基于溫度傳感器的PC散熱解決方案

現在PC和筆記本電腦所追求的重點，不外是執行速度愈來愈快，功能愈來愈多。執行速度愈來愈快代表著單一芯片的工作頻率愈來愈高，功率損耗也愈來愈大；而功能愈來愈多，意味著許多我們能夠想到的功能的芯片，都被廠商放到主機板上面了。

　　 速度變快和功能變多的結果就是電源功率需求也變得愈來愈高，從最初的100W到現在的250W/350W。換句話說，整個電腦系統也愈來愈熱，散熱的需求也愈來愈普遍。在構思散熱方案的同時，準確地偵測系統或單一芯片的溫度也格外地重要。否則，就可能會產生散熱系統在低溫的時候啟動，但在高溫的環境中關閉功能，不僅達不到散熱的效果，甚至會使系統不正常地損壞。

　　 那么，究竟在PC中最主要的熱量產生的來源有哪些呢？了解熱源和為什么會發熱以后，我們便可以為它們找到解決方案。

　　 (1) CPU
　　 現在無論是Intel的Pentium 3和Pentium 4，還是AMD的K7CPU都已經超過1GHz。這意味著：如果沒有良好的散熱的解決方案，在短短數秒鐘內，將有可能導致系統被燒壞。(詳情請參考httP://www6.tomshardware.com/cpu/01q3/010917/index.html)

　　 (2) 繪圖芯片或3D加速芯片
　　 隨著視覺效果的需求，繪圖芯片和電腦游戲所依賴的加速芯片功能變得強大、設計很復雜且執行頻率也變很高，所以繪圖芯片是主機板上產生熱量的第二大來源。

　　 (3)電源供應器
　　 自從交換式電源供應器普及后，變壓器已經不再是電源部份的主要熱量產生來源，而是做大電流切換的Power MOSFET。

　　 (4)系統內部的熱流(機殼內部)
　　 我們一般人都會想到PC的機殼那么大，內部的溫度再高也高不到哪里去。可是常規的半導體元件都只保證可在0~70°C之間工作，若系統內部的散熱不良或散熱裝置工作不佳的話，也會造成系統的不穩定，甚至死機。

　　 (5)PCMCIA卡
　　 由于PCMCIA控制芯片的負擔并不大，所以不會發出許多熱量，但真正的兇手是PCMCIA卡本身。理論上，包著鐵殼的薄卡片是最容易散熱的，但是因為PCMCIA卡是完全密合地插入筆記本電腦中，所以沒有辦法直接散熱到外面空氣中。

　　 (6)導熱管(Heat Pipe)
　　 本來導熱管的發明就是要將熱量從CPU帶到電腦外部，但是導熱管本身也會耗電，再加上出口地方的風扇沒有轉動的情形下，導熱管就會變成另一號危險來源。由于它橫跨的區域很大，所以傷害性相對也更大。

　　 (7) 其他PC周邊設備
　　 如：光碟機、硬碟機、和噴墨／雷射印表機都是容易發熱的裝置。減少熱量和降低溫度的方法

　　 減少熱量和降低溫度的方法

　　 方法一：減少主機板上的每一個芯片的功耗

　　 這可以從兩方面著手：第一，從芯片設計上動腦筋，也就是減少邏輯門的總數目(Gate Count)。第二，從半導體制程(Process)上改善。然而，一旦功能確定以后，能夠減少的邏輯門數目便很有限；換句話說，再笨的研發團隊也不致于設計出比別人大20%以上的芯片。于是，我們只能盡可能往制程上努力。如果，我們可以不斷地往次微米(Sub-micro)的制程推進，芯片的工作電壓便可以由5V，降到3.3/3V，甚至可低到2.5V或者1.8V，電源功率消耗至少可以減少二倍至三倍以上。
　　 可是，由于改變的是半導體制程，所以研發的時程相對也拉長很多，并且證驗費用和初期生產成本都會提高。

