溫度傳感器在筆記本電腦的應(yīng)用
由于計(jì)算機(jī)效能不斷的推陳出新，愈來(lái)愈多的功能被整合到計(jì)算機(jī)中。因此，計(jì)算機(jī)的處理量與日俱增，這些資料包含多媒體數(shù)據(jù)及3D動(dòng)畫(huà)資料。為了滿(mǎn)足大量的數(shù)據(jù)處理需求，愈來(lái)愈多的芯片組被放入主機(jī)中，同時(shí)，CPU及芯片組的工作頻率也不斷提高。更多的芯片組及更快的時(shí)鐘頻率意味著更多熱量的產(chǎn)生。
對(duì)于筆記本電腦，用戶(hù)除了要求系統(tǒng)具有更好的效能外，在外觀上，還要求輕、薄、小，這是設(shè)計(jì)人員所面臨的另一挑戰(zhàn)。在有限的空間內(nèi)，如何耗散系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量是一個(gè)棘手問(wèn)題。如何兼顧系統(tǒng)效能、系統(tǒng)舒適度 (包括筆記本電腦外殼的溫度、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪音)、及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，是筆記本電腦設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。
筆記本電腦中需要監(jiān)測(cè)溫度的組件
圖1為筆記本電腦的典型系統(tǒng)框圖，CPU為系統(tǒng)中最大的熱源，目前筆記本電腦普遍使用的Intel Dothan處理器其瞬間最大功耗約為37W，AMD Athlon處理器其瞬間最大功耗約為35W至40W，Intel下一代Merom處理器的瞬間最大功耗將高達(dá)50W。CPU是計(jì)算機(jī)中溫度檢測(cè)的重要目標(biāo)。目前，無(wú)論是Intel或AMD的CPU，CPU內(nèi)部都含有提供遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)用的二極管，以提供溫度傳感器，直接檢測(cè)CPU內(nèi)部管芯的溫度，并對(duì)其進(jìn)行精確的溫度控制。
圖形處理芯片 (GPU) 是除了CPU之外，系統(tǒng)中的另一個(gè)重要的熱源。由于液晶顯示器分辨率的增高，圖形處理芯片的數(shù)據(jù)處理量也大大增加，為了讓圖形處理芯片可靠工作，目前普遍使用的圖形處理芯片，也和CPU一樣，均內(nèi)含提供遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)的二極管，以便直接檢測(cè)圖形處理芯片內(nèi)部管芯的溫度，并對(duì)其進(jìn)行溫度控制。筆記本電腦中，其它可能需要進(jìn)行溫度檢測(cè)及控制的組件還包括DDR內(nèi)存、硬盤(pán)和光驅(qū)。溫度檢測(cè)的目地是讓筆記本電腦的嵌入式微控制器能對(duì)筆記本電腦作適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砑盁峁芾?。精確可靠的溫度檢測(cè)在筆記本電腦的應(yīng)用上具有下列優(yōu)點(diǎn)：
一. 精確的溫度檢測(cè)能讓系統(tǒng)發(fā)揮最高的效能：當(dāng)組件實(shí)際溫度并未到達(dá)系統(tǒng)降頻的臨界點(diǎn)時(shí)，因?yàn)闇囟葌鞲衅鳈z測(cè)誤差，可能使系統(tǒng)降頻動(dòng)作提早發(fā)生，這會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮最大的效能。
二. 精確的溫度檢測(cè)能降低系統(tǒng)噪音并延長(zhǎng)計(jì)算機(jī)電池使用時(shí)間：如果溫度傳感器的檢測(cè)溫度高于系統(tǒng)實(shí)際溫度，將造成風(fēng)扇提早運(yùn)轉(zhuǎn)，或風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比實(shí)際需求高，這將造成系統(tǒng)不必要的風(fēng)扇噪音及功耗。
三. 精確的溫度檢測(cè)能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力：如果溫度傳感器的檢測(cè)溫度低于系統(tǒng)實(shí)際溫度，可能在系統(tǒng)實(shí)際溫度已到達(dá)降頻臨界點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)仍然保持較高的工作頻率，從而造成系統(tǒng)癱瘓甚至損壞。此外，精確的溫度檢測(cè)允許系統(tǒng)使用最小的散熱模塊，如此可以降低散熱模塊成本，增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
