以低功耗实现最佳散热性能

随着电脑处理性能的不断提高，其功耗也日益提高。在个人电脑（PC）和伺服器系统中，这会带来一些散热问题，而在要求高性能的携带型PC中，其功耗问题会导致复杂的散热和电源管理问题。

设计携带型PC或笔记型电脑的散热系统时，为了有效地利用电池资源，同时确保PC内非散热区能够在作业时保持其工作温度的最大特性，必须考虑一系列的散热问题。在正确的温度限度内作业可延迟平均无故障工作时间（MTBF）。

从物理角度来看，一个重要的指标是散热设计功耗（TDP），这是在最坏应用情况下的处理器功耗目标。透过使用TDP，系统工程师可设计出对处理器进行适当散热的系统。在可携带型设备的例子中，机箱设计、散热片和散热管都由于成本和系统开发等角度再次提出新的设计问题。为了开发出好的散热解决方案，必须将整个系统（包括最坏情况下的处理器功耗）作为一个大的散热片（被动元件）来考虑。如果採用风扇散热，设计工程师必须仔细考虑与元件放置及机箱设计相关的气流和空气动力学的影响，以使风扇的效率最佳。

最新的可携式设备处理器提供三种温度监测机制：
●内部热敏二极管（一种可用于测量晶片温度的PNP电晶体）；
●内部晶片温度测量方案，可自动降低CPU时脉以保持安全温度，也就是PROCHOT（Processor Hot）信号；
●温控断路启动（tripping operation）开关，当晶片温度达到135℃左右时关闭处理器并且发出THERMTRIP（Thermal trip）信号。

携带型和笔记型电脑系统中最热的元件通常是处理器以及绘图与记忆体控制器集线器（Graphics Memory Controller Hub；GMCH），所以保持这些积体电路（IC）的理想温度是散热控制中重要的第一步。透过整合在晶片内特别设计的电晶体直接监测晶片的温度，可允许用一个智慧风扇速度控制器来直接监测晶片的温度。由于可直接监测并且智慧地让处理器的晶片温度散热，所以系统的工作温度可更接近于要求维持的MTBF所需要的温度。

内部热敏二极管
晶片内热敏二极管的温度可以利用一个作业在恆定电流的二极管（或一个电晶体的基射极结电压）的负温度系数来监测。可以利用直接测量下式中的Vbe来获取温度值：
　

(公式一)
　

令人遗憾地，这种方法需要校准以消除Is绝对值的影响，因为Is随不同电晶体而变化。一种更好的方法是当同一电晶体的集电极流过两个不同的电流时测量其Vbe的变化，其结果如下列公式：
　

(公式二)
　

为了测量ΔVbe ，感测器在I和NI两个工作电流之间切换。由此得到的波形通过一个低通滤波器（Low-pass Filter）滤除杂讯，然后经过斩波稳定放大器，它放大并整流波形以产生与ΔVbe成正比的直流（DC）电压。此电压值用类比/数位转换器（ADC）测量，它以二进位形式提供温度输出。如果对16次重復测量结果取平均值，可进一步减小杂讯的影响。
　

(图一)　输入信号调理
　

(图一)显示了输入信号调理电路，使用智慧风扇转速控制器来测量外部电晶体的PNP温度。如果微处理器（MPU）没有内置电晶体，可使用一个集电极连接基极的分立电晶体。为了防止接地噪音干扰测量，该温度感测器的负端被D－输入端的一个内部二极管偏置到高于地电位。如果该感测器在噪音环境中作业，可以加一个典型值为2200pF的电容器C1作为噪音滤波器。使用智能风扇转速控制器允许对风扇有效的智能控制。风扇可根据热负荷减速或者停止运转，进而节省功耗并且降低音频噪音。
　

(图二)　P4内部温度检测电路
　

温度监控器（PROCHOT信号）
第二种温度监控电路独立地内置于处理器的晶片中。由温度决定检测二极管对应某一温度的输出电流将与一个参考电流源相比较。此电流源出厂时经过校准并且被设置成当处理器达到最大允许工作温度时可发出PROCHOT信号。该电流源的设置被锁定，并且不能改变。从理论上说，PROCHOT信号似乎是控制处理器温度的一个好方法，除了当处理器处于停止运作、休眠、深层休眠和更深层休眠低功耗状态（内部时脉停止）时不发出PROCHOT信号以外。当处理器处于休眠模式时，仍然可能消耗正常负载下工作所需要的30％以上的功率。这是由于整合在晶片上的数百万个电晶体的漏电流所造成的。其后果是如果处理器进入休眠模式，它仍有可能过热，引起系统非正常关闭。
THERMTRIP信号
作为由过热所引起的处理器损坏之最后一道防线，Intel提供了一种简单的温控跳闸开关。当处理器晶片温度达到125℃～135℃时，所有的处理器时脉都暂停，并发出THERMTRIP信号。由于漏电流可能仍然高到足以增加晶片的温度，所以Intel规定（见P4 M技术资料）供给处理器的Vcc电源必须在500ms之内关断以避免永久性晶片损坏。THERMTRIP信号将一直保持一直到产生Reset信号被初始化。THERMTRIP信号独立于处理器时脉，所以即使处理器处于停止运作、休眠、深层休眠和更深层休眠的低功耗状态（内部时脉停止）时，也会发出THERMTRIP信号。

