摘要：冷卻風(fēng)扇是大功率芯片(如cpu、fpga和gpu)和系統(tǒng)的溫度管理中的重要部件。不幸的是，它們有時會帶來令使用者討厭的音頻噪聲。通過測量溫度并相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度，在溫度較低時可最大限度降低風(fēng)扇速度(和噪聲水平)，但是在最壞情況下為防止芯片損壞，要提高速度。本文討論了自動控制冷風(fēng)扇速度的兩種技術(shù)。

　　高速芯片通常會逐漸變熱。它們跑得越快就會越熱。新一代的高速數(shù)字芯片使用了更小尺寸的工藝，允許降低電源電壓，這會有一些幫助，但是晶體管數(shù)量的增加比電源電壓的降低要快，因此功率水平仍然在上升。

　　當(dāng)晶片溫度上升時，性能會受到影響。參數(shù)改變、最大工作頻率降低，而且定時超出規(guī)定。從用戶的角度來看，發(fā)生這些情況時，產(chǎn)品不再正常工作。因此，冷卻高速芯片的首要原因就是在盡可能長的工作時間和最寬的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持良好的性能。滿足參數(shù)規(guī)范的條件下，高速芯片的最大允許溫度取決于工藝和芯片的設(shè)計方法(芯片工作在何種“接近邊緣”的程度)，以及其他一些因素。晶片典型的最大溫度范圍是+90°c至+130°c。

　　超出性能開始惡化的臨界點工作時，過高的晶片溫度會給晶片造成災(zāi)難性的損害。最大晶片溫度通常遠高于+120°c，并且由諸如工藝、封裝和處于高溫條件的時間等因素而定。因此，高速芯片需要被冷卻以免達到性能惡化和導(dǎo)致永久性損壞的溫度。

　　高速芯片很少使用單一的冷卻技術(shù)。實際上，一般需要結(jié)合多種技術(shù)以確保高性能和持續(xù)可靠性。散熱片、熱管、風(fēng)扇和時鐘節(jié)流是高速芯片最常用的冷卻手段。最后兩個，風(fēng)扇和時鐘節(jié)流，能夠幫助解決熱問題，但它們會引入自身的問題。

　　風(fēng)扇能大幅度地降低高速芯片的溫度，但它們也能產(chǎn)生大量的音頻噪聲。全速運轉(zhuǎn)的冷卻風(fēng)扇的噪聲會令很多消費者厭煩，也正成為政府機構(gòu)所關(guān)心的問題，即工作場所中為時已久的噪聲效應(yīng)。根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度能明顯地降低風(fēng)扇噪聲；當(dāng)溫度低時，風(fēng)扇可緩慢運轉(zhuǎn)(可非常安靜)，當(dāng)溫度上升時，則加速運轉(zhuǎn)。

　　時鐘節(jié)流—降低時鐘速度來減少功耗—通過降低系統(tǒng)性能來發(fā)揮作用。當(dāng)時鐘被節(jié)流時，系統(tǒng)繼續(xù)工作，但是在降低的速度下工作。很明顯，在高性能系統(tǒng)中，只有在絕對需要時，即溫度達到將停止工作時刻時，才能實行節(jié)流。

　　基于溫度控制風(fēng)扇速度或時鐘節(jié)流需要首先測量高速芯片的溫度。這可通過靠近目標芯片——直接相鄰或有時在下面、或在散熱片上放置一個溫度傳感器來實現(xiàn)。這種方式測量出的溫度與高速芯片的溫度相對應(yīng)，但明顯偏低(相差多達30°c)，并且測量溫度和晶片溫度之間的差異會隨著功耗的增加而增大。因此，電路板或散熱片的溫度必須與高速芯片的溫度相關(guān)起來。

　　對于許多高速芯片，有更好的解決方案。許多cpu、圖像芯片、fpga和其它高速ic包含了一個“熱二極管”，實際上是連接為二極管的雙極型晶體管，位于晶片上。將遠程二極管溫度傳感器與此熱二極管相連，能夠直接測出極其精確的高速芯片溫度。這不僅繞開了在ic封裝外測量溫度時所遇到的大溫度梯度問題，而且還消除了很長的熱時間常數(shù)問題，從幾秒到幾分鐘，提高了對于晶片溫度變化的響應(yīng)速度。

　　對于風(fēng)扇控制的需求迫使設(shè)計者做出幾個關(guān)鍵選擇。第一個選擇是調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度的方法。調(diào)節(jié)無刷直流風(fēng)扇速度的常用方法是調(diào)整風(fēng)扇的電源電壓。這種方法可在電源電壓最低到額定值的40%時很好地工作。但有一個缺點。如果使用線性調(diào)節(jié)器件來改變電源電壓的話，則效率很低。使用開關(guān)電源可以獲得更好的效率，但會增加成本和元件數(shù)量。

　　另外一個流行的風(fēng)扇速度控制技術(shù)是用一個低頻pwm信號驅(qū)動風(fēng)扇，一般在30hz范圍內(nèi)，通過調(diào)整該信號的占空比來調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度。因為只用單個小開關(guān)管，因而這種方案的成本低廉。由于晶體管作為開關(guān)使用，所以效率很高�？墒�，該法的不足之處就是風(fēng)扇會多少有些噪聲，這是由脈沖方式的電源引起的。pwm波形的快速邊沿會引起風(fēng)扇的機械結(jié)構(gòu)移動(有點像設(shè)計很差的揚聲器)，因而產(chǎn)生聽得見的噪聲。

　　另外一個風(fēng)扇控制的設(shè)計選擇是是否測量風(fēng)扇速度，以便作為控制策略的一部分。除了電源和地，許多風(fēng)扇都有第三根線，該線向風(fēng)扇控制電路提供“轉(zhuǎn)速計”信號。轉(zhuǎn)速計輸出在風(fēng)扇每旋轉(zhuǎn)一圈時產(chǎn)生特定數(shù)量的脈沖(例如兩個脈沖)。一些風(fēng)扇控制電路將這種轉(zhuǎn)速計信號作為反饋，調(diào)節(jié)風(fēng)扇電壓或pwm占空比以獲得期望的rpm。更簡單的方法是忽略任何轉(zhuǎn)速計信號，只調(diào)節(jié)風(fēng)扇驅(qū)動加速或減速。該方案的速度控制精度較小，但成本更低，并且至少省卻了一個反饋環(huán)，簡化了控制系統(tǒng)。

　　在一些系統(tǒng)中，限制風(fēng)扇速度的變化速率也很重要。當(dāng)系統(tǒng)與用戶非常接近時，這一點尤其重要。有些情況下簡單地開關(guān)風(fēng)扇或當(dāng)溫度變化時立即改變速度是可接受的。可是，當(dāng)用戶就在附近時，風(fēng)扇噪聲的突然變化會格外顯著且令人討厭。將風(fēng)扇驅(qū)動信號的變化率限制在一定限度以內(nèi)(如1%每秒)會最大限度降低風(fēng)