基于智能系統(tǒng)監(jiān)控設備的風扇速度控制技術

ADI公司提供一整套用于臺式機和筆記本電腦以及服務器的硬件監(jiān)控產(chǎn)品。智能系統(tǒng)監(jiān)控設備可實現(xiàn)復雜的風扇速度控制技術，以提供足夠的冷卻并在系統(tǒng)中保持最佳的熱性能。在過去的一年中，一系列產(chǎn)品，包括ADM1029雙PWM風扇控制器和溫度監(jiān)控器，ADM1026和ADM1030 / 31完整，符合ACPI標準，雙通道±1°C遠程熱量監(jiān)控器，帶有集成風扇控制器，用于一個已經(jīng)開發(fā)出兩個獨立的粉絲。它們基于ADM102x PC系統(tǒng)監(jiān)視器產(chǎn)品系列中使用的核心技術。這些新產(chǎn)品基于系統(tǒng)內(nèi)測量的溫度提供風扇速度控制，提供更完整的熱管理解決方案。我們在此討論這種復雜控制水平的必要性以及提供它的固有問題。

背景

隨著新千年的到來，處理器正在實現(xiàn)1 GHz甚至更高的速度。它們在速度和系統(tǒng)性能方面的顯著改進伴隨著在使用它們的機器內(nèi)產(chǎn)生越來越多的熱量。安全地消散這種熱量的需求，以及計算行業(yè)中開發(fā)“綠色PC”和用戶友好型機器（隨著互聯(lián)網(wǎng)設備成為主流）的需求推動了對更復雜的冷卻和熱管理技術的需求和發(fā)展。市場上的任何最新概念PC或超薄筆記本電腦都可以看到，PC的尺寸和形狀也變得越來越小，越來越不常見。諸如“移動電源指南'99”（參考文獻1）之類的剛性功耗規(guī)范規(guī)定了可以通過筆記本電腦的鍵盤安全散熱多少而不會引起用戶不適。任何多余的熱量必須通過其他方式從系統(tǒng)中引出，例如沿著熱管和散熱板的對流，或者使用風扇將空氣移動通過系統(tǒng)。顯然，所需要的是一種可以普遍采用的智能，有效的熱管理方法。各種行業(yè)團體已經(jīng)聚集在一起解決這些問題和其他問題，并為筆記本電腦開發(fā)了ACPI（高級配置和電源接口）標準，為服務器<開發(fā)了IPMI（智能平臺管理界面） / em>的管理。

行業(yè)標準

新的熱管理/速度控制產(chǎn)品的開發(fā)受到 ACPI 和 IPMI 標準的推動。 高級配置和電源接口 -ACPI由英特爾，微軟和東芝定義，主要用于定義和實現(xiàn)筆記本電腦中的電源管理。

電源管理被定義為“硬件和軟件中的機制，以最小化系統(tǒng)功耗，管理系統(tǒng)熱限制，并最大化系統(tǒng)電池壽命。電源管理涉及系統(tǒng)速度，噪聲，電池壽命，處理速度和交流電源消耗之間的權衡?！?/ p>

首先考慮一個筆記本電腦用戶，他在飛越大洋或大陸時輸入旅行報告。哪個特性更重要，CPU性能最高或電池壽命延長？在這樣一個簡單的文字處理器應用程序中，用戶的擊鍵時間在CPU時鐘周期中幾乎是永恒的，因此最大的CPU性能遠不及連續(xù)的電源可用性。因此，可以通過延長電池壽命來消除CPU性能。另一方面，考慮想要在數(shù)字多功能光盤（DVD）上以全動態(tài)，全屏，令人頭腦麻木的聲音和亮度觀看最新詹姆斯邦德電影的用戶。至關重要的是，系統(tǒng)在一定的性能水平下運行，以便足夠快地解碼軟件，而不會丟失圖像或音頻幀。在這種情況下，CPU性能不會受到影響。因此，熱量產(chǎn)生將處于最高水平，并且注意熱管理對于在不損害可靠性的情況下獲得最佳性能將是至關重要的。輸入ACPI。

