基于智能系统监控设备的风扇速度控制技术

ADI公司提供一整套用于台式机和笔记本电脑以及服务器的硬件监控产品。智能系统监控设备可实现复杂的风扇速度控制技术，以提供足够的冷却并在系统中保持最佳的热性能。在过去的一年中，一系列产品，包括ADM1029双PWM风扇控制器和温度监控器，ADM1026和ADM1030 / 31完整，符合ACPI标准，双通道±1°C远程热量监控器，带有集成风扇控制器，用于一个已经开发出两个独立的粉丝。它们基于ADM102x PC系统监视器产品系列中使用的核心技术。这些新产品基于系统内测量的温度提供风扇速度控制，提供更完整的热管理解决方案。我们在此讨论这种复杂控制水平的必要性以及提供它的固有问题。

背景

随着新千年的到来，处理器正在实现1 GHz甚至更高的速度。它们在速度和系统性能方面的显着改进伴随着在使用它们的机器内产生越来越多的热量。安全地消散这种热量的需求，以及计算行业中开发“绿色PC”和用户友好型机器（随着互联网设备成为主流）的需求推动了对更复杂的冷却和热管理技术的需求和发展。市场上的任何最新概念PC或超薄笔记本电脑都可以看到，PC的尺寸和形状也变得越来越小，越来越不常见。诸如“移动电源指南'99”（参考文献1）之类的刚性功耗规范规定了可以通过笔记本电脑的键盘安全散热多少而不会引起用户不适。任何多余的热量必须通过其他方式从系统中引出，例如沿着热管和散热板的对流，或者使用风扇将空气移动通过系统。显然，所需要的是一种可以普遍采用的智能，有效的热管理方法。各种行业团体已经聚集在一起解决这些问题和其他问题，并为笔记本电脑开发了ACPI（高级配置和电源接口）标准，为服务器<开发了IPMI（智能平台管理界面） / em>的管理。

行业标准

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

电源管理被定义为“硬件和软件中的机制，以最小化系统功耗，管理系统热限制，并最大化系统电池寿命。电源管理涉及系统速度，噪声，电池寿命，处理速度和交流电源消耗之间的权衡。” / p>

首先考虑一个笔记本电脑用户，他在飞越大洋或大陆时输入旅行报告。哪个特性更重要，CPU性能最高或电池寿命延长？在这样一个简单的文字处理器应用程序中，用户的击键时间在CPU时钟周期中几乎是永恒的，因此最大的CPU性能远不及连续的电源可用性。因此，可以通过延长电池寿命来消除CPU性能。另一方面，考虑想要在数字多功能光盘（DVD）上以全动态，全屏，令人头脑麻木的声音和亮度观看最新詹姆斯邦德电影的用户。至关重要的是，系统在一定的性能水平下运行，以便足够快地解码软件，而不会丢失图像或音频帧。在这种情况下，CPU性能不会受到影响。因此，热量产生将处于最高水平，并且注意热管理对于在不损害可靠性的情况下获得最佳性能将是至关重要的。输入ACPI。

ACPI是什么？ ACPI是一种描述组件之间的接口及其行为方式的规范。它不是纯粹的软件或硬件规范，因为它描述了BIOS软件，OS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。被动冷却依赖于操作系统（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。怎么能实现这一目标？如果在指定时间后未检测到击键或其他用户交互，则通过进入挂起模式等智能决策。或者，如果系统正在进行一些密集的计算，例如3D处理，并且正在变得危险，那么BIOS可能决定限制（减慢）CPU时钟。这会降低机器的热输出，但会降低整体系统性能。这种被动式型冷却有什么好处？它的独特优势在于系统功率要求无声降低（不需要风扇运行）以降低系统温度，但确实会限制性能。

那么，主动冷却呢？在主动冷却系统中，OS或BIOS软件采取直接操作，例如打开CPU安装的风扇，以冷却处理器。它的优点是CPU的金属块或散热器上的气流增加，可以相对快速地将热量从CPU中抽出。在被动冷却系统中，单独的CPU节流将阻止CPU的进一步加热，但散热器对“静止空气”的热阻可能非常大，这意味着散热器会非常缓慢地将热量散发到空气中，从而延迟返回全速处理。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。但是，风扇的运行会将声学噪声引入系统环境并消耗更多功率。哪种冷却技术更好？实际上，这取决于应用;多功能机器将使用这两种技术来处理不同的情况。 ACPI根据两种不同模式概述了冷却技术：性能模式和静默模式。这两种模式在图1和图2中进行了比较。

