实现智能性热量管理的下一步
在电脑系统的散热设计中,有三大领域的工程师必须坐下来一起谈,他们是机构工程师、电子系统工程师及韧体工程师。机构工程师的任务最重,从机壳的造型、内部主机板上各元件的配置、出风口的规划,到散热效益的模拟验证等,都得有完整的考量,他们的专长是在机械与流体力学方面;电子系统工程师则要负责与电子系统相关的散热设计,主要工作在于对热源的温度量测,以及对风扇的控制规划;韧体工程师则要编写与韧体相关的散热执行指令。本文将从电子系统的面向来探讨散热管理的前瞻性技术。
■电子系统散热管理架构
在散热管理上,电子系统负责的工作虽然只有对温度的量测及对风扇的控制,但这却是整个散热系统中最核心的部分。温度感测与风扇控制的规划架构可以有很多种作法,好的规划对于整体的散热效益影响甚鉅;加上目前电脑系统中需侦测和控制温度的元件很多,在规划上必须考量如何进行最佳化的感测及控制电路？控制的模式为何？如何做到最精确的温度感测,以及对风扇做到智能性的控制？这些都是设计上很大的挑战。此外,今日Intel已推出不少散热管理的新技术,包括SST、DTS、PECI等,这些新技术都具有改善散热效益的优势,但工程师必须懂得如何运用这些技术,才能让它们的功能获得完善的表现。
■风扇控制
风扇是将热量从电源供应器、CPU和硬碟处移除的最基本方法。目前每个电脑用的风扇都使用一个无刷式（brushless）的DC马达,这种风扇的效率与马达控制的状况密切相关。无刷式DC风扇马达控制器提供更高等级的系统控制,它整合了一个马达控制驱动器,此驱动器能接收数字及模拟PWM信号,进而提供准确的空气流动和噪音控制。
传统的风扇马达只有两线的输出入控制,只具有接地（GND）和电压（12V）两个接脚,因此若不是将风扇一直打开,就只能基于恆温器（thermostat）型式的输入值,在超过某一特定温度时来打开风扇。进一步的作法是三线风扇,也就是多了一个接脚来传输转速计（tachometer;tach）信号。而Intel最新的作法是再多一个PWM输入接脚的四线风扇,此风扇把PWM的输入视为一个信号值,能在极高的PWM频率下运作,同时还会用到一个更高（kHz范围）PWM频率值。在这个设计中,马达的速度可以降低20％,但仍能可靠地启动。请参考（图一）。
▲图一：风扇的功能从二线进展到三线及四线功能。
■温度感测
所有的热量管理都是从温度的量测开始的。要做到温度量测,方式有很多,包括热电偶（thermocouple）、热敏电阻（thermistor）、温度阻抗型装置（resistance temperature device;RTD）和半导体感测器等。半导体感测器的温度系数较其他方案稍微高一些,在不同的温度时会有不同的偏置值（offset）,不过,半导体接合面电压（junction voltage）对应于温度的情况又比其他方案更具有线性化的特征。
另一种更先进的方法是使用二组电流再减去其电压差异来得出更为线性的ΔVbe。在今日的PC中,几乎所有的量测都使用ΔVbe技术,其中的一个二极管是处理器基板二极管（substrate diode）。当制程从90nm微缩到65nm或更小时,这个二极管变得愈来愈不是个理想的二极管,反而是一个可能造成准确性议题的不良电晶体,其增益beta值甚至会小于1。除了beta值的变异外,漏电也是问题的一部分。
为了改善这种问题,Intel推出低电压的两线数位式温度感测器（digital temperature sensor;DTS）,这颗DTS的温度感测电路会持续地监控内部温度二极管的基极－射极电压,以及连结到D+和D-接脚的远端二极管。这个晶片将两个模拟电压转换为数字值,并将此资料放到温度暂存器。使用与SMBus相容的序列式介面,用户就可以取得温度暂存器中的资料。请参考（图二）。
▲图二：包含内部ADC、SMBus输出和温度警示的DTS晶片区块图。