ACPI是什么？ ACPI是一種描述組件之間的接口及其行為方式的規(guī)范。它不是純粹的軟件或硬件規(guī)范，因為它描述了BIOS軟件，OS軟件和系統(tǒng)硬件應該如何交互。

ACPI規(guī)范概述了兩種不同的系統(tǒng)冷卻方法：被動冷卻和主動冷卻。被動冷卻依賴于操作系統(tǒng)（OS）和/或基本輸入/輸出系統(tǒng)（BIOS）軟件來降低CPU功耗，以減少機器的散熱。怎么能實現(xiàn)這一目標？如果在指定時間后未檢測到擊鍵或其他用戶交互，則通過進入掛起模式等智能決策?；蛘?，如果系統(tǒng)正在進行一些密集的計算，例如3D處理，并且正在變得危險，那么BIOS可能決定限制（減慢）CPU時鐘。這會降低機器的熱輸出，但會降低整體系統(tǒng)性能。這種被動式型冷卻有什么好處？它的獨特優(yōu)勢在于系統(tǒng)功率要求無聲降低（不需要風扇運行）以降低系統(tǒng)溫度，但確實會限制性能。

那么，主動冷卻呢？在主動冷卻系統(tǒng)中，OS或BIOS軟件采取直接操作，例如打開CPU安裝的風扇，以冷卻處理器。它的優(yōu)點是CPU的金屬塊或散熱器上的氣流增加，可以相對快速地將熱量從CPU中抽出。在被動冷卻系統(tǒng)中，單獨的CPU節(jié)流將阻止CPU的進一步加熱，但散熱器對“靜止空氣”的熱阻可能非常大，這意味著散熱器會非常緩慢地將熱量散發(fā)到空氣中，從而延遲返回全速處理。因此，采用主動冷卻的系統(tǒng)可以結(jié)合最大的CPU性能和更快的散熱。但是，風扇的運行會將聲學噪聲引入系統(tǒng)環(huán)境并消耗更多功率。哪種冷卻技術更好？實際上，這取決于應用;多功能機器將使用這兩種技術來處理不同的情況。 ACPI根據(jù)兩種不同模式概述了冷卻技術：性能模式和靜默模式。這兩種模式在圖1和圖2中進行了比較。

圖1和圖2是溫標的示例，說明了性能，風扇噪聲和功耗/耗散之間的各自權衡。為了使系統(tǒng)管理設備符合ACPI標準，它應該能夠以5°C間隔或SCI（系統(tǒng)控制中斷）事件發(fā)出限制交叉信號，這是一個新的超出溫度增量已發(fā)生。這些事件提供了一種機制，通過該機制，操作系統(tǒng)可以跟蹤系統(tǒng)溫度，并就是否限制CPU時鐘，增加/減少冷卻風扇的速度或采取更激烈的操作做出明智的決定。一旦溫度超過_CRT（臨界溫度）策略設置，系統(tǒng)將作為故障安全關閉以保護CPU。圖1和圖2中顯示的另外兩個策略設置是_PSV（被動冷卻或CPU時鐘節(jié)流）和_ACx。 （主動冷卻，當風扇打開時）。

在圖1（性能模式）中，冷卻風扇在50°C時開啟。如果溫度繼續(xù)升高超過60°C，則啟動時鐘節(jié)流。此行為將最大化系統(tǒng)性能，因為系統(tǒng)僅在較高溫度下減速。在圖2（靜音模式）中，CPU時鐘首先在45攝氏度時節(jié)流。如果溫度繼續(xù)上升，可以在60攝氏度時打開冷卻風扇。這種降低性能的模式也會增加電池壽命，因為節(jié)流時鐘可以降低功耗。

圖3顯示了溫度測量頻帶的極限如何跟蹤溫度測量。每個限制交叉產(chǎn)生一個中斷。

智能平臺管理接口（IPMI）規(guī)范（參考文獻2）為服務器帶來了類似的熱管理功能。 IPMI旨在通過監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵“心跳”參數(shù)來降低服務器的總體擁有成本（TCO）：溫度，電壓，風扇速度和PSU（電源單元） 。 IPMI的另一個動機是服務器之間需要互操作性，以促進基板和機箱之間的通信。 IPMI基于使用5伏I 2 C總線，消息以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。有關IPMI的更多信息，請訪問英特爾網(wǎng)站http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/.

