Devices提供了一套全面的硬件监控产品，用于台式机和笔记本电脑以及服务器。智能系统监控设备使复杂的风扇速度控制技术成为可能，以提供足够的冷却并保持系统的最佳热性能。在过去的一年中，已经开发了一系列产品，包括ADM1029双PWM风扇控制器和温度监视器，ADM1026和ADM1030/31 Complete, acpi兼容，双通道±1°C远程温度监视器，集成风扇控制器，用于一个或两个独立的风扇。它们基于ADM102x PC系统监视器产品组合中使用的核心技术(另见对话33-1和33-4)。这些新产品提供基于系统内测量温度的风扇转速控制，提供更完整的热管理解决方案。我们在这里讨论对这种级别的复杂控制的需求以及提供它所固有的问题。

背景

随着新千年的到来，处理器的速度达到1ghz甚至更高。它们在速度和系统性能方面令人印象深刻的进步，伴随着在使用它们的机器中产生越来越多的热量。安全散热的需求，以及计算机行业开发“绿色个人电脑”和用户友好型机器(随着互联网设备成为主流)的举措，推动了对更复杂的冷却和热管理技术的需求和发展。

个人电脑在尺寸和形状上也开始变得越来越小，越来越不传统，这在市场上任何最新的概念个人电脑或超薄笔记本电脑上都可以看到。严格的功耗规范，如“移动电源指南99”(参考文献1)规定了通过笔记本电脑键盘可以安全地散发多少热量而不会引起用户不适。任何多余的热量都必须通过其他方式从系统中排出，例如沿着热管和散热板进行对流，或者使用风扇使空气通过系统。显然，我们需要的是一种智能的、有效的、可以普遍采用的热管理方法。各种行业组织聚集在一起解决这些问题和其他问题，并制定了诸如笔记本电脑的ACPI(高级配置和电源接口)和服务器管理的IPMI(智能平台管理接口)等标准。

行业标准

新的热管理/速度控制产品的开发是由ACPI和IPMI标准推动的。高级配置和电源接口-ACPI是由英特尔，微软和东芝定义的，主要用于定义和实现笔记本电脑的电源管理。

电源管理它被定义为“硬件和软件中最小化系统功耗、管理系统热限制和最大化系统电池寿命的机制”。电源管理涉及系统速度、噪音、电池寿命、处理速度和交流功耗之间的权衡。”

首先考虑一个笔记本电脑用户，他在飞越海洋或大陆时输入旅行报告。哪个特性更重要，最大的CPU性能还是更长的电池寿命?在这样一个简单的文字处理器应用程序中，用户按键之间的时间在CPU时钟周期中几乎是永恒的，因此最大的CPU性能远不如持续可用的电源那么重要。因此，CPU性能可以与延长的电池寿命相权衡。另一方面，考虑到想要在数字多功能磁盘(DVD)上观看全动态、全屏、声音和亮度令人麻木的最新詹姆斯邦德电影的用户。至关重要的是，系统运行在一个水平的性能解码软件足够快，而不丢失图像或音频帧。在这种情况下，CPU性能不会受到影响。因此，热产生将处于最高水平，并且对热管理的关注对于在不损害可靠性的情况下获得最佳性能至关重要。输入ACPI。

那么ACPI是什么呢?ACPI是描述组件之间的接口及其行为的规范。它不是一个纯粹的软件或硬件规范，因为它描述了BIOS软件、操作系统软件和系统硬件应该如何交互。

ACPI规范概述了两种不同的系统冷却方法:被动冷却和主动冷却。被动冷却依靠操作系统(OS)和/或基本输入/输出系统(BIOS)软件来降低CPU功耗，以减少机器的散热。如何才能做到这一点?通过做出智能决策，例如在指定时间后未检测到击键或其他用户交互时进入暂停模式。或者，如果系统正在进行一些密集的计算，例如3D处理，并且变得非常热，BIOS可能会决定节流(减慢)CPU时钟。这将减少机器的热输出，但以整体系统性能为代价。这种被动冷却的好处是什么?其明显的优点是，为了降低系统温度，系统功率要求无声地降低(不需要风扇操作)，但它确实限制了性能。

