電子系統散熱管理架構


　在散熱管理上，電子系統負責的工作雖然只有對溫度的量測及對風扇的控制，但這卻是整個散熱系統中最核心的部分。溫度感測與風扇控制的規劃架構可以有很多種作法，好的規劃對于整體的散熱效益影響甚鉅；加上目前計算機系統中需偵測和控制溫度的元件很多，在規劃上必須考量如何進行最佳化的感測及控制電路？控制的模式為何？如何做到最精確的溫度感測，以及對風扇做到智能性的控制？這些都是設計上很大的挑戰。此外，今日Intel已推出不少散熱管理的新技術，包括SST、DTS、PECI等，這些新技術都具有改善散熱效益的優勢，但工程師必須懂得如何運用這些技術，才能讓它們的功能獲得完善的表現。

　■風扇控制

　風扇是將熱量從電源供應器、CPU和硬碟處移除的最基本方法。目前每個計算機用的風扇都使用一個無刷式（brushless）的DC馬達，這種風扇的效率與馬達控制的狀況密切相關。無刷式DC風扇馬達控制器提供更高等級的系統控制，它整合了一個馬達控制驅動器，此驅動器能接收數碼及類比PWM訊號，進而提供準確的空氣流動和噪音控制。

　傳統的風扇馬達只有兩線的輸出入控制，只具有接地（GND）和電壓（12V）兩個接腳，因此若不是將風扇一直打開，就只能基于恒溫器（thermostat）型式的輸入值，在超過某一特定溫度時來打開風扇。進一步的作法是三線風扇，也就是多了一個接腳來傳輸轉速計（tachometer；tach）訊號。而Intel最新的作法是再多一個PWM輸入接腳的四線風扇，此風扇把PWM的輸入視為一個訊號值，能在極高的PWM頻率下運作，同時還會用到一個更高（kHz范圍）PWM頻率值。在這個設計中，馬達的速度可以降低20％，但仍能可靠地啟動。

 

　■溫度感測

　所有的熱量管理都是從溫度的量測開始的。要做到溫度量測，方式有很多，包括熱電偶（thermocouple）、熱敏電阻（thermistor）、溫度阻抗型裝置（resistance temperature device；RTD）和半導體傳感器等。半導體傳感器的溫度系數較其它方案稍微高一些，在不同的溫度時會有不同的偏置值（offset），不過，半導體接合面電壓（junction voltage）對應于溫度的情況又比其它方案更具有線性化的特征。

　另一種更先進的方法是使用二組電流再減去其電壓差異來得出更為線性的ΔVbe。在今日的PC中，幾乎所有的量測都使用ΔVbe技術，其中的一個二極管是處理器基板二極管（substrate diode）。當制程從90nm微縮到65nm或更小時，這個二極管變得愈來愈不是個理想的二極管，反而是一個可能造成準確性議題的不良晶體管，其增益beta值甚至會小于1。除了beta值的變異外，漏電也是問題的一部分。

　為了改善這種問題，Intel推出低電壓的兩線數碼式溫度傳感器（digital temperature sensor；DTS），這顆DTS的溫度感測電路會持續地監控內部溫度二極管的基極－射極電壓，以及連結到D+和D-接腳的遠端二極管。這個芯片將兩個類比電壓轉換為數碼值，并將此資料放到溫度暫存器。使用與SMBus兼容的序列式界面，用戶就可以取得溫度暫存器中的資料。 

　溫度量測的精確度和范圍是溫度傳感器性能評監的關鍵，這會影響到風扇控制的效益。除了傳感器本身的靈敏性外，傳感器所在的位置也是一大關鍵，當傳感器離熱源愈近，就愈來顯示出實際的溫度狀況，但以CPU來說，傳感器的位置與實際熱點會有一段差距，很容易就會產生約10℃的溫度差異，這要視兩者相隔的距離而定。此外，熱點并不是一直都在相同的區域，它會經常的改變。對于單核心來說，這是事實；當走向多核心時，情況只會更糟，即使采用了多個傳感器也不能完全解決這個問題。

　■智能性熱量管理方案

　在今日愈來愈復雜的計算機系統中，熱量管理方案也得變得更聰明才行。要將熱量管理提升到系統等級的智能性，必須從高度精確的溫度感測做起，也就是要能做到±1℃的準確性，并且涵蓋了極大的產業應用溫度范圍。要達成此目標，背后的核心技術可能包括先進能隙（bandgap）、高效能類比轉換流動（analog conversion flow）、內部類比數碼轉換器（ADC）和sigma-delta，以及ΔVbe的建置方式等。而溫度感測的準確性可以精確的控制風扇并降低耗電，透過智能性冷卻還能將噪音降到最低。

　有了精確的溫度感測，就能為系統控制中的保護頻帶（Guardband）進行最佳化設計，進而能降低風扇運作時間以及電流泄漏，而精確的控制加上一個封閉回路的風扇就能提供即時的運作管理。如果溫度感測不夠準確，很容易導致風扇過早打開，這會造成過度的耗電及風扇噪音；相較之下，精確的感測能夠降低70％的風扇運作需求，進而減少約2W的耗電以及約15dBA的風扇噪音。

　除了功耗與噪音議題外，錯誤的溫度感測也會導致系統的嚴重問題，尤其是無法恰當的保護CPU，進而讓處理器愈來愈熱、消耗愈多的能量，也縮減了使用壽命；此外，過熱的系統會產生當機現象或損毀資料及其它元件。為了提升對系統的管理，具有風扇控制的數碼遠矩溫度傳感器還能將感測功能與可調變風扇速度控制整合在一起，進而改善系統效能和增加可靠性。

　自動風扇控制讓系統設計師能充分利用減少保護頻帶的好處來為風扇開關的時間做到最佳化的設計。這個封閉回路系統利用流入或周圍溫度及有效率的PWM控制來減少升溫或降溫模式時的風扇啟用時間，這類傳感器具有最小及最大速度、遲滯（hysteresis）和警示的組態暫存器（configuration register），進而讓風扇能基于準確的溫度量測來做線性的速度控制。降低啟用時間能增加風扇及整個系統在失誤（MTBF）和穩定性之間的中間時間（mean time）。

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