可用于监控PC主板设计环境条件的芯片

在当今基于微处理器的系统中，电气、机械和热环境的管理变得越来越重要。本文将重点介绍精确的电压和温度监控以及其他硬件监控要求。我们将研究精确测量的技术，并为ADM9240芯片所体现的基于奔腾II的系统中的一系列硬件监控任务提供解决方案。

随着IC和系统设计人员寻求从设计中榨取每一点性能，硬件监测和控制已成为电路板设计目标不可或缺的一部分。例如，需要保持精确的电源电压水平，并持续处理高性能芯片产生的热量。控制回路的反馈部分通过硬件监控完成 - 连续测量关键系统参数，如电源电压，内部温度，冷却风扇性能和其他环境因素。通过严格控制这些参数以保持在严格的限制范围内，可以最大限度地提高系统性能，从而保持电路的最佳工作条件并避免缩短组件寿命。

基于英特尔奔腾的最新一代产品清楚地表明了硬件监视和控制的重要性。时钟速率超过 450 MHz 的最新奔腾 II 微处理器需要复杂、高度稳定的电源电压 - 简单的 +5 或 +3.3V 电源已不再足够。相反，奔腾内核逻辑需要 1.3 至 3.5 V 的数字可调电压和 50mV 分辨率。所需的实际电压取决于许多因素。当考虑到流过印刷电路板（PCB）走线电阻和电感的电流的动态变化性质时，将电压控制到这种程度并不是一个微不足道的要求。除了处理器芯片的要求外，典型系统还需要至少4个其他稳压电源：+12V、-12V、+5V和+3.3V，用于其他功能，如磁盘驱动器、视频电路、PC卡等。为了保持长期可靠性，必须精确监测和控制所有这些电压。简单的电压比较器类型的电路可用于监视固定电源;但是，监控可变负载的高精度电源需要更复杂的解决方案，涉及电压电平的模数转换。

除了严格控制的工作电压外，当今的许多系统还依赖于热管理方法，例如主动散热、对流冷却和强制风冷提供的冷却，以保持可靠的工作条件。随着IC和系统变得越来越快、越来越复杂、越来越密集，消除多余的热量并保持安全、可靠的工作温度变得越来越重要。温度检测，通常与风扇速度监测和控制相结合，是当今用于确保系统可靠性的几种技术。通过控制风扇速度，可以实现更高的效率、更低的功耗和更低的噪音水平。

受益于有效硬件监控的另一个重要领域是总拥有成本 （TCO）。所有重要功能都受到持续监控，并将结果传达给系统管理软件。在发生代价高昂的损坏之前，可以检测到即将发生的故障，识别来源并采取纠正措施，甚至调用系统关闭。例如，可以通过监控其速度来检测堵塞的冷却风扇。当速度从其标称速度降低 10% 到 15% 时，软件可以注意到问题并在劣化造成额外损坏之前关闭系统。以 10 美元的价格更换风扇比更换 1000 美元的 CPU 或更昂贵的系统主板更具吸引力。

多通道电压、温度和风扇速度监控，以及每个参数的可编程限值设置，对于实现监测和控制目标大有帮助。我们将在下面讨论一些在基于奔腾的系统中实现此目的的特定技术。该演示将采用ADI公司的新型监控IC ADM9240，以展示优化监控策略的方法。

电压监控

在一个典型的系统中，需要监控多达六个电压通道。典型系统电源包括以下部分或全部电源的组合：+12、-12、+5、+3.3、+2.7和+2.5 V。

由于需要跟踪如此多（和不同）的电源，具有数字读数的多路复用数据采集系统提供了最大的灵活性。基于 A/D 转换器的解决方案有助于软件控制和限值设置。一旦转换为数字域，数据就很容易作、处理和存储，以供历史参考。

以下是必须解决的一些注意事项，以便将信号从模拟精确转换为数字： 由于被测电源通常使用开关模式技术产生，因此开关引入的噪声会使其电压难以准确监控。开关毛刺和负载相关电压偏移可能是杂散报警的来源。因此，监控电路必须抑制电源毛刺和偏移，但仍要足够快，以检测电源何时真正超出容差。当电源确实超出公差时，重要的是报告它，以便尽快处理情况，以避免系统性能错误甚至损坏。

ADM9240的输入电路（图1）具有双重作用：

一个。过滤输入信号
b.衰减输入电平，使其调整为板载ADC的
基准电压。

在片上集成衰减网络具有重要优势。由于电阻不准确或不匹配而导致的任何误差都已包含在通道规格中，因此用户无需进一步增加系统误差预算。

图1.输入通道滤波和衰减

ADM9240 的输入范围也有偏置，因此标称输入电压电平对应于 ADC 上的 2/25 满量程（图 <>）。这种缩放提供从+<>%过压到总故障的范围。将大部分动态范围置于低端可以考虑大多数误差情况，并且还具有更大的灵活性，因为可以监视较低电压的电源（指定低于列出的标准电平），但精度会有所降低。

