(jié)（Thermal PN junction），基于硅基PN結(jié)正向電壓和溫度的關(guān)系，其測(cè)溫范圍在-55℃～+150℃之間。與熱敏電阻一樣，熱敏二極管屬于變阻器件，其等效電阻值是由其工作溫度所決定。
溫度監(jiān)控
在熱敏電阻為主要測(cè)溫手段時(shí)期，測(cè)得的微處理器表面溫度經(jīng)放大器將微弱信號(hào)放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給BIOS芯片，數(shù)據(jù)進(jìn)入BIOS芯片后，BIOS或監(jiān)控軟件就能在屏幕上顯示。溫度顯示系統(tǒng)是一種被動(dòng)的體系，無法對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。一旦測(cè)得微處理器溫度超出設(shè)定溫度，電腦可以發(fā)出聲光報(bào)警，以提醒電腦用戶進(jìn)行人為干預(yù)。但這種系統(tǒng)用于目前發(fā)熱量大的微處理器上根本沒有安全性可言。如果散熱系統(tǒng)發(fā)生問題后，沒等用戶反應(yīng)過來，微處理器就已經(jīng)燒毀了。因此，Intel提出了溫度監(jiān)控的概念，讓系統(tǒng)具有自我調(diào)控能力，一旦微處理器溫度超出所設(shè)定的極限溫度，系統(tǒng)將通過降低供電電壓、降低芯片工作頻率和加強(qiáng)冷卻等手段進(jìn)行主動(dòng)降溫，甚至自動(dòng)關(guān)機(jī)，以確保微處理器安全。
溫度監(jiān)控技術(shù)有兩個(gè)鮮明的特點(diǎn)∶
? 1微處理器內(nèi)置熱敏二極管直接測(cè)量核心溫度
? 2主板上設(shè)置監(jiān)控芯片
第一代微處理器溫度監(jiān)控技術(shù)是建立在依靠外援的基礎(chǔ)上，當(dāng)微處理器過熱而超過極限溫度時(shí)，由系統(tǒng)向微處理器發(fā)出HLT命令，讓系統(tǒng)暫停。但因?yàn)闊崃靠赡軐?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果電腦死機(jī)或程序進(jìn)入死循環(huán)，就會(huì)失去監(jiān)控作用，也就無法保護(hù)微處理器了。同時(shí)，由于構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的元器件較多導(dǎo)致反應(yīng)速度慢，無法及時(shí)跟蹤微處理器溫度變化。而現(xiàn)在的微處理器不僅核心溫度高，而且升溫速度快（最高可達(dá)50℃/s），一旦災(zāi)難來臨必有“遠(yuǎn)水不解近渴”之憂患。
第二代溫度監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是在微處理器內(nèi)部集成了溫度控制電路（Thermal Control Circuit，TCC），由微處理器自身執(zhí)行溫度控制功能，同時(shí)，微處理器內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)相互獨(dú)立的熱敏二極管，D1是本地?zé)崦舳O管，所測(cè)信號(hào)提供給TCC，D2則為遠(yuǎn)端熱敏二極管，其測(cè)量結(jié)果用于實(shí)現(xiàn)主板控制功能及顯示核心溫度
處理器核心溫度
處理器核心溫度包括微處理器警戒溫度（warning temperature）和極限溫度（thermal trip），但它們具有不同的含義。警戒溫度是能夠保證微處理器穩(wěn)定運(yùn)行的溫度；極限溫度也叫最高核心溫度（Maximum die temperature）或關(guān)機(jī)溫度（Shutdown temperature），是防止微處理器免于燒毀的溫度。
不同微處理器的警戒溫度和極限溫度值是制造商根據(jù)微處理器的制造工藝和封裝形式及封裝材料確定的，并在技術(shù)白皮書中給出。為防止用戶自行設(shè)定而帶來危險(xiǎn)，Intel已將Pentium 4微處理器的警戒溫度和極限溫度寫入TCC內(nèi)的ROM單元中，用戶無法修改它們。
現(xiàn)在很多主板的BIOS中已經(jīng)可以設(shè)置警戒溫度和關(guān)機(jī)溫度，不過可選的數(shù)值都比較保守，例如警戒溫度最大值為70℃、關(guān)機(jī)溫度為85℃，這是遠(yuǎn)低于TCC內(nèi)設(shè)定值的。
Pentium 4主板的BIOS中通常有“CPU THRM-Throttling ”之類的選擇項(xiàng)，用于選擇超警戒溫度后處理器任務(wù)周期（duty cycle）占全部周期的比例（占空比），在處理器頻率不變的情況下，這個(gè)比例越大說明處理器的工作效率越高。其中有50%表示任務(wù)周期的占空比為50％，也就是說比正常頻率低一半，選項(xiàng)中還可能有75%、25%等多種選擇，選擇的數(shù)值越小，則任務(wù)周期的比例越小，降頻幅度也越大。
散熱技術(shù)：
談到溫度控制自然離不開散熱技術(shù)，從散熱設(shè)備上說，散熱技術(shù)大體可以分為三大類：風(fēng)冷散熱，液冷散熱，導(dǎo)熱管散熱技術(shù)。目前CPU所采用的主流散熱方式是風(fēng)冷散熱。
風(fēng)冷散熱器有兩大重要部件：風(fēng)扇和散熱片。風(fēng)扇的作用是加快散熱片表面空氣的流動(dòng)速度，從而提高散熱片和空氣的熱交換速度，目前所用大部分風(fēng)扇均支持溫控功能。對(duì)于散熱片來說散熱片底部的厚度越厚越好，對(duì)于底部較厚的散熱片，它可以很快吸收到CPU的熱量，存儲(chǔ)的熱量也更多。為了不使CPU長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境下，除了要求散熱片本身的導(dǎo)熱性較好以外，還需要風(fēng)扇提供大的風(fēng)流來吹散CPU熱量。
目前主機(jī)所用的主要散熱方式也是風(fēng)冷散熱，通過BIOS對(duì)CPU及機(jī)箱溫度的監(jiān)視來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到散熱的目的。進(jìn)入BIOS后我們可以看到PC Health Status選項(xiàng)，此項(xiàng)內(nèi)容提供了溫控系統(tǒng)的監(jiān)控功能及策略，如下圖