ADI公司溫度和系統(tǒng)監(jiān)控（TSM）的所有成員系列符合ACPI和IPMI。

溫度監(jiān)控

PC內(nèi)智能風扇速度控制的先決條件是能夠準確測量系統(tǒng)和處理器溫度。所使用的溫度監(jiān)測技術已成為許多文章的主題（例如，參見 Analog Dialogue 33-4。），這里僅簡要介紹。所有ADI公司的系統(tǒng)監(jiān)控設備都使用稱為熱二極管監(jiān)控（TDM）的溫度監(jiān)控技術。該技術利用以下事實：在恒定電流下操作的二極管連接的晶體管的正向電壓表現(xiàn)出約-2mV /℃的負溫度系數(shù)。由于VBE的絕對值因設備而異，因此該特征本身不適用于大規(guī)模生產(chǎn)的設備，因為每個設備都需要單獨校準。在TDM技術中，兩個不同的電流連續(xù)通過晶體管，并測量電壓變化。溫度與VBE的差異有關：

ΔV BE = kT / q×ln（N）

其中：

k = Boltzmann常數(shù)

q =電子電荷幅度

T =開爾文的絕對溫度

N =兩個電流的比率

在任何CPU中，最相關的溫度是模具上的“熱點”溫度。系統(tǒng)中的所有其他溫度（包括散熱器溫度）將滯后于此溫度的升高。出于這個原因，幾乎每個CPU（自早期的英特爾奔騰II處理器以來制造）都在其芯片上包含一個位于戰(zhàn)略位置的晶體管，用于熱監(jiān)控。它給出了真實的，基本上瞬時的模具溫度曲線。圖5顯示了系統(tǒng)中反復進入和從掛起模式喚醒的溫度曲線。它比較了連接到CPU散熱器的熱敏電阻和基板熱敏二極管測得的溫度。在實際模具溫度來回變化約13度的短暫間隔內(nèi)，散熱器熱敏電阻無法檢測到任何變化。

風扇控制溫度

通過建立精確的溫度監(jiān)控方法，可以實現(xiàn)有效的風扇控制！一般而言，該技術是使用TDM來測量溫度，感應晶體管要么集成在芯片上，要么盡可能地放置在盡可能靠近熱點的位置，并將風扇速度設置在能夠確保足夠熱傳輸?shù)乃健Ｔ谀莻€溫度。控制回路的各種操作參數(shù)將是可編程的，例如最小速度，風扇啟動溫度，速度與溫度斜率以及開啟/關閉滯后。所描述的速度控制方法將包括開關，連續(xù)（“線性”）和脈沖寬度調(diào)制（PWM）。

風扇控制方法：歷史上，范圍PC風扇速度控制的方法是從簡單的開關控制到閉環(huán)溫度到風扇的速度控制。

兩步控制：這是PC中采用的最早的風扇速度控制形式。 BIOS將測量系統(tǒng)溫度（最初使用靠近CPU的熱敏電阻）并決定是否完全打開或關閉冷卻風扇。之后，PC使用更精確的基于TDM的溫度監(jiān)控器來實現(xiàn)相同的兩步風扇控制。