图2.输入传递函数

监测核心电压

除了监视固定电源外，基于奔腾 II 的系统还需要精确监视处理器内核电压 VCCP。今天的奔腾 II（P2）使用 5 位 VID（电压识别）代码（高于上一代产品的 4 位）根据 P2 提供的 VID 代码，内核电压可以设置在 1.3 V 和 3.5 V 之间。

VID 代码表

 

VID4	VID3	VID2	VID1	VID0	电压 （V）
0	1	1	1	1	1.30
0	1	1	1	0	1.35
0	1	1	0	1	1.40
*	*	*	*	*	*
*	*	*	*	*	*
*	*	*	*	*	*
1	1	1	1	1	无中央处理器
1	0	0	1	0	3.3
1	0	0	0	1	3.4
1	0	0	0	0	3.5

 

前面讨论的电压监控要求也适用于VCCP电源，但容差要严格得多。用于监控此情况的A/D转换器输入范围设置为0 V至3.6 V，2/7满量程设置为2.<> V。这提供了足够的动态范围和精度，以适应其他处理器内核电压，甚至超出P<>要求。

在可能采用不同处理器内核电压的双处理器系统中，ADM9240提供第二个多路复用输入通道（VCCP2）。

监测负电压

通过反转信号的极性，可以监视正输入通道上的负电压。但这可能不具有成本效益——它需要一个反相运算放大器，并且浪费了芯片“空间”。也可以使用使用正偏置和范围的反转解释的低成本方案。如图3所示：电阻R2偏置至+5 V;上限和下限（以及过压（75%）和欠压（25%）范围）将被转置。由于失调电压取决于+5 V基准电平，因此应使用精确的+5 V基准电压源，或者（如果使用5 V电源本身）应首先测量该输入，并相应地设置-12 V电源的限值。

图3.使用正输入通道 （VCCP） 监控 -12V 电源

温度监测

温度监控提高了可靠性，并允许接近接近实现最大性能的效率。如果冷却系统完全失效或恶化到不足的程度，它还可用于保护系统免受过热。

硅传感器作为电子系统中的温度传感器变得越来越重要，因为它们是线性的、准确的、廉价的、可靠的;并且可以与其他模拟或数字功能集成在同一 IC 上。它们利用基极-发射极电压（在是）和硅双极结型晶体管中的电流密度（电流/发射极面积），以产生与绝对温度（PTAT）成比例的电压。如果电流以固定比率r流过两个相同的晶体管（或者如果相等的电流流过一个晶体管和一组r相同的并联晶体管），则差分在是是PTAT。图4是说明原理的电路。一个1和一个2是发射极区域，我S是反向饱和电流，k/q 是玻尔兹曼常数与电子电荷的比值，约为 86 μV/K。

图4.硅温度传感器的工作原理

在ADM9240上，片内温度检测使用额外的多路复用器通道（图5）。循环时，模拟输入和温度通道分别由多路复用器依次选择，并由ADC转换为数字量。

图5.电压和温度监控

偏移、缩放和数据操作提供二进制补码输出。虽然理论温度范围为零下128ºC至+127ºC，但实际器件和封装限制将其限制在-40ºC至+125ºC左右。

温度传感器的位置对于精确的温度测量很重要。理想情况下，它应该与被测量物体保持密切的身体接触。这并不总是可行的，特别是当单个传感器只是多功能IC上的一个功能时，必须考虑其他因素。如果无法直接热接触，则必须表征传感器的温度与所需测量点之间的差异。通过这种方式，可以使用已知的偏移来补偿温差。

风扇速度测量

风扇速度感应为潜在问题提供了宝贵的预警信号。风扇是高度可靠的电子系统中的弱机械部件。虽然现代无刷风扇比早期的刷子类型更可靠，但它们仍然容易出现机械磨损。轴承磨损和摩擦增加会减慢风扇的转速，导致空气减少。如果持续监控速度，则可以在冷却不足导致严重问题之前发现预测故障的迹象。

现代风扇提供转速计输出（通常每转两个脉冲），以方便速度监控。转速是通过简单地计算固定时间段内的脉冲数来确定的。

虽然这是最简单的速度监控方案，但它很慢。例如，当风扇以低于 1000 RPM 的速度运行时，需要几秒钟才能累积出相当大且准确的计数。

ADM9240采用的技术不直接计算风扇转速输出脉冲。相反，它使用转速输出作为高频内部时钟的门控信号。通过计算门控脉冲的数量，可以确定风扇的周期。累积计数与风扇的转速周期成正比，与速度成反比。

具体而言，片内 22.5kHz 振荡器被选通到 8 位计数器的输入中，用于风扇转速输出的两个周期，对应于风扇一圈的时间（图 6）。

图6.转速计输出和速度确定

为了适应不同速度的风扇，可以在计数器之前添加预分频器（除数）。考虑以下使用ADM9240的示例。

除数为 2 时，风扇每转有两个输出脉冲，转速为 4000 rpm，计数为 168。也就是说，在 4000 rpm 时，每分钟有 8000 个脉冲，每秒 133.3 个脉冲;因此，脉冲对之间的间隔为 15 毫秒，计数为 0.015（22，500/2） = 168+。

