高速芯片冷却技术——风扇自动控制的应用概况

风扇冷却技术是目前大功率高速(如CPU、FPGA和GPU)产品和系统散热降温中的重要技术与部件。但令人不满意的是，冷却风扇有时会带来令使人讨厌的音频噪声，尤其是高速旋转时更为突出。如今，可通过测量芯片温度并相应地调节风扇速度，使其在温度较低时可最大限度降低风扇速度和噪声，但在风扇速度降低最大时，会出现引发温度又上升的最坏情况。此时为防止芯片损坏，必然又要提高风扇速度。对这样的矛盾，采用何种速度自动控制技术实现风扇冷却方案是本文讨论的主题。在此，先要说明高速芯片为什么会逐渐变热?这是因为高速芯片运行速度越快就会越热。虽然新一代的高速数字芯片使用了更小尺寸的工艺并允许降低电源电压，这是有利的，但是晶体管数量的增加却比电源电压的降低要快，因此芯片功率损耗仍然很高，其温度随之迅速上升。
 
首要问题的解决

那末什么是首要问题?当芯片温度上升时，性能会受到影响。即，参数会改变、最大工作频率会降低，而且时常要超出规定指标。发生这些情况时，使用户所用的产品或系统不再能正常工作。因此，高速芯片冷却的首要问题，就是在很长的工作时间内和最宽的环境条件范围内能保持良好的性能。在满足参数指标的条件下，高速芯片的最大允许温度取决于工艺和芯片的设计方法以及其他一些因素。而目前芯片典型的最大温度范围是+90℃至+130℃，当工作超过性能指标的临界点时，就会开始恶化，即过高的芯片温度会给芯片造成灾难性的损害。大量芯片温度通常远高于+120℃，它是由工艺、封装和在高温条件下所处时间等因素而定。因此，高速芯片需要被冷却，使其能在无性能恶化或永久性无损坏的温度下长期工作。
 
如何解决

这实际上是风扇冷却自动控制技术与可靠性的分折与设计。如今高速芯片很少使用单一的冷却技术。实际上都是应用多种技术的结合以确保持续的高性能和可靠性。而散热片、热管、风扇和时钟节流是高速芯片量常用的冷却手段。其风扇和时钟节流是最能够帮助解决散热问题，但它们也会引入自身的问题。这是为什么?因为风扇能大幅度地降低高速芯片的温度，但它们也能产生大量的音频噪声。全速运转的冷却风扇所具噪声，即工作场所中时久的噪声效应会令很多使用者厌烦，这是设计技术迫切应解决的问题。那就是要根据温度来调节风扇速度能明显地降低风扇噪声，即当温度低时，风扇可缓慢运转(可非常安静)，当温度上升时，则风扇加速运转，实现速度的高稳定的自动控制。值此，分别就以下几种新型风扇冷却自动控制技术作介绍。 关于时钟节流技术 时钟节流的就是降低时钟速度来减少功耗，即通过降低系统性能发挥出冷却功能。当时钟节流时，系统仍继续工作，但是在系统运行速度被降低。很明显，在高性能系统中，这种时钟节流技术只有在特别状态下，即芯片温度升高将造成工作不正常或将停止工作时才会被应用。

高速芯片的温度测量

基于用温度来控制风扇速度或时钟节流技术均首先要测量高速芯片的温度，其测量方法这可通过放置一个温度传感器来实现。而温度传感器的放置可以是在芯片表面或靠近芯片相邻或靠芯片下面的电路板处，而在散热片上放置温度传感器是通常有效正确的办法。这种方式测量出的温度与高速芯片的温度相对应，但常常会偏低(有时误差达30℃)，并且测量温度和芯片温度之间的差异会随着功耗的增加而增大。因此，造成了电路板或散热片的温度与高速芯片的温度之间相差一个较大的温度梯度关系。 温度测量精度的提高 测量精度提高的解决方案是，有许多如CPU、图像芯片、FPGA等高速芯片及其它高速IC芯片，芯内均包含一个热二极管“感温结”，并位于芯片上，见图1左面所示的。而在MAX1669内置的远程结温传感器可直接与热二极管“感温结”相连(见图1所示)。这样就能够直接测出高速芯片的温度，其精确度很高。这不仅避免了在IC封装外测量温度时所遇到的较大数值温度梯度问题(或称非线性)，而且还消除了从几秒到几分钟的热时间常数问题，提高了对于芯片温度变化的响应速度。 其图1所示为采用MAXl669实现风扇线控制的典型电路。MAXl669是风扇控制技术的最新进展，即将完整的数字接口(数模转换器)DAC和风扇驱动电路(除功率晶体管外)整合到单片IC中，代表了目前最为常用的风扇控制方案。其中，MAXl669的独道之处在于它内置了一个远端结温传感器，通过引脚DXP(+)与DXN(-)可直接连接到高速芯片的热二极管“感温结”上(热二极管“感温结”可以是2N3906双极型晶体管，例用2N390作为传感器)，该MAXl669引脚FAN可将DAC输出或PWM的线性输出传送到风扇的功率驱动管IRF7201上。图1 MAXl669尤其适合于那些因成本或技术问题的无法配备转速计的风扇。 图1 MAXl669的DXP与DX引脚为远距离传感器正负端;ALERT为报警口，OVERT为过热口;SMBCLK为时钟口，SMBDATA为数据口。 风扇控制在设计上有几个关键选择。