图1和图2是温标的示例，说明了性能，风扇噪声和功耗/耗散之间的各自权衡。为了使系统管理设备符合ACPI标准，它应该能够以5°C间隔或SCI（系统控制中断）事件发出限制交叉信号，这是一个新的超出温度增量已发生。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，并就是否限制CPU时钟，增加/减少冷却风扇的速度或采取更激烈的操作做出明智的决定。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°C时开启。如果温度继续升高超过60°C，则启动时钟节流。此行为将最大化系统性能，因为系统仅在较高温度下减速。在图2（静音模式）中，CPU时钟首先在45摄氏度时节流。如果温度继续上升，可以在60摄氏度时打开冷却风扇。这种降低性能的模式也会增加电池寿命，因为节流时钟可以降低功耗。

图3显示了温度测量频带的极限如何跟踪温度测量。每个限制交叉产生一个中断。

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”参数来降低服务器的总体拥有成本（TCO）：温度，电压，风扇速度和PSU（电源单元） 。 IPMI的另一个动机是服务器之间需要互操作性，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，消息以数据包形式发送。有关IPMI的更多信息，请访问英特尔网站http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/.

ADI公司温度和系统监控（TSM）的所有成员系列符合ACPI和IPMI。

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成为许多文章的主题（例如，参见 Analog Dialogue 33-4。），这里仅简要介绍。所有ADI公司的系统监控设备都使用称为热二极管监控（TDM）的温度监控技术。该技术利用以下事实：在恒定电流下操作的二极管连接的晶体管的正向电压表现出约-2mV /℃的负温度系数。由于VBE的绝对值因设备而异，因此该特征本身不适用于大规模生产的设备，因为每个设备都需要单独校准。在TDM技术中，两个不同的电流连续通过晶体管，并测量电压变化。温度与VBE的差异有关：

ΔV BE = kT / q×ln（N）

其中：

k = Boltzmann常数

q =电子电荷幅度

T =开尔文的绝对温度

N =两个电流的比率

在任何CPU中，最相关的温度是模具上的“热点”温度。系统中的所有其他温度（包括散热器温度）将滞后于此温度的升高。出于这个原因，几乎每个CPU（自早期的英特尔奔腾II处理器以来制造）都在其芯片上包含一个位于战略位置的晶体管，用于热监控。它给出了真实的，基本上瞬时的模具温度曲线。图5显示了系统中反复进入和从挂起模式唤醒的温度曲线。它比较了连接到CPU散热器的热敏电阻和基板热敏二极管测得的温度。在实际模具温度来回变化约13度的短暂间隔内，散热器热敏电阻无法检测到任何变化。

风扇控制温度

通过建立精确的温度监控方法，可以实现有效的风扇控制！一般而言，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，要么尽可能地放置在尽可能靠近热点的位置，并将风扇速度设置在能够确保足够热传输的水平。在那个温度。控制回路的各种操作参数将是可编程的，例如最小速度，风扇启动温度，速度与温度斜率以及开启/关闭滞后。所描述的速度控制方法将包括开关，连续（“线性”）和脉冲宽度调制（PWM）。

风扇控制方法：历史上，范围PC风扇速度控制的方法是从简单的开关控制到闭环温度到风扇的速度控制。

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）并决定是否完全打开或关闭冷却风扇。之后，PC使用更精确的基于TDM的温度监控器来实现相同的两步风扇控制。

三步控制： BIOS或操作系统再次测量温度使用热敏电阻或热敏二极管，并根据软件设置决定是将风扇完全打开，完全关闭，还是将其设置为半速运行。

线性风扇速度控制：这种更新的风扇速度控制方法也称为电压控制。 BIOS或OS从TDM测量电路读取温度并将一个字节写回到片上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，它具有一个8位DAC片内，输出电压范围为0 V至2.5 V.它与外部缓冲放大器配合使用，具有适合所选择的设计额定值风扇。 ADM1022还包含默认的自动硬件跳变点，如果其TDM电路检测到过热情况，则会导致风扇全速驱动。这些类型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OS软件转移到系统监控硬件。

脉冲宽度调制（PWM）风扇速度控制：在ADI的系统监控产品系列中，这些PWM类型是最新的风扇控制产品。 BIOS或OS可以从TDM设备读取温度，并通过调整施加于其上的PWM占空比来控制冷却风扇的速度。

值得注意的是，所有上述风扇速度控制方法依靠CPU或主机干预，通过2线系统管理总线从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速度应该是多少，并将值写回系统监视器IC上的寄存器以设置适当的风扇速度。

显然是下一步风扇速度控制的发展是实现自动风扇速度 控制回路，它可以独立于软件运行，并在给定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。

系统监控设备初始化后（通过加载带有所需参数的限制寄存器），控制回路完全独立于软件，IC可以在没有主机干预的情况下对温度变化作出反应。当发生灾难性系统故障时系统无法恢复时，此功能尤其适用。如果PC崩溃，操作系统中的电源管理软件将不再执行，从而导致热管理丢失！如果PC无法读取被测温度（因为PC已经崩溃），那么就不能指望设置正确的风扇速度来提供所需的冷却水平。