当风扇减速时，计数增加到计数器的最大计数 255，这发生在 4000 （168.75/255） = 2647 rpm 时。

将风扇转速计输出连接至5V/3V逻辑

由于风扇通常由高于逻辑/监控电路的电压供电，因此有必要提供一个不会对逻辑施加过大压力或正向偏置某些内部结的接口。使用电阻/齐纳二极管网络的电压箝位提供了一个很好的解决方案（图 7）。应选择齐纳击穿电压，使其低于逻辑电源电压。采用 5V 逻辑时，适合使用 4.0V 齐纳二极管。

图7.转速计输出接口

控制风扇速度

如果风扇在额定电压和环境温度下移动的空气多于充分冷却所需的空气，则可以控制其速度以减少风扇噪音和功耗，同时将温度保持在安全水平。

最简单的控制形式是线性调整风扇的电源电压。例如，通过将电源调整到低于 12 V 的电压，可以限制 12V 风扇的速度。

但是，必须考虑到，如果电源电压固定在低值，风扇可能无法可靠地启动。使用D/A转换器来改变速度（图8），风扇可以以更高的速度启动，然后减速到正确的值。对于 12V 风扇，最小可靠工作电压可能高达 6 或 7 V，允许相当大的调整范围。

ADM9240的8位DAC可用于风扇速度控制。DAC的1.25 V输出需要一个外部放大/电流提升级来驱动风扇。

图8.风扇速度控制

通过 LAN 网络进行控制和监控

硬件监视和控制可以进一步扩展为在网络上运行，以便可以连续监视整个计算机网络的运行状况。英特尔的 LAN 桌面客户端管理器 （LDCM） 是网络管理软件的一个示例，它可以监控网络上的各个工作站并对其进行故障排除，并向系统管理员提供未来潜在问题的早期警告。

许多网络问题都是由于没有经验的用户安装不兼容的软件或硬件而发生的。两者都可以通过局域网远程监控。机箱入侵传感器可用于检测未经授权的系统篡改。典型的传感器包括简单的微动开关、干簧开关、霍尔效应开关甚至光学传感器。打开外壳时，开关被切换或光束断开。

ADM9240包括一条输入线，可连接到机箱防盗开关，向监控系统发出警报。通常，开关使用触发器或晶闸管连接到闭锁电路。因此，机箱防盗闩锁必须可由系统管理员重置。在ADM9240上，机箱防盗线也可以临时配置为输出线，以便发送清除脉冲以清除锁存器。

图9显示了完整ADM9240的框图。通过结合电压、温度、风扇和机箱入侵监控，为电子设备提供了更好控制的操作环境。对用户的好处是提高了稳定性、可靠性和降低拥有成本。

图9.ADM9240原理框图

图10显示了使用ADM9240的完整监控解决方案。此电路适用于奔腾 II 型主板。同时监控所有六个电源是否存在过压或欠压情况，这些情况会对电子设备构成威胁。上限和下限通过2线系统管理总线（SMBus）进行编程。主控制器通常是PIIX4南桥芯片，但也可以是专用微控制器。除了电压监控外，该电路还通过J2和J3监控一对冷却风扇的速度。其中一个风扇（J3）使用ADM9240上的DAC进行速度控制以限制噪声，而第二个风扇则以全速连续运行。线性速度控制为保持低声发射提供了可靠、低噪声的解决方案。通过连接到J1的光学、机械或磁性开关（适当定位以避免篡改）检测并锁定未经授权的系统篡改。请注意，检测和闭锁电路由备用电池供电，因此即使拔下系统插头，监控也会继续。置位时，系统管理员可以使用对ADM9240的特殊命令清除锁存逻辑。

图 10.采用ADM9240的完整监控解决方案。

下一代

在撰写本文时，下一代硬件监控解决方案正在开发中;它刚刚变得可用。ADM1024体现了上述所有原理。此外，它还包括热二极管监控（TDM）技术。这种革命性的技术允许通过奔腾 II 上的二极管连接晶体管持续监控奔腾芯片本身的温度。通过切换通过片内二极管的两种不同电流并测量二极管正向电压的微小变化，可以通过原理类似于图4所示的多路复用带隙测量来准确确定管芯温度。

该方案的主要优点是可以获得准确的温度测量值，而无需定位外部传感器进行亲密接触。由于传感器现在正好在测量点，因此可以非常精确，并且完全消除了热滞后。ADM1024内置开关电流源以及滤波和放大输入级。与ADM9240一样，板载ADC将温度测量值转换为数字读数。

除了这些TDM通道外，ADM1024还包含额外的配置寄存器，以提供更大的灵活性。可以根据需要配置输入通道，以测量风扇速度或电压或热输入。其他通道可以配置为监视电压识别位（VID），或者实际上可以用作中断监视输入。

电压、散热、风扇速度、机箱、VID监控与额外的灵活性相结合，使ADM1024适用于各种下一代主板设计，无论是台式机、服务器还是工作站。

审核编辑：郭婷