筆記本電腦常用的溫度傳感器
熱敏電阻和集成溫度傳感器是筆記本電腦常用的兩種溫度傳感器，以下我們將探討這兩種溫度傳感器的工作原理及使用。
熱敏電阻
熱敏電阻按溫度對(duì)電阻特性變化一般可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻特性會(huì)在特定溫度發(fā)生急劇變化，適合用于定溫度檢測(cè)或限制在較小的溫度范圍內(nèi)。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻主要為氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，當(dāng)溫度較低時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電子-空穴對(duì)兒數(shù)目較少，因此電阻較高。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻內(nèi)的電子-空穴對(duì)兒數(shù)量增加，因此導(dǎo)電率增加，電阻值下降。圖2為典型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻特性曲線(xiàn)，電阻和溫度之間的關(guān)系式如下：
R0、R 分別是環(huán)境溫度為T(mén)0、T(K) 絕對(duì)溫度時(shí)的電阻值。B是熱敏電阻的常數(shù)，B常數(shù)通常介于2500K至5000K范圍內(nèi)。
圖3為典型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的應(yīng)用電路。利用筆記本電腦嵌入式微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 所讀到的電壓值推算出NTC的電阻值，因而推算出環(huán)境溫度。利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻測(cè)量溫度時(shí)誤差很大，誤差來(lái)源包括NTC本身的誤差、提升電阻的誤差、偏壓電源 (VCC) 的誤差、ADC的誤差及測(cè)量噪聲所造成的誤差。從成本考慮，如果只考慮負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻本身的價(jià)格，這是一個(gè)廉價(jià)的解決方案。但若把偏壓電路和額外的ADC成本一并考慮進(jìn)去，成本可能增加。
集成溫度傳感器
集成溫度傳感器是目前筆記本電腦普遍采用的溫度傳感器，具有精確度高、響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、軟件界面控制方便等優(yōu)點(diǎn)。圖4為典型集成溫度傳感器框圖。溫度檢測(cè)的主要機(jī)制為集成溫度傳感器內(nèi)部的電流源和ADC，集成溫度傳感器的工作原理是利用半導(dǎo)體PN結(jié)正向壓降在不同的溫度下具有不同導(dǎo)通壓降的特性進(jìn)行溫度測(cè)量的。由半導(dǎo)體PN結(jié)伏-安特性曲線(xiàn)：
ID：二極管的正向電流，IS：二極管的反向飽和電流，VD：二極管的正向壓降。
n：二極管的理想因素(一般約為1)，k：波爾茲曼常數(shù) (1.38×10-23 joules/K)。
T：絕對(duì)溫度K，q：一個(gè)電子的電荷 (1.6×10-19 C)
因?yàn)椋虼宋覀兛梢詫⑹?(2) 簡(jiǎn)化為
集成溫度傳感器內(nèi)部的電流源會(huì)送出二個(gè)不同的電流，ADC在不同電流時(shí)讀出不同的二極管正向壓降。也就是當(dāng)電流源送出高電流IDH時(shí)，ADC讀數(shù)VDH。IDH和VDH的關(guān)系式為
當(dāng)電流源送出低電流IDL時(shí)，ADC讀數(shù)VDL。IDL和VDL的關(guān)系式為
將 (4) 式除以 (5) 式，可得到
將 (6) 式二邊取對(duì)數(shù)并作整理，我們可以得到
由于n、k和q為常數(shù)，而IDH和IDL由溫度傳感器內(nèi)部產(chǎn)生，因此由VDH和VDL的變化量我們就可以測(cè)出溫度。
遠(yuǎn)程二極管測(cè)量回路雜散電阻的影響