三步控制： BIOS或操作系統(tǒng)再次測量溫度使用熱敏電阻或熱敏二極管，并根據(jù)軟件設置決定是將風扇完全打開，完全關閉，還是將其設置為半速運行。

線性風扇速度控制：這種更新的風扇速度控制方法也稱為電壓控制。 BIOS或OS從TDM測量電路讀取溫度并將一個字節(jié)寫回到片上DAC，以設置輸出電壓以控制風扇的速度。這種類型的IC風扇控制器的一個例子是ADM1022，它具有一個8位DAC片內(nèi)，輸出電壓范圍為0 V至2.5 V.它與外部緩沖放大器配合使用，具有適合所選擇的設計額定值風扇。 ADM1022還包含默認的自動硬件跳變點，如果其TDM電路檢測到過熱情況，則會導致風扇全速驅(qū)動。這些類型設備的首次亮相標志著自動風扇速度控制的出現(xiàn)，其中一些決策從OS軟件轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)監(jiān)控硬件。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）風扇速度控制：在ADI的系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品系列中，這些PWM類型是最新的風扇控制產(chǎn)品。 BIOS或OS可以從TDM設備讀取溫度，并通過調(diào)整施加于其上的PWM占空比來控制冷卻風扇的速度。

值得注意的是，所有上述風扇速度控制方法依靠CPU或主機干預，通過2線系統(tǒng)管理總線從TDM設備讀取溫度。然后，由CPU執(zhí)行的熱管理軟件必須決定風扇速度應該是多少，并將值寫回系統(tǒng)監(jiān)視器IC上的寄存器以設置適當?shù)娘L扇速度。

顯然是下一步風扇速度控制的發(fā)展是實現(xiàn)自動風扇速度 控制回路，它可以獨立于軟件運行，并在給定芯片溫度下以最佳速度運行風扇。這種閉環(huán)速度控制有很多好處。

系統(tǒng)監(jiān)控設備初始化后（通過加載帶有所需參數(shù)的限制寄存器），控制回路完全獨立于軟件，IC可以在沒有主機干預的情況下對溫度變化作出反應。當發(fā)生災難性系統(tǒng)故障時系統(tǒng)無法恢復時，此功能尤其適用。如果PC崩潰，操作系統(tǒng)中的電源管理軟件將不再執(zhí)行，從而導致熱管理丟失！如果PC無法讀取被測溫度（因為PC已經(jīng)崩潰），那么就不能指望設置正確的風扇速度來提供所需的冷卻水平。

關閉的另一個實際好處 - 循環(huán)實施是它將以任何給定溫度的最佳速度操作風扇。這意味著降低了聲學噪聲和功耗。以全速運行風扇可最大限度地提高功耗和噪音。如果可以通過回路優(yōu)化有效地管理風扇速度，則只能在給定溫度下盡可能快地運行，功率消耗和可聽到的風扇噪聲都會降低。這是電池供電的筆記本電腦應用中的絕對關鍵要求，其中每毫安電流（或毫安秒充電）是一種寶貴的商品。

自動風扇速度控制循環(huán)

以下是如何實現(xiàn)自動風扇速度控制回路，它將使用TDM技術測量溫度，并根據(jù)溫度適當設置風扇速度?？删幊虆?shù)允許更完整地控制回路。要編程的第一個寄存器值是T MIN 。這是風扇首次打開的溫度（對應于ACx），以及風扇速度控制將在何處開始。將速度暫時設置為最大值以使風扇運轉(zhuǎn)，然后返回到最小速度設置（參見圖6）。允許控制溫度 - 風扇速度函數(shù)斜率的參數(shù)是從T MAX 到T MIN 或T RANGE 。 T MIN 和T RANGE 的編程值定義風扇達到最大速度的溫度，即T MAX = T MIN + T RANGE ?？蛇x擇編程溫度范圍：5℃，10℃，20℃，40℃和80℃。為了避免在T MIN 附近快速循環(huán)開啟和關閉，滯后用于建立低于T MIN 的溫度，在此溫度下風扇關閉?？删幊痰交芈分械臏罅繛?°C至15°C。該風扇控制回路可以通過SMBus上的OS軟件進行監(jiān)控，PC可以隨時決定覆蓋控制回路。

PWM與線性風扇速度控制

有人可能會問，如果廣泛使用線性風扇速度控制，為什么需要進行脈沖寬度調(diào)制。

考慮使用線性風扇速度控制驅(qū)動12 V風扇。當施加到風扇的電壓從0 V緩慢增加到大約8 V時，風扇將開始旋轉(zhuǎn)。隨著風扇電壓的進一步增加，風扇速度將增加，直到以12 V驅(qū)動時以最大速度運行。因此，12 V風扇的有效工作窗口在8 V和12 V之間;只有4 V的范圍可用于速度控制。

