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溫度傳感器在PC散熱方面的解決方案

時(shí)間:2010-04-20 16:02:54來源:luonan

導(dǎo)語:?現(xiàn)在PC和筆記本電腦所追求的重點(diǎn),不外是執(zhí)行速度愈來愈快,功能愈來愈多。

      現(xiàn)在PC和筆記本電腦所追求的重點(diǎn),不外是執(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(jī)板上面了。


      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(gè)電腦系統(tǒng)也愈來愈熱,散熱的需求也愈來愈普遍。在構(gòu)思散熱方案的同時(shí),準(zhǔn)確地偵測(cè)系統(tǒng)或單一芯片的溫度也格外地重要。否則,就可能會(huì)產(chǎn)生散熱系統(tǒng)在低溫的時(shí)候啟動(dòng),但在高溫的環(huán)境中關(guān)閉功能,不僅達(dá)不到散熱的效果,甚至?xí)瓜到y(tǒng)不正常地?fù)p壞。


      那么,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(huì)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 3和Pentium 4,還是AMD的K7CPU都已經(jīng)超過1GHz。這意味著:如果沒有良好的散熱的解決方案,在短短數(shù)秒鐘內(nèi),將有可能導(dǎo)致系統(tǒng)被燒壞。


      (2) 繪圖芯片或3D加速芯片
      隨著視覺效果的需求,繪圖芯片和電腦游戲所依賴的加速芯片功能變得強(qiáng)大、設(shè)計(jì)很復(fù)雜且執(zhí)行頻率也變很高,所以繪圖芯片是主機(jī)板上產(chǎn)生熱量的第二大來源。


      (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,而是做大電流切換的Power MOSFET。


      (4)系統(tǒng)內(nèi)部的熱流(機(jī)殼內(nèi)部)
      我們一般人都會(huì)想到PC的機(jī)殼那么大,內(nèi)部的溫度再高也高不到哪里去??墒浅R?guī)的半導(dǎo)體元件都只保證可在0~70°C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(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,甚至死機(jī)。

 

      (5)PCMCIA卡  
       由于PCMCIA控制芯片的負(fù)擔(dān)并不大,所以不會(huì)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?yàn)镻CMCIA卡是完全密合地插入筆記本電腦中,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帶到電腦外部,但是導(dǎo)熱管本身也會(huì)耗電,再加上出口地方的風(fēng)扇沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的情形下,導(dǎo)熱管就會(huì)變成另一號(hào)危險(xiǎn)來源。由于它橫跨的區(qū)域很大,所以傷害性相對(duì)也更大。


      (7) 其他PC周邊設(shè)備
      如:光碟機(jī)、硬碟機(jī)、和噴墨/雷射印表機(jī)都是容易發(fā)熱的裝置。減少熱量和降低溫度的方法


      減少熱量和降低溫度的方法
      方法一:減少主機(jī)板上的每一個(gè)芯片的功耗
      這可以從兩方面著手:第一,從芯片設(shè)計(jì)上動(dòng)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)目便很有限;換句話說,再笨的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也不致于設(shè)計(jì)出比別人大20%以上的芯片。于是,我們只能盡可能往制程上努力。如果,我們可以不斷地往次微米(Sub-micro)的制程推進(jìn),芯片的工作電壓便可以由5V,降到3.3/3V,甚至可低到2.5V或者1.8V,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(shí)程相對(duì)也拉長(zhǎng)很多,并且證驗(yàn)費(fèi)用和初期生產(chǎn)成本都會(huì)提高。


      方法二:降低執(zhí)行頻率
      在相同的數(shù)位電路中,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,我們不讓芯片有那么快的頻率,系統(tǒng)就自然不會(huì)產(chǎn)生那么多的熱量。這完全不需要額外的成本就可以達(dá)到,是省成本的解決方案。但是,使用者會(huì)買這個(gè)等級(jí)的PC就是希望能夠執(zhí)行得夠快,若降低頻率來執(zhí)行,不見得會(huì)被客戶或使用者所接受。