實(shí)際應(yīng)用中，用于遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)的二極管位于CPU或圖形處理芯片內(nèi)部，二極管內(nèi)阻及印刷電路板的寄生電阻會(huì)影響遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。假設(shè)遠(yuǎn)程二極管測(cè)量回路的等效寄生電阻為RP，當(dāng)電流源送出高電流IDH時(shí)，ADC實(shí)際讀到的電壓VADC_H為:
當(dāng)電流源送出低電流IDL時(shí)，ADC實(shí)際讀到的電壓VADC_L為
將 (8) 式和 (9) 式代入 (7) 式，我們可得到
由 (11) 式所得到的結(jié)果，當(dāng) (IDH – IDL)․RP 愈大時(shí)，溫度檢測(cè)誤差愈大。在此，我們以MAX6642為例，k、q、n由CPU內(nèi)部溫度檢測(cè)二極管決定，n ≈ 1.0080，由MAX6642的規(guī)格書(shū)可知：IDH =100uA、IDL =10uA，將這些參數(shù)代入 (11) 式，可得：
IDH、IDL的單位為mA，RP的單位為歐姆。在這個(gè)例子中，1歐姆的雜散電阻將造成0.45oK的溫度測(cè)量誤差。若IDH =200uA，IDL =20uA，則1歐姆的雜散電阻將造成0.9oK的溫度測(cè)量誤差。RP的大小與遠(yuǎn)程檢測(cè)二極管和印刷電路板的布線(xiàn)有關(guān)，印刷電路板布線(xiàn)必須盡可能降低印刷電路板銅箔所產(chǎn)生的寄生電阻。通常，遠(yuǎn)程二極管測(cè)量回路所造成的寄生電阻可能高達(dá)3至4歐姆。(IDH – IDL) 的大小則和集成溫度傳感器有關(guān)，不同的集成溫度傳感器具有不同的 (IDH – IDL) ，在集成溫度傳感器的選擇上，選擇小的 (IDH – IDL)有助于降低寄生電阻造成的溫度測(cè)量誤差。
此外，由前面的分析結(jié)果得知，1mV的電壓變化大約等效為5oK的溫度變化，因此，印刷電路板的布線(xiàn)對(duì)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確度有很大影響。一般溫度傳感器IC的電源輸入端均有一個(gè)RC低通濾波器，用以防止高頻噪聲的影響。在印刷電路板零件擺放時(shí)，RC濾波器應(yīng)該盡量放在靠近溫度傳感器IC電源輸入引腳的附近。另外，溫度傳感器IC應(yīng)盡量放在靠近溫度檢測(cè)二極管的位置。對(duì)于差分(DXP、DXN) 連接遠(yuǎn)程溫度二極管的布線(xiàn)一定要采用平行走線(xiàn)，同時(shí)這兩條平行布線(xiàn)要彼此靠近，并盡量遠(yuǎn)離磁性組件、高壓信號(hào)，避免高速信號(hào)的干擾。不當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季€(xiàn)可能導(dǎo)致30oK以上的溫度檢測(cè)誤差。
應(yīng)用實(shí)例
圖5為筆記本電腦普遍使用的一種溫度控制方案。溫度傳感器IC通過(guò)SMBus接口連接到筆記本電腦的嵌入式微控制器，由于溫度傳感器IC與嵌入式微控制器之間為數(shù)字接口，因此溫度傳感器IC在位置上可以遠(yuǎn)離嵌入式微控制器而不會(huì)有噪聲干擾問(wèn)題。MAX6649同時(shí)內(nèi)置一個(gè)本地溫度傳感器和用于連接遠(yuǎn)端二極管的差分接口。MAX6649的IDH =100uA，IDL =10uA，高精度、小電流的電流源可減小因雜散電阻所產(chǎn)生的測(cè)量誤差。差分輸入有助于降低噪聲干擾。圖5所示電路，溫度傳感器IC只負(fù)責(zé)溫度檢測(cè)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制由嵌入式微控制器完成，由軟件實(shí)現(xiàn)。為了避免軟件控制的死機(jī)問(wèn)題，MAX6649還集成了保護(hù)功能，當(dāng)溫度到達(dá)第一個(gè)高溫臨界點(diǎn)時(shí)，MAX6649 ALERT可發(fā)出中斷請(qǐng)求，要求嵌入式微控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如對(duì)處理器進(jìn)行降頻；如果上述對(duì)策仍無(wú)法有效抑制溫度的上升，當(dāng)溫度達(dá)到第二高溫臨界點(diǎn)時(shí)，MAX6649 OVERT可以用來(lái)控制系統(tǒng)的第二個(gè)風(fēng)扇或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)機(jī)。圖5具有低成本、高精度、使用彈性大等優(yōu)點(diǎn)，但在軟件的設(shè)計(jì)上需花費(fèi)較多的功夫。
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