techniky řízení rychlosti ventilátoru v počítačích

analogová zařízení nabízí komplexní sadu produktů pro monitorování hardwaru pro použití ve stolních a přenosných počítačích a serverech. Inteligentní systémy-monitorovací zařízení umožňují sofistikované techniky řízení otáček ventilátoru, které zajišťují dostatečné chlazení a udržují optimální tepelný výkon v systému. Během uplynulého roku byla vyvinuta řada produktů, včetně duálního regulátoru ventilátoru ADM1029 a monitoru teploty, kompletního dvoukanálového dálkového tepelného monitoru kompatibilního s ACPI ±1°C S integrovaným regulátorem ventilátoru pro jeden nebo dva nezávislé ventilátory. Staví na základní technologii používané v produktovém portfoliu PC System Monitor ADM102x (viz také analogový dialog 33-1 a 33-4). Tyto nové produkty poskytují regulaci otáček ventilátoru na základě teplot měřených v systému a nabízejí úplnější řešení pro správu tepla. Diskutujeme zde o potřebě této úrovně sofistikované kontroly a otázkách souvisejících s jejím poskytováním.

pozadí

jak nové tisíciletí svítá, procesory dosahují rychlosti 1 GHz a více. Jejich působivé zlepšení rychlosti a výkonu systému je doprovázeno vytvářením rostoucího množství tepla v strojích, které je používají. Potřeba bezpečně odvádět toto teplo spolu s pohyby ve výpočetním průmyslu za účelem vývoje “zelených počítačů” a uživatelsky přívětivých strojů (protože se internetové spotřebiče stávají hlavním proudem) vedla k potřebě a vývoji sofistikovanějších technik chlazení a tepelného řízení.

počítače se také začaly zmenšovat a méně konvenovat co do velikosti a tvaru-jak je vidět na kterémkoli z nejnovějších koncepčních počítačů nebo tenkých notebooků na trhu. SPECIFIKACE tuhého rozptylu energie, například ” pokyny pro mobilní napájení ’99” (Ref. 1) stanovte, kolik tepla může být bezpečně rozptýleno klávesnicí notebooku, aniž by to způsobilo nepohodlí uživatele. Přebytečné teplo musí být odváděno ze systému jinými prostředky, jako je konvekce podél