那么，主动冷却呢?在主动冷却系统中，操作系统或BIOS软件通过直接动作(如打开CPU挂载的风扇)为处理器降温。它的优点是增加了CPU金属塞或散热器上的气流，可以相对较快地将热量从CPU中抽出。在被动冷却系统中，CPU节流单独会防止CPU进一步加热，但散热器对“静止空气”的热阻可能相当大，这意味着散热器会将热量散发到空气中相当缓慢，延迟返回全速处理。因此，采用主动冷却的系统可以结合最大的CPU性能和更快的散热。然而，风扇的运行会给系统环境带来噪音，并消耗更多的功率。哪种冷却技术更好?实际上，这取决于应用程序;多功能机器将使用这两种技术来处理不同的情况。ACPI概述了两种不同模式的冷却技术:性能模式和静音模式。图1和图2比较了这两种模式。

图1和图2是温标的例子，说明了性能、风扇噪声和功耗/耗散之间的权衡。为了使系统管理设备与ACPI兼容，它应该能够在5°C间隔或SCI(系统控制中断)事件时发出信号限制交叉，表明新的超出限制的温度增量已经发生。这些事件提供了一种机制，通过该机制操作系统可以跟踪系统温度，并做出明智的决定，是否节流CPU时钟，增加/减少冷却风扇的速度，或采取更激烈的行动。一旦温度超过_CRT(临界温度)策略设置，系统将作为故障安全关闭，以保护CPU。图1和图2中显示的另外两个策略设置是_PSV(被动冷却，或CPU时钟节流)和_ACx。(主动冷却，当风扇打开时)。

在图1(性能模式)中，冷却风扇在50℃时打开。如果温度继续上升超过60°C，时钟节流启动。这种行为将最大化系统性能，因为系统只有在较高的温度下才会减慢速度。在图2(静音模式)中，CPU时钟首先被调到45度。如果温度继续上升，冷却风扇可能会在60度时打开。这种降低性能的模式也倾向于延长电池寿命，因为调低时钟会降低功耗。

图3显示了温度测量波段的极限是如何跟踪温度测量的。每次越过限制都会产生一个中断。

智能平台管理接口(IPMI)规范(参考文献2)为服务器带来了类似的热管理功能。IPMI旨在通过监控系统的关键“心跳”参数(温度、电压、风扇速度和电源单元)来降低服务器的总拥有成本(TCO)。IPMI的另一个动机是需要服务器之间的互操作性，以促进基板和机箱之间的通信。IPMI基于使用5伏I(2)C总线，以分组形式发送消息。有关IPMI的更多信息可从英特尔网站获得。

设备温度和系统监控(TSM)系列的所有成员都符合ACPI和IPMI标准。

温度监控

pc内智能风扇速度控制的先决条件是能够准确测量系统和处理器温度。所使用的温度监测技术已经成为许多文章的主题(例如，见对话33-4)，这里只简要介绍一下。所有设备系统监测设备使用温度监测技术称为热二极管监测(TDM)。该技术利用了这样一个事实，即二极管连接晶体管的正向电压，在恒定电流下工作，表现出负温度系数，约为-2mV/°C。由于VBE的绝对值因设备而异，因此该特性本身不适合用于批量生产的设备，因为每个设备都需要单独校准。在时分复用技术中，两种不同的电流依次通过晶体管，并测量电压的变化。温度与VBE差的关系如下:

得尔塔V(BE) = kT/q × ln(N)

地点:

k =玻尔兹曼常数

Q =电子电荷大小

T =绝对温度，单位是开尔文

N =两电流之比

在任何CPU中，最相关的温度是die上的“热点”。系统中所有其他温度(包括散热器温度)将滞后于该温度的上升。由于这个原因，几乎每一个CPU(从早期的英特尔奔腾II处理器开始制造)在其芯片上都包含一个战略性的晶体管，用于热监测。它给出了一个真实的，基本上是瞬时的，模具温度的轮廓。图5显示了系统反复进入和从挂起模式中唤醒的温度曲线。它比较了由附在CPU散热器上的热敏电阻和基片热二极管测量的温度。在实际模具温度前后变化约13度的短暂间隔内，散热器热敏电阻无法感知任何变化。