主板BIOS溫控功能

BIOS溫控流程圖

1 開機(jī)過程：
計(jì)算機(jī)開機(jī)后，主板向CPU 風(fēng)扇、系統(tǒng)風(fēng)扇輸出12V 直流電壓，持續(xù)時(shí)間0.5~1 秒（最長(zhǎng)不超過1 秒），使風(fēng)扇啟動(dòng)，開機(jī)1 秒以后，風(fēng)扇輸入電壓降低到6V 直流或PWM 等效6V 電壓，直到BIOS 溫控生效。
2 BIOS 實(shí)現(xiàn)部分：
a) CMOS 設(shè)置
在CMOS 的“PC Health Status”中設(shè)置如下Item（不同BIOS其命令可能不同）：

通過“Fan Policy”可以開啟或關(guān)閉溫度控制功能，依據(jù)溫控方案顯示正確的Fpwm 和Tj 參數(shù)值
b) BIOS 實(shí)現(xiàn)
BIOS 根據(jù)SuperI/O 類型通過SMI（系統(tǒng)管理中斷，控制電源管理電路來管理微機(jī)系統(tǒng)部件的電源） 方式對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整
3 溫控方案
將CPU 按照功率特性進(jìn)行分組，每組設(shè)定不同的溫控參數(shù)，主板BIOS 內(nèi)預(yù)置所有可能用到的CPU 的溫控參數(shù)，在工作時(shí)，BIOS 根據(jù)CPU 的分組調(diào)用相應(yīng)的溫控參數(shù)（該參數(shù)不需手動(dòng)更改，如要更改請(qǐng)根據(jù)實(shí)際使用需求操作），在用CPU 分組見下表：

更詳細(xì)請(qǐng)查看：TCL電腦各部件維修檢測(cè)規(guī)范