利用LM85芯片為處理器提供獨(dú)立式扇速控制

Application Brief Autonomous Fan Control For Processor Systems Using the LM85
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司　Emmy Denton
為了減低系統(tǒng)的維護(hù)成本，許多嵌入式微處理機(jī)系統(tǒng)都裝設(shè)了硬件監(jiān)視器，以提供基本的系統(tǒng)診斷功能。該項(xiàng)功能可以確保我們?cè)诎l(fā)生問題時(shí)，通知到工程人員前來解決問題，或者是更換正確的元件。系統(tǒng)診斷功能包括檢測(cè)供應(yīng)的電源是否出現(xiàn)過壓/欠壓情況、系統(tǒng)散熱扇是否出現(xiàn)故障以及系統(tǒng)元件是否過度受熱等。

由于處理器及其他元件在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱能，因此許多處理系統(tǒng)都需要加設(shè)散熱風(fēng)扇，但散熱風(fēng)扇會(huì)產(chǎn)生令用戶感到煩厭的噪音。目前有許多方法可以控制噪音音量，而最明顯的方法是控制扇速。

LM85 硬件監(jiān)視器可提供3組脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出，以便控制散熱扇驅(qū)動(dòng)電路。此外，LM85 芯片也可監(jiān)視5個(gè)不同的電源供應(yīng)的電壓、4個(gè)散熱扇轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出信號(hào)，以及一組處理器的電壓穩(wěn)壓器模塊 VID 輸出。

脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出可以根據(jù)3個(gè)不同的溫度區(qū)做自動(dòng)的調(diào)整。其中兩個(gè)區(qū)的溫度是由兩個(gè)已連接遠(yuǎn)程熱感二極管的晶體管負(fù)責(zé)感測(cè)，而第三區(qū)的溫度則是 LM85 芯片所在位置的溫度。

有關(guān)系統(tǒng)可以通過查詢功能直接向 LM85 芯片的狀態(tài)寄存器探詢，以確定出錯(cuò)的地方。LM85 芯片設(shè)有儲(chǔ)存測(cè)量數(shù)值的高低限值寄存器。某一量度數(shù)值可與高低限值加以比較，一經(jīng)核對(duì)比較之后，狀態(tài)寄存器內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)便會(huì)自動(dòng)設(shè)定或清除。

圖 1 顯示系統(tǒng)內(nèi) LM85 芯片的典型電路。LM85 芯片利用與 SMBus 2.0 接口兼容的簡(jiǎn)單雙線串行接口與系統(tǒng)進(jìn)行通信。有一點(diǎn)須注意，其中一個(gè)遠(yuǎn)程熱感二極管內(nèi)置于處理器的芯片內(nèi)。這款二極管是所有 CMOS 工藝技術(shù)都會(huì)采用的寄生 PNP。所不同的是這款二極管經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，可與 LM85 芯片搭配一起使用。這個(gè)二極管熱傳感器可以裝設(shè)于任何 CMOS 特殊應(yīng)用集成電路 (ASIC) 之內(nèi)，經(jīng)過調(diào)校之后便可配合 LM85 芯片一起運(yùn)作。

如欲查詢有關(guān)使用二極管熱傳感器時(shí)的誤差來源的進(jìn)一步資料，請(qǐng)參看標(biāo)題為 高性能處理器系統(tǒng)的熱能管理 的研討會(huì)存檔資料，

PWM 散熱扇驅(qū)動(dòng)電路采用簡(jiǎn)單的 2N2222 NPN 晶體管。由于 LM85 芯片可以提供4個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)輸入，但 PWM 輸出則只有3個(gè)，因此 PWM3 只好由兩個(gè)散熱扇共用。

這款電路的唯一缺點(diǎn)是 2N2222 在飽和后會(huì)出現(xiàn)壓降，令散熱扇因?yàn)椴荒塬@得足 12 伏電壓的支持而無法以最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)。只要采用金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 取代雙極晶體管，壓降情況便可獲得改善，但這樣會(huì)增加系統(tǒng)成本。另一個(gè)可行方法是裝設(shè)一個(gè)稍大的散熱扇，這個(gè)設(shè)計(jì)更有助減低散熱扇發(fā)出的噪音。利用轉(zhuǎn)速計(jì)輸出監(jiān)視扇速則會(huì)產(chǎn)生另一問題。若利用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸出將散熱扇的電源供應(yīng)截?cái)?，轉(zhuǎn)速計(jì)的信號(hào)則會(huì)被扭曲，尤其是當(dāng) PWM頻率較高及/或占空比較低時(shí)。由于關(guān)閉 2N2222 時(shí)接地將會(huì)轉(zhuǎn)往阻抗極高的負(fù)載，因此若 PWM 頻率很高及/或占空比很低，轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)也會(huì)被扭曲。圖 2 顯示過高的 PWM 頻率會(huì)引發(fā)甚么后果出現(xiàn)。圖中上半部分的信號(hào)跟蹤軌跡顯示 PWM 2N2222 集極至散熱扇的驅(qū)動(dòng)路線。圖中下半部分的信號(hào)跟蹤軌跡顯示散熱扇轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出。

LM85 芯片有兩個(gè)方法可以解決這個(gè)問題。例如，若采用 30 Hz 的 PWM 頻率，可準(zhǔn)確量度的最低速度約為 2500 RPM。但只要采用 LM85 芯片的獨(dú)特電路，這個(gè)最低速度可以大幅降低至 420 RPM 左右。

LM85 芯片的獨(dú)立式扇速控制建基于量度溫度與 PWM 輸出之間的線性關(guān)系。圖 3 顯示用以控制扇速的寄存器。 "扇速溫度極限" 是一個(gè)溫度的設(shè)定點(diǎn)，每當(dāng)溫度觸及這個(gè)設(shè)定點(diǎn)，PWM 輸出便會(huì)開始上升。"溫度范圍" 是指可以達(dá)到 100% PWM 的預(yù)先設(shè)定溫度范圍。PWM 可以按照線性的規(guī)律變動(dòng)，由設(shè)定為 "扇速溫度極限" 的最低水平增加至 100% (即 "扇速溫度極限" 加 "溫度范圍")。每當(dāng)溫度不斷下降，以至溫度讀數(shù)比 "扇速溫度極限 - 磁滯" 還要低時(shí)，PWM 輸出便會(huì)下降至最低的設(shè)定點(diǎn)。最低的 PWM 可以設(shè)于任何水平。若已超過了 "絕對(duì)極限"，其他兩個(gè) PWM 輸出會(huì)設(shè)定為 100% 占空比。每一 PWM 輸出可分配至任何溫度區(qū)，例如其中一個(gè)、兩個(gè)、或全部三個(gè)溫度區(qū)之中的最熱一個(gè)。

"扇速溫度極限 - 磁滯"
(0度至 15度)
(6Dh-6Eh)
"扇速溫度極限"
(67h-69h)
"扇速溫度極限" + "溫度范圍" (2度至 80度)
(5Fh-61h)
"絕對(duì)極限"
(6Ah-6Ch)
x 區(qū)最低 PWM 或關(guān)閉
PWM 占空度按照線性規(guī)律增加
PWM 占空度按照線性規(guī)律減少
x 區(qū)的 PWM 設(shè)定為 "最低扇速" (64h-66h)
x 區(qū)的 PWM 設(shè)定為 "最低扇速" (64h-66h)
x 區(qū)的 PWM 設(shè)定為 100%
各區(qū)的 PWM 設(shè)定為 100%