风扇温度控制

建立了精确的温度监测方法，可以实现有效的风扇控制!一般来说，该技术是使用TDM来测量温度，感应晶体管要么集成在芯片上，要么放在尽可能靠近热点的外部，并将风扇转速设置在一个水平上，以确保在该温度下有足够的热量传输。控制回路的各种操作参数将是可编程的，如最低速度，风扇启动温度，速度与温度斜率，开/关迟滞。所描述的速度控制方法将包括开关，连续(“线性”)和脉宽调制(PWM)。

风扇控制方法:从历史上看，pc中风扇速度控制的方法范围是从简单的开关控制到闭环温度到风扇速度控制。

两步控制:这是pc中采用的最早的风扇速度控制形式。BIOS将测量系统温度(最初使用靠近CPU的热敏电阻)，并决定是否将冷却风扇完全打开或关闭。后来，个人电脑使用更精确的基于tdm的温度监视器来实现相同的两步风扇控制。

三步控制:BIOS或操作系统再次使用热敏电阻或热二极管测量温度，并根据软件设置决定是否将风扇完全打开，完全关闭或设置为半速运行。

线性风扇转速控制:这种最新的风扇转速控制方法也被称为电压控制。BIOS或OS从TDM测量电路读取温度，并将一个字节写回片上DAC，以设置输出电压，以控制风扇的速度。这种类型的IC风扇控制器的一个例子是ADM1022，它有一个8位DAC片上输出电压范围为0 V至2.5 V。它与外部缓冲放大器具有适当的设计额定值所选的风扇。ADM1022还包含默认的自动硬件跳闸点，当TDM电路检测到温度过高时，该跳闸点会使风扇全速运行。这类设备的首次亮相标志着自动风扇速度控制的出现，其中一些决策从操作系统软件转移到系统监控硬件。

脉宽调制(PWM)风扇转速控制:在系统监控产品线中，这些PWM类型是最新的风扇控制产品。BIOS或OS可以从TDM器件读取温度，并通过调节应用于散热风扇的PWM占空比来控制散热风扇的转速。

值得注意的是，上述所有风扇速度控制方法都依赖于CPU或主机干预，通过2线制系统管理总线从TDM设备读取温度。然后由CPU执行的热管理软件必须决定风扇的速度应该是多少，并将一个值写回系统监控IC上的寄存器，以设置适当的风扇速度。

风扇转速控制的下一步显然是实现一个自动风扇转速控制回路，它可以独立于软件运行，并在给定的芯片温度下以最佳速度运行风扇。这种闭环速度控制有很多好处。

一旦系统监控设备被初始化(通过具有所需参数的长限制寄存器)，控制回路就完全独立于软件，IC可以在没有主机干预的情况下对温度变化做出反应。当发生灾难性的系统故障，系统无法恢复时，这个特性尤其需要。如果PC机死机，操作系统中的电源管理软件不再执行，导致热管理丢失!如果PC不能读取正在测量的温度(因为PC已经崩溃)，那么就不能指望它设置正确的风扇速度来提供所需的冷却水平。

闭环实现的另一个实际好处是，它将在任何给定温度下以最佳速度运行风扇。这意味着噪音和功耗都降低了。风扇全速运转可以最大限度地降低功耗和噪音。如果风扇速度可以通过循环优化有效地管理，在给定温度下只运行所需的速度，则功耗和可听到的风扇噪音都会降低。在电池供电的笔记本电脑应用中，这是一个绝对关键的要求，因为每毫安电流(或毫安秒充电)都是宝贵的商品。

自动风扇转速控制回路

下面是如何实现自动风扇转速控制回路的方法，它将使用TDM技术测量温度，并将风扇转速适当地设置为温度的函数。可编程参数允许更完整的控制回路。要编程的第一个寄存器值是T(MIN)。这是风扇第一次打开的温度(对应于ACx)，也是风扇转速控制开始的温度。暂时将转速设置为最大以使风扇运行，然后返回到最小转速设置(见图6)。允许控制温度-风扇转速函数斜率的参数是从T(MAX)到T(MIN)或T(range)的范围。程序设定的T(MIN)和T(RANGE)值定义了风扇达到最大转速时的温度，即T(MAX) = T(MIN) + T(RANGE)。可编程温度范围:5&de;C, 10°C, 20°C, 40°C和80°C。为了避免在T(MIN)附近快速循环开、关，使用迟滞来建立低于T(MIN)的温度，在此温度下关闭风扇。可编程到回路中的迟滞量为1°C至15°C。该风扇控制回路可以由操作系统软件通过SMBus进行监督，PC可以决定在任何时候覆盖控制回路。