关闭的另一个实际好处 - 循环实施是它将以任何给定温度的最佳速度操作风扇。这意味着降低了声学噪声和功耗。以全速运行风扇可最大限度地提高功耗和噪音。如果可以通过回路优化有效地管理风扇速度，则只能在给定温度下尽可能快地运行，功率消耗和可听到的风扇噪声都会降低。这是电池供电的笔记本电脑应用中的绝对关键要求，其中每毫安电流（或毫安秒充电）是一种宝贵的商品。

自动风扇速度控制循环

以下是如何实现自动风扇速度控制回路，它将使用TDM技术测量温度，并根据温度适当设置风扇速度。可编程参数允许更完整地控制回路。要编程的第一个寄存器值是T MIN 。这是风扇首次打开的温度（对应于ACx），以及风扇速度控制将在何处开始。将速度暂时设置为最大值以使风扇运转，然后返回到最小速度设置（参见图6）。允许控制温度 - 风扇速度函数斜率的参数是从T MAX 到T MIN 或T RANGE 。 T MIN 和T RANGE 的编程值定义风扇达到最大速度的温度，即T MAX = T MIN + T RANGE 。可选择编程温度范围：5℃，10℃，20℃，40℃和80℃。为了避免在T MIN 附近快速循环开启和关闭，滞后用于建立低于T MIN 的温度，在此温度下风扇关闭。可编程到回路中的滞后量为1°C至15°C。该风扇控制回路可以通过SMBus上的OS软件进行监控，PC可以随时决定覆盖控制回路。

PWM与线性风扇速度控制

有人可能会问，如果广泛使用线性风扇速度控制，为什么需要进行脉冲宽度调制。

考虑使用线性风扇速度控制驱动12 V风扇。当施加到风扇的电压从0 V缓慢增加到大约8 V时，风扇将开始旋转。随着风扇电压的进一步增加，风扇速度将增加，直到以12 V驱动时以最大速度运行。因此，12 V风扇的有效工作窗口在8 V和12 V之间;只有4 V的范围可用于速度控制。

使用笔记本电脑的5 V风扇情况会变得更糟。在施加的电压约为4 V之前风扇才会启动。在4 V以上，风扇将倾向于全速旋转，因此在4到5伏之间几乎没有可用的速度控制。因此，线性风扇速度控制不适合控制大多数类型的5V风扇。

对于脉冲宽度调制（PWM），最大电压用于受控间隔（方波的占空比，通常为30至100 Hz）。当这个占空比或高时间与低时间的比率发生变化时，风扇的速度会发生变化。

在这些频率下，从风扇接收到干净的转速（转速计）脉冲，允许可靠的风扇速度测量。随着驱动频率变高，存在用于精确测量的转速脉冲不足，然后是声学噪声以及最终电气尖峰破坏转速信号的问题。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。可以通过单个外部晶体管或MOSFET来驱动风扇来实现（图7）。线性风扇速度控制等效，由模拟速度电压驱动，需要运算放大器，传输晶体管和一对电阻来设置运算放大器增益。

如何测量风扇速度？ 3线风扇具有转速输出，通常每转输出1,2或4个转速脉冲，具体取决于风扇型号。然后将该数字转速信号直接应用于系统监控设备上的转速输入。转速脉冲不计算，因为风扇运行相对较慢，并且需要相当长的时间来累积大量转速脉冲以进行可靠的风扇速度测量。相反，转速脉冲用于将以22.5 kHz运行的片上振荡器连接到计数器（见图8）。实际上，正在测量转速时段以确定风扇速度。转速值寄存器中的高计数表示风扇以低速运行（反之亦然）。限制寄存器用于检测粘滞或停滞的风扇。

风扇速度控制还有哪些其他问题？

使用PWM控制风扇时，可靠连续风扇运行的最小占空比约为33％。但是，风扇不会以33％的占空比启动，因为没有足够的功率来克服其惯性。如图6的讨论中所述，该问题的解决方案是在启动时将风扇旋转2秒。如果风扇需要以最低速度运行，则风扇旋转后PWM占空比可降低至33％，并通过滞后保护其免于停止。

风扇失速和放大器;风扇故障

然而，可能会出现风扇在系统中使用时可能会在某个时间停转的可能性。原因可能包括风扇运转太慢，或灰尘积聚，防止其旋转。因此，ADI公司的系统监视器具有基于风扇转速输出的片上机制，以检测并重启停止的风扇。如果没有接收到转速脉冲，则转速值寄存器中的值将超过转速限制寄存器中的限值，并将设置错误标志。这将导致控制器尝试通过将其旋转2秒来尝试重新启动风扇。如果风扇继续发生故障，最多5次尝试重启，则确认存在灾难性风扇故障，并且FAN_FAULT引脚将断言以警告系统风扇发生故障。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导致的气流损失。