      方法三:利用風(fēng)扇帶走熱量
      我們?cè)诩依锘蜣k公室中,若天氣實(shí)在太熱了,最簡(jiǎn)單有效的方法就是裝一臺(tái)冷氣機(jī);沒有錢的話,也可以買一臺(tái)電風(fēng)扇來吹走熱氣。利用這個(gè)概念,我們就可以為現(xiàn)在的電腦機(jī)種甚至舊電腦解決散熱問題,這并不會(huì)額外增加多少成本,更重要的是不需要改變整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)和制程。


      然而,風(fēng)扇的馬達(dá)也是相當(dāng)耗電的,所以何時(shí)打開風(fēng)扇及關(guān)掉風(fēng)扇便是很重要的設(shè)計(jì)參數(shù),否則我們是可以吹散熱氣,卻達(dá)不到省電的效果。


      解決方案
      雖然Intel極力想從CPU的設(shè)計(jì)和制程上的改善減少熱的問題,但是在沒有散熱系統(tǒng)的情形下還是會(huì)燒毀??梢姺椒ㄈ乾F(xiàn)階段不能被取代的解決方案,然而風(fēng)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(jī)種所使用的解決方案,選取最具代表性的幾個(gè),供讀者參考:


      ●CPU-LM86
      一般的溫度傳感器(無論是熱敏電阻或IC型溫度傳感器)都需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能夠?qū)醾鲗?dǎo)到傳感器的核心部份。根據(jù)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從CPU把熱傳導(dǎo)到空氣中,再從空氣傳導(dǎo)到溫度傳感器中,這個(gè)過程至少需要20分鐘以上的時(shí)間。如果,散熱片(Heat Sink)沒裝好或風(fēng)扇不轉(zhuǎn),那么不到二分鐘,CPU就會(huì)和被燒壞。


      所以,CPU廠商將一顆3904埋入芯片中,我們稱這顆3904為Remote Diode,因?yàn)樗x溫度傳感器本身很遠(yuǎn)。在短短幾個(gè)毫秒(mini-second)中,溫度傳感器便能精確地偵測(cè)到CPU內(nèi)部的溫度了?,F(xiàn)在的技術(shù)要能做到1°C的精確度已經(jīng)不是很難的事,而且會(huì)變成PC和筆記本電腦的一個(gè)重要的趨勢(shì)。


       在LM86的運(yùn)用實(shí)例中,通常T_CRIT_A的輸出信號(hào)會(huì)被用做過溫度保護(hù)的功能,我們稱之為溫度保護(hù)。好處是當(dāng)Windows或某一個(gè)應(yīng)用程式造成系統(tǒng)死機(jī)時(shí),LM86還能保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。而Alert這個(gè)輸出信號(hào)便可以做為軟件中斷,以達(dá)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,可以感測(cè)LM86所在的溫度。所以,前面所提到的PC的系統(tǒng)溫度和筆記本電腦的導(dǎo)熱管,便可以使用LM86的本地傳感器來偵測(cè),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(huì)變成慢動(dòng)作播放一般。那最好的方法還是加一顆散熱風(fēng)扇。在這里就有兩個(gè)方式來啟動(dòng)和關(guān)閉風(fēng)扇,第一個(gè)是便宜的做法,用LM26來偵測(cè)溫度(如圖2),等達(dá)到某一個(gè)界限時(shí)便啟動(dòng)風(fēng)扇,若溫度降下來,便自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)扇。第二是采用LM88來設(shè)計(jì)4段變速風(fēng)扇控制器(如圖3),讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉(zhuǎn)速。


      ● PCMCIA-LM88
       LM88本身并不是用來做風(fēng)扇的4段變速控制器,而是能同時(shí)偵測(cè)二個(gè)待測(cè)物。一般筆記本電腦的PCMCIA插槽都有兩個(gè),所以LM88是用來偵測(cè)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(dān)心Windows死機(jī)或藍(lán)螢?zāi)唬˙lue Screen)的問題。


      結(jié)語
      雖然溫度傳感器在PC和筆記本電腦中毫不起眼,沒有工程師會(huì)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)芯片來說,它扮演著重要的保護(hù)角色,就像人們背后的天使總是默默守護(hù)著系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。

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