基于温度传感器的PC散热解决方案

现在PC和笔记本电脑所追求的重点，不外是执行速度愈来愈快，功能愈来愈多。执行速度愈来愈快代表着单一芯片的工作频率愈来愈高，功率损耗也愈来愈大；而功能愈来愈多，意味着许多我们能够想到的功能的芯片，都被厂商放到主机板上面了。
   　　 速度变快和功能变多的结果就是电源功率需求也变得愈来愈高，从最初的100W到现在的250W/350W。换句话说，整个电脑系统也愈来愈热，散热的需求也愈来愈普遍。在构思散热方案的同时，准确地侦测系统或单一芯片的温度也格外地重要。否则，就可能会产生散热系统在低温的时候启动，但在高温的环境中关闭功能，不仅达不到散热的效果，甚至会使系统不正常地损坏。
   　　 那么，究竟在PC中最主要的热量产生的来源有哪些呢？了解热源和为什么会发热以后，我们便可以为它们找到解决方案。
   　　 (1) CPU  
　　 现在无论是Intel的Pentium 3和Pentium 4，还是AMD的K7CPU都已经超过1GHz。这意味着：如果没有良好的散热的解决方案，在短短数秒钟内，将有可能导致系统被烧坏。(详情请参考httP://www6.tomshardware.com/cpu/01q3/010917/index.html)
   　　 (2) 绘图芯片或3D加速芯片  
　　 随着视觉效果的需求，绘图芯片和电脑游戏所依赖的加速芯片功能变得强大、设计很复杂且执行频率也变很高，所以绘图芯片是主机板上产生热量的第二大来源。  
   　　 (3)电源供应器  
　　 自从交换式电源供应器普及后，变压器已经不再是电源部份的主要热量产生来源，而是做大电流切换的Power MOSFET。
   　　 (4)系统内部的热流(机壳内部)  
　　 我们一般人都会想到PC的机壳那么大，内部的温度再高也高不到哪里去。可是常规的半导体元件都只保证可在0~70°C之间工作，若系统内部的散热不良或散热装置工作不佳的话，也会造成系统的不稳定，甚至死机。  
   　　 (5)PCMCIA卡  
　　 由于PCMCIA控制芯片的负担并不大，所以不会发出许多热量，但真正的凶手是PCMCIA卡本身。理论上，包着铁壳的薄卡片是最容易散热的，但是因为PCMCIA卡是完全密合地插入笔记本电脑中，所以没有办法直接散热到外面空气中。
   　　 (6)导热管(Heat Pipe)  
　　 本来导热管的发明就是要将热量从CPU带到电脑外部，但是导热管本身也会耗电，再加上出口地方的风扇没有转动的情形下，导热管就会变成另一号危险来源。由于它横跨的区域很大，所以伤害性相对也更大。
   　　 (7) 其他PC周边设备  
　　 如：光碟机、硬碟机、和喷墨／雷射印表机都是容易发热的装置。减少热量和降低温度的方法
   　　 减少热量和降低温度的方法  
   　　 方法一：减少主机板上的每一个芯片的功耗  
   　　 这可以从两方面着手：第一，从芯片设计上动脑筋，也就是减少逻辑门的总数目(Gate Count)。第二，从半导体制程(Process)上改善。然而，一旦功能确定以后，能够减少的逻辑门数目便很有限；换句话说，再笨的研发团队也不致于设计出比别人大20%以上的芯片。于是，我们只能尽可能往制程上努力。如果，我们可以不断地往次微米(Sub-micro)的制程推进，芯片的工作电压便可以由5V，降到3.3/3V，甚至可低到2.5V或者1.8V，电源功率消耗至少可以减少二倍至三倍以上。
　　 可是，由于改变的是半导体制程，所以研发的时程相对也拉长很多，并且证验费用和初期生产成本都会提高。
   　　 方法二：降低执行频率  