因此，不能依赖PROCHOT信号和THERMTRIP信号来管理PC的散热性能，因为它们都可能无法（根据取决于系统的温度状况）可靠地防止处理器过热。当系统不能被动地降低其自身温度时，需要主动地将热量从系统中去除。因此，尽管唯一稳当的方法是同时使用这三种过热保护机制，但使用独立的温度监控器将可能是更好的解决方案。
　

(图三)　採用智能风扇转速控制器构成的典型智能温度控制电路
　

可将晶片内之热敏二极管连接到一个智能风扇控制器以提供智慧型散热控制。智能风扇转速控制器利用晶片内热敏二极管可自动确定处理器何时需要主动散热，进而使用预设置的自动控制环路来接通风扇。与系统适当的散热模式相配合，硬件监视器能够使处理器温度保持在低于最大作业温度之下，以确保不发出PROCHOT信号，并且确保处理器以其最大时脉速率和计算能力运行。这种解决方案有几个优点：一是达到最大处理性能，并且风扇只在必要的时候接通。这种解决方案可能延长所有受影响元件与温度相关的MTBF。另一个优点在于由于风扇仅在必要时接通，会减少系统的音频噪音。
　

(图四)　智能风扇转速控制器的功能框图
　

MTBF
一台使用五年的PC完全可以应付文书处理及网页浏览使用者的一般要求。所以，90年代PC经过改进的五年后，PC的性能并没有很大改进。这个领域的技术可能已经达到稳定水准，除非市场上再出现其他的重大突破性创新。这样的实际结果是最终用户不再像十年前那样不得不随时升级他们的PC，也因此人们使用旧系统的时间更长，使得整体可靠性问题成为关注的焦点。产品的生命周期和可靠性也可能因此成为未来PC产品的重要特性。

当今半导体制造商普遍使用的温度和可靠性模型是基于晶片制造协会（Sematech）可靠性技术咨询委员会（Reliability Technology Advisory Board）白皮书—Intel和AMD于1999年撰写的「基于新半导体技术可靠性评估的使用条件」。这其中规定使用Arrhenius公式来建立温度影响可靠性方式的模型。它还规定半导体元件长期可靠性的衰减与温度的增加成正比，它遵循按照化学反应动力学描述的幂指数公式：
　

(公式三)
　

处理器的故障率〔r(t)〕等于初始故障率（r0）乘以e的负指数常数，这个常数由给定处理过程的活化能（EA）除以波兹曼常数（k）和K氏绝对温度（T）的结果构成。其中EA的值可由具体元件决定，进而利用对元件进行大量採样，加速寿命测试和长期现场故障分析统计，而得到所有元件故障模式的复合活化能。几乎没有半导体制造商会公开其具体元件的复合活化能，因为这个值通常是估计而得出的，并且很可能产生误解。

值得注意的是，一些半导体制造商承诺其处理器的正常工作年限假定为三年，而该处理器正确安装并且在所建议的环境条件下作业，那么，只要处理器在整个寿命期间内都维持在最大作业温度下运作，它便最少可以正常运作三年（在此例中）。如果该处理器运作于较低的温度之下，就统计的角度来说，它应该能正常运作更长的时间。虽然Arrhenius公式可以作为一种估算处理器运作时间的通用准则，但在不知道特定处理器的复合活化能之情况下，想要精确地预测处理器可能的寿命仍然非常困难。

结论
综上所述，可以设置一个监测特殊用途积体电路（ASIC）的独立系统，以便根据温度来动态地控制风扇转速。因此这是使系统维持在最佳的作业温度，同时使风扇噪音最小并且提高MTBF的重要方法。THERMTRIP和PROCHOT CPU功能补充了系统监测ASIC的功能，提供了可靠性更高的散热管理解决方案。（作者为ADI美商亚德诺温度和系统监测部门应用工程师）