调节风扇速度

而调节无刷直流风扇的速度是常用的方法，即通过调整风扇的电源电压来实现。其法可从电源电压最低值到额定电压的40%时均能很好地工作。但其缺点是，如果使用线性调节器件来改变电源电压，则效率很低。而使用开关电源可以获得更好的效率，但会增加成本和元件数量。 而改进型的风扇速度控制是采用PWM(脉宽调制)风扇控制芯片技术。该芯片产生—个低频PWM信号驱动风扇，其低频一般在30Hz范围内，通过PWM信号占空比的改变来调整电压大小从而调节风扇速度。因为只用单个小开关管实现开/关控制，所以这种方案所以效率很高并且成本低廉。但该方法的不足之处就是风扇会多少有些噪声，这是由于电源的脉冲方式引起的。因PWM波形的快速上升下降边沿会引起风扇的机械结构移动(与设计很差的杨声器相似)，故产生了听得见的噪声。 用“转速计”信号实现控制。 众所周知，风扇的电源除了电源和地外。许多风扇都有第三根线。用该线向风扇控制电路提供“转速计”信号，当风扇每旋转一圈时，转速计便输出其所产生的特定数量脉冲-两个脉冲。而风扇转速计是应用风扇内装有的霍尔元件具有对转速能计数之功能所构成的电路。 一些风扇控制电路将这种风扇转速计输出的信号作为反馈FB(见图2所示右虚线框图)，调节风扇电压或PWM占空比以获得期望的RPM(每分钟转数)。当然更简单的方法是忽略任何转速计信号，只对风扇加速或减速的驱动进行调节。虽则该方案的速度控制精度较低，却省了一个反馈环，简化了控制系统使成本更低。图2为MAX6650风扇速度控制器与带有转速信输出的风扇一起构成了一个反馈控制电路。而MAX6650是闭环风扇控制电路，能接受来自风扇转速计输出的反馈信号FB，这样能够直接设定风扇速度，无须担心启动和低速运行的可靠性问题。

斜率与起始温度因素的考虑

通常情况下，风扇在特定的温度门限以下关闭，当超过门限后开始低速旋转(例如全速度的40%)。当温度上升时，风扇驱动信号随温度线性增长，直至100%的驱动。其最佳斜率依赖于系统要求，而更大的斜率在一定程度上可获得更稳定的芯片温度，但当功耗随时间变化时，风扇速度的变化量更大。如果风扇控制设计的目标是高性能，则应该选择起始温度和斜率，以使风扇在芯片温度高到足以启动时钟节流技术之前达到全速运转。 风扇控制电路的应用发展 风扇控制电路可以多种方式实现。具有多达5个测量通道的多种远端温度传感器可直接检测高速芯片的温度，并将温度数据传送给微处理器。具有多个风扇转速计监视通道的风扇速度调节器，就可对风扇RPM(每分钟转数)或电源电压提供可靠的控制，并可接受来自于外部微控制器的命令。为了降低成本和简化设计，单片封装内并包含了温度测量和自动风扇控制的IC已有市售。传感器/控制器一般也包含了过温检测，可用于时钟节流或系统关断。因而可避免高速芯片因过热而灾难性损毁。

为此，再列举两个这种风扇控制电路的应用例子，一个是直流驱动(如图3MAX6660所示)，另一个是PWM(脉宽调制)驱动(如图4所示)。在图3中用高速芯片远程检测温度功能实现了根据温度对风扇速度的控制。该MAX6660风扇控制电路通过一个内部功率晶体管产生直流电源电压通过引脚FAN来驱动风扇。图4中的MAX6663具有类似功能，但通过一个外部场效应晶体管MOSFET(VP1)以PWM波形来驱动风扇。两者都具备完整的热故障监测和过热输出，如果高速芯片太热可用来关断系统。