　　 在相同的数位电路中，电源消耗和工作频率是成正比的。所以，频率愈高则消耗的功率也愈高。如果，我们不让芯片有那么快的频率，系统就自然不会产生那么多的热量。这完全不需要额外的成本就可以达到，是省成本的解决方案。但是，使用者会买这个等级的PC就是希望能够执行得够快，若降低频率来执行，不见得会被客户或使用者所接受。
   　　 方法三：利用风扇带走热量  
　　 我们在家里或办公室中，若天气实在太热了，最简单有效的方法就是装一台冷气机；没有钱的话，也可以买一台电风扇来吹走热气。利用这个概念，我们就可以为现在的电脑机种甚至旧电脑解决散热问题，这并不会额外增加多少成本，更重要的是不需要改变整个芯片的设计和制程。
   　　 然而，风扇的马达也是相当耗电的，所以何时打开风扇及关掉风扇便是很重要的设计参数，否则我们是可以吹散热气，却达不到省电的效果。
   　　 解决方案  
　　 虽然Intel极力想从CPU的设计和制程上的改善减少热的问题，但是在没有散热系统的情形下还是会烧毁。可见方法三是现阶段不能被取代的解决方案，然而风扇的开关控制和意外防患更需要温度传感器的协助才能完成。笔者从现在的PC机种所使用的解决方案，选取最具代表性的几个，供读者参考：  
　　 ●CPU-LM86  
　　 一般的温度传感器(无论是热敏电阻或IC型温度传感器)都需要很长的时间才能够将热传导到传感器的核心部份。根据美国国家半导体内部的实验结果，从CPU把热传导到空气中，再从空气传导到温度传感器中，这个过程至少需要20分钟以上的时间。如果，散热片(Heat Sink)没装好或风扇不转，那么不到二分钟，CPU就会和被烧坏。
   　　 所以，CPU厂商将一颗3904埋入芯片中，我们称这颗3904为Remote Diode，因为它离温度传感器本身很远。在短短几个毫秒(mini-second)中，温度传感器便能精确地侦测到CPU内部的温度了。现在的技术要能做到1°C的精确度已经不是很难的事，而且会变成PC和笔记本电脑的一个重要的趋势。
   　　 在LM86(图1)的运用实例中，通常T_CRIT_A的输出信号会被用做过温度保护的功能，我们称之为温度保护。好处是当Windows或某一个应用程式造成系统死机时，LM86还能保护整个系统。而Alert这个输出信号便可以做为软件中断，以达到ACPI规格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的Remote Diode之外，本身内部还有一颗传感器，可以感测LM86所在的温度。所以，前面所提到的PC的系统温度和笔记本电脑的导热管，便可以使用LM86的本地传感器来侦测，不需要再花额外的成本去买另外一颗温度传感器。  
   　　 ●绘图芯片或3D加速芯片-LM26，LM88  
　　 通常绘图芯片也是不能被降频来执行的，否则画面会变成慢动作播放一般。那最好的方法还是加一颗散热风扇。在这里就有两个方式来启动和关闭风扇，第一个是便宜的做法，用LM26来侦测温度(如图2)，等达到某一个界限时便启动风扇，若温度降下来，便自动关闭风扇。第二是采用LM88来设计4段变速风扇控制器(如图3)，让不同温度的状况能够有不同的转速。
   　　 ● PCMCIA-LM88  
　　 LM88本身并不是用来做风扇的4段变速控制器，而是能同时侦测二个待测物。一般笔记本电脑的PCMCIA插槽都有两个，所以LM88是用来侦测PCMCIA的最佳选择。由于LM88不需要用软件来控制，所以我们不用担心Windows死机或蓝萤幕(Blue Screen)的问题。
   　　 结　语  
　　 虽然温度传感器在PC和笔记本电脑中毫不起眼，没有工程师会去注意它的重要性，更不用说使用者能感觉到它的存在。但是，对整个系统芯片来说，它扮演着重要的保护角色，就像人们背后的天使总是默默守护着系统的安全和稳定性。  
   原作者：美国国家半导体亚太区产品应用经理 吴天佑