高速芯片冷却风扇智能控制技术

2013-07-05武时龙

滁州学院学报 2013年2期

武时龙

高速芯片作为现代智能仪器仪表系统的主要元件，其功率一般较大，而且随着微加工工艺技术的应用，晶体管数量却不断增加，使得电路密集程度加大，功率水平上升。这导致芯片在工作时通常会逐渐升温，影响仪器的工作性能，比如参数改变，最大工作频率减小等［1］。为了避免这些状况出现，我们需要寻找适当的冷却技术以控制芯片的温度。风扇作为一种普遍的降温选择，它能够有效地降低芯片温度，但全速运转的风扇存在不可忽视的噪声污染，有必要对风扇进行控制，在芯片温度不高的情况下降低转速，降低噪音。

1 高速芯片常用冷却技术

为确保高速芯片的性能和可靠性，需要结合多种冷却技术来避免芯片温度过高。常用的冷却方法有散热片、热管、风扇和时钟节流。散热片和热管是由导热性能极好的合金材料制成片状或管状，通过紧贴高速芯片通过扩大芯片暴露在空气中的体积，来达到散发芯片热量的方法。散热片或热管单独使用时一般用于功率不大的芯片，比如微机显示卡上的主要功率元件。功率较大的芯片通常不会不单独使用散热片或热管，需要结合其他冷却方式。

时钟节流是通过降低高速芯片的时钟频率来减少功耗，但是以牺牲芯片数据处理速度为代价。当时钟被节流时，系统继续工作，显然在高性能系统中，只有在芯片温度达到将要停止工作并且其它冷却方式已无效时，才能实行节流。时钟节流一般配合其他冷却方式，作为保护芯片的最后一道措施。

冷却风扇能够大幅度的降低高速芯片的温度，有效控制芯片温度上升，但也产生大量的音频噪音。目前冷却风扇的使用都是全速运转，它所引起工作场所的噪声效应对人员的影响，已成为社会和政府机构日益关心的问题。

2 冷却风扇智能控制技术

冷却风扇智能控制技术的原理是根据温度的需要来调节风扇速度，当温度过高时提高风扇转速，反之则降低转速以节能和降低噪音。另外，在温度达到临界点时可以用时钟节流来保护芯片，避免灾难性损坏。这种方法能明显地降低风扇噪声。

2.1 温度监测

采用冷却风扇智能控制技术对芯片进行降温必须首先做到对高速芯片温度的精确监测［1］。芯片典型的最大温度范围是＋90℃至＋130℃，可选择的传统的温度检测传感器有热电偶、RTD（电阻式测温计）、热敏电阻等。可以将温度传感器贴在芯片上，或靠近芯片，或放在其散热片上来实现。后两种方式测量出的温度与高速芯片的温度相对应，但明显偏低，并且功耗越高，测量误差会越大。新型数字式温度传感器集成电路（IC）通过预设相关系数能够有效解决这一问题。该集成电路在半导体硅片上集成了温度传感器和放大器，能够以数字信号输出［2］。

2.2 风扇智能控制中需要解决的主要问题

在尽量减少音频噪声污染的前提下，进行风扇智能控制必须解决以下问题：

调速。风扇的速度由风扇获得的电压决定。PWM脉宽调制被广泛用于调节电压信号有效值，从而达到调节风扇速度的目的。由于采用30Hz左右的低频信号，所以该方法对电路元件的性能要求不高，能够有效节省成本。但电压信号的突变会导致风扇的机械结构移动，从而造成少量的噪音。

速度反馈。许多风扇带有编码器，可以测量风扇的转速。一种方法是将编码器的速度信号反馈给风扇控制电路，以实现闭环的速度控制。但这种控制方法比较复杂，本文提出采用开环控制，省略编码器的转速信号，这样，在保证实现系统设计目标的同时最大程度的简化了控制系统的设计［3］。

速度的容差。上文提到了PWM脉宽调制电压会给风扇带来噪声。实际上，风扇的驱动信号变化越快，风扇的机械结构移动越频繁，噪声也就越大。为了最大程度的实现静音效果，我们可以设定一个阈值，当风扇的转速和期望值之间的差异小于这个阈值时，缓慢改变驱动信号。

3 风扇智能控制电路实现

3.1 PWM驱动风扇

控制电路通常可以由以下几种方式实现：

1.采用远端温度传感器，将实时的芯片温度数据传给微处理器。

2.采用风扇速度调节器，可以较精确的测量风扇转速，把速度返回给微处理器。

3.采用片上封装的数字温度传感器，可以实现过热保护，及时切断系统电源。

进行风扇控制主要是解决风扇驱动问题，可以采用PWM驱动方式［4］，如图1所示。该电路具有过热检测功能，在芯片过热时可以切断系统电源。由于传感器以数字信号输出，所以需要一个DAC以转换成单片机能接受的模拟信号。而且PWM方案的使用需要倍加小心。风扇控制技术的最新进展将完整的数字接口和风扇驱动电路（除功率晶体管外）整合到单片IC中。

图1 基于反馈的PWM驱动风扇电路

3.2 风扇供电方案

PWM输出的风扇速度控制器，使风扇速度随着温度变化而改变。控制原理是通过对电源周期性的通断，来调整电压的有效值，从而改变风扇的速度。为避免风扇周期性供电对风扇调制产生的噪音，需要用固定电源为风扇供电，如图2所示。该电路能将低压PWM信号转换成放大、缓冲后的线性输出。

图2 风扇供电电路

在图2中，一对互补BJT管（Q1）和PMOSFET（Q2）构成线性放大器。

虚线框Q1中的PNP管作为射极跟随器，NPN管则作为放大单元使用。放大器的同相和反相输入端分别接到PNP的基极和NPN的发射极。由于两管的电压基本相同，可以认为反相输入端的电流等于集电极的电流。该电流流过电阻R2，产生压降。Q2由于得到了VGS正电压，被驱动，作为放大器的输出。当输出电压使得NPN的发射极电流为零时，放大器达到稳定点。放大器的增益设置应该以占空比100%时满幅输出12V为准。本文选用ZXM61P02作为Q2处的MOSFET管。其806mW的最大功率耗散值，可以满足对一般风扇的驱动要求。

3.3 非线性现象

风扇控制中一个有很大的问题需要解决，即相对于输入电压的变化风扇所表现的非线性问题［5］。如图3所示风扇速度随施加电压的典型变化曲线，普通风扇甚至在驱动电压达到3V至8V之前都不会转动，而且因风扇而异。甚至同一种风扇，每个风扇的具体电压也会有所差异，并随着温度和老化而改变。当采用只带有简单的风扇驱动放大器或PWM输出的控制器件时，风扇在设定为低速运行之前，必须短暂的让其全速转动。要预先确定可以使用的最低转速是很难实现的，而且它还会在很宽范围内变动。经过长时间的实验，可以找出适合于每个风扇的最小值。不考虑风扇速度设定的问题，这样一个开环系统是不可能对风扇速度进行控制的。