使用筆記本電腦的5 V風扇情況會變得更糟。在施加的電壓約為4 V之前風扇才會啟動。在4 V以上，風扇將傾向于全速旋轉(zhuǎn)，因此在4到5伏之間幾乎沒有可用的速度控制。因此，線性風扇速度控制不適合控制大多數(shù)類型的5V風扇。

對于脈沖寬度調(diào)制（PWM），最大電壓用于受控間隔（方波的占空比，通常為30至100 Hz）。當這個占空比或高時間與低時間的比率發(fā)生變化時，風扇的速度會發(fā)生變化。

在這些頻率下，從風扇接收到干凈的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速計）脈沖，允許可靠的風扇速度測量。隨著驅(qū)動頻率變高，存在用于精確測量的轉(zhuǎn)速脈沖不足，然后是聲學噪聲以及最終電氣尖峰破壞轉(zhuǎn)速信號的問題。因此，大多數(shù)PWM應用使用低頻激勵來驅(qū)動風扇。外部PWM驅(qū)動電路非常簡單?？梢酝ㄟ^單個外部晶體管或MOSFET來驅(qū)動風扇來實現(xiàn)（圖7）。線性風扇速度控制等效，由模擬速度電壓驅(qū)動，需要運算放大器，傳輸晶體管和一對電阻來設置運算放大器增益。

如何測量風扇速度？ 3線風扇具有轉(zhuǎn)速輸出，通常每轉(zhuǎn)輸出1,2或4個轉(zhuǎn)速脈沖，具體取決于風扇型號。然后將該數(shù)字轉(zhuǎn)速信號直接應用于系統(tǒng)監(jiān)控設備上的轉(zhuǎn)速輸入。轉(zhuǎn)速脈沖不計算，因為風扇運行相對較慢，并且需要相當長的時間來累積大量轉(zhuǎn)速脈沖以進行可靠的風扇速度測量。相反，轉(zhuǎn)速脈沖用于將以22.5 kHz運行的片上振蕩器連接到計數(shù)器（見圖8）。實際上，正在測量轉(zhuǎn)速時段以確定風扇速度。轉(zhuǎn)速值寄存器中的高計數(shù)表示風扇以低速運行（反之亦然）。限制寄存器用于檢測粘滯或停滯的風扇。

風扇速度控制還有哪些其他問題？

使用PWM控制風扇時，可靠連續(xù)風扇運行的最小占空比約為33％。但是，風扇不會以33％的占空比啟動，因為沒有足夠的功率來克服其慣性。如圖6的討論中所述，該問題的解決方案是在啟動時將風扇旋轉(zhuǎn)2秒。如果風扇需要以最低速度運行，則風扇旋轉(zhuǎn)后PWM占空比可降低至33％，并通過滯后保護其免于停止。

風扇失速和放大器;風扇故障

然而，可能會出現(xiàn)風扇在系統(tǒng)中使用時可能會在某個時間停轉(zhuǎn)的可能性。原因可能包括風扇運轉(zhuǎn)太慢，或灰塵積聚，防止其旋轉(zhuǎn)。因此，ADI公司的系統(tǒng)監(jiān)視器具有基于風扇轉(zhuǎn)速輸出的片上機制，以檢測并重啟停止的風扇。如果沒有接收到轉(zhuǎn)速脈沖，則轉(zhuǎn)速值寄存器中的值將超過轉(zhuǎn)速限制寄存器中的限值，并將設置錯誤標志。這將導致控制器嘗試通過將其旋轉(zhuǎn)2秒來嘗試重新啟動風扇。如果風扇繼續(xù)發(fā)生故障，最多5次嘗試重啟，則確認存在災難性風扇故障，并且FAN_FAULT引腳將斷言以警告系統(tǒng)風扇發(fā)生故障。在雙風扇雙控制器系統(tǒng)中，第二個風扇可以旋轉(zhuǎn)到全速，以試圖補償由于第一個風扇故障導致的氣流損失。