　　 方法二：降低執行頻率
　　 在相同的數位電路中，電源消耗和工作頻率是成正比的。所以，頻率愈高則消耗的功率也愈高。如果，我們不讓芯片有那么快的頻率，系統就自然不會產生那么多的熱量。這完全不需要額外的成本就可以達到，是省成本的解決方案。但是，使用者會買這個等級的PC就是希望能夠執行得夠快，若降低頻率來執行，不見得會被客戶或使用者所接受。

　　 方法三：利用風扇帶走熱量
　　 我們在家里或辦公室中，若天氣實在太熱了，最簡單有效的方法就是裝一臺冷氣機；沒有錢的話，也可以買一臺電風扇來吹走熱氣。利用這個概念，我們就可以為現在的電腦機種甚至舊電腦解決散熱問題，這并不會額外增加多少成本，更重要的是不需要改變整個芯片的設計和制程。

　　 然而，風扇的馬達也是相當耗電的，所以何時打開風扇及關掉風扇便是很重要的設計參數，否則我們是可以吹散熱氣，卻達不到省電的效果。

　　 解決方案
　　 雖然Intel極力想從CPU的設計和制程上的改善減少熱的問題，但是在沒有散熱系統的情形下還是會燒毀。可見方法三是現階段不能被取代的解決方案，然而風扇的開關控制和意外防患更需要溫度傳感器的協助才能完成。筆者從現在的PC機種所使用的解決方案，選取最具代表性的幾個，供讀者參考：
　　 ●CPU-LM86
　　 一般的溫度傳感器(無論是熱敏電阻或IC型溫度傳感器)都需要很長的時間才能夠將熱傳導到傳感器的核心部份。根據美國國家半導體內部的實驗結果，從CPU把熱傳導到空氣中，再從空氣傳導到溫度傳感器中，這個過程至少需要20分鐘以上的時間。如果，散熱片(Heat Sink)沒裝好或風扇不轉，那么不到二分鐘，CPU就會和被燒壞。

　　 所以，CPU廠商將一顆3904埋入芯片中，我們稱這顆3904為Remote Diode，因為它離溫度傳感器本身很遠。在短短幾個毫秒(mini-second)中，溫度傳感器便能精確地偵測到CPU內部的溫度了。現在的技術要能做到1°C的精確度已經不是很難的事，而且會變成PC和筆記本電腦的一個重要的趨勢。

　　 在LM86(圖1)的運用實例中，通常T_CRIT_A的輸出信號會被用做過溫度保護的功能，我們稱之為溫度保護。好處是當Windows或某一個應用程式造成系統死機時，LM86還能保護整個系統。而Alert這個輸出信號便可以做為軟件中斷，以達到ACPI規格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的Remote Diode之外，本身內部還有一顆傳感器，可以感測LM86所在的溫度。所以，前面所提到的PC的系統溫度和筆記本電腦的導熱管，便可以使用LM86的本地傳感器來偵測，不需要再花額外的成本去買另外一顆溫度傳感器。

　　 ●繪圖芯片或3D加速芯片-LM26，LM88
　　 通常繪圖芯片也是不能被降頻來執行的，否則畫面會變成慢動作播放一般。那最好的方法還是加一顆散熱風扇。在這里就有兩個方式來啟動和關閉風扇，第一個是便宜的做法，用LM26來偵測溫度(如圖2)，等達到某一個界限時便啟動風扇，若溫度降下來，便自動關閉風扇。第二是采用LM88來設計4段變速風扇控制器(如圖3)，讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉速。

　　 ● PCMCIA-LM88
　　 LM88本身并不是用來做風扇的4段變速控制器，而是能同時偵測二個待測物。一般筆記本電腦的PCMCIA插槽都有兩個，所以LM88是用來偵測PCMCIA的最佳選擇。由于LM88不需要用軟件來控制，所以我們不用擔心Windows死機或藍螢幕(Blue Screen)的問題。

　　 結　語
　　 雖然溫度傳感器在PC和筆記本電腦中毫不起眼，沒有工程師會去注意它的重要性，更不用說使用者能感覺到它的存在。但是，對整個系統芯片來說，它扮演著重要的保護角色，就像人們背后的天使總是默默守護著系統的安全和穩定性。

原作者：美國國家半導體亞太區產品應用經理 吳天佑