PWM与线性风扇速度控制

有人可能会问，如果线性风扇转速控制已经广泛使用，为什么脉冲宽度调制是可取的。

考虑使用线性风扇速度控制驱动的12v风扇。当施加到风扇上的电压从0 V慢慢增加到约8 V时，风扇将开始旋转。随着风扇电压的进一步增加，风扇转速会增加，直到在12v驱动下达到最大转速。因此，12v风扇在8v和12v之间具有有效的工作窗口;范围只有4 V可用于速度控制。

如果使用笔记本电脑的5v风扇，情况就更糟了。风扇将不启动，直到施加的电压约为4v。在4伏以上，风扇将倾向于全速旋转，因此在4和5伏之间几乎没有可用的速度控制。因此，线性风扇转速控制不适合控制大多数类型的5V风扇。

脉冲宽度调制(PWM)，最大电压应用于控制间隔(方波的占空比，通常在30至100赫兹)。由于这个占空比，或高时间与低时间的比率，是变化的，风扇的速度将改变。

在这些频率下，从风扇接收到干净的转速(转速计)脉冲，从而实现可靠的风扇转速测量。随着驱动频率的提高，会出现一些问题，即不能满足精确测量所需的连接脉冲，然后是噪声，最后是损坏连接信号的电尖峰。因此，大多数PWM应用使用低频激励来驱动风扇。外部PWM驱动电路非常简单。它可以用单个外部晶体管或MOSFET来驱动风扇(图7)。由速度电压驱动的线性风扇速度控制等效器件需要一个运放、一个通管和一对电阻来设置运放增益。

如何测量风扇转速?一个3线风扇有一个附加输出，通常输出1,2，或4附加脉冲每转，这取决于风扇的型号。然后将该数字连接信号直接应用于系统监控设备上的连接输入。转速脉冲不被计算在内，因为风扇运行速度相对较慢，为了可靠地测量风扇速度，积累大量的转速脉冲需要相当长的时间。相反，连接脉冲被用来门控一个运行在22.5 kHz的片上振荡器，直到一个计数器(见图8)。实际上，连接周期被测量来确定风扇的速度。转速寄存器中的高计数表示风扇以低速运行(反之亦然)。限位寄存器用于检测粘滞或失速风扇。

风扇转速控制还有其他问题吗?

当使用PWM控制风扇时，风扇可靠连续运行的最小占空比约为33%。然而，风扇不会在33%的占空比启动，因为没有足够的电力来克服它的惯性。正如在图6的讨论中所指出的，这个问题的解决方案是在启动时将风扇旋转2秒钟。如果风扇需要以最低速度运行，则在风扇启动后，PWM占空比可以降低到33%，并且通过磁滞保护风扇不会失速。

风扇摊位&;风扇故障

然而，风扇在系统中使用时可能会在某个时间熄火。原因可能包括风扇运转太慢，或灰尘积聚使其无法旋转。因此，Devices系统监视器具有基于风扇转速输出的片上机制，可以检测并重新启动停滞的风扇。如果没有收到连接脉冲，则连接值寄存器中的值将超过连接限制寄存器中的限制，并设置错误标志。这将导致控制器试图通过尝试旋转风扇2秒来重新启动风扇。如果风扇持续故障，并且尝试重启5次，则会确认存在灾难性风扇故障，并且会断言FAN_FAULT引脚警告系统风扇已经故障。在双风扇双控制器系统中，第二个风扇可以旋转到全速，以试图补偿由于第一个风扇故障而导致的气流损失。

总结

卓越的热管理解决方案继续开发，并提供给计算行业的设备。为ADM1029、ADM1030/31和ADM1026开发的技术将pc内的热管理提升到一个新的水平。这些器件具有温度监测、硬件自动温度控制、风扇速度测量、支持备用和冗余风扇、风扇存在和风扇故障检测、可编程PWM频率和占空比等功能。随着电源标准变得越来越严格，pc运行温度越来越高，更复杂的温度测量和风扇速度控制技术正在被开发出来，以更有效地管理未来的系统。

参考电路

1. 英特尔:移动电源指南'99修订1.00。

2.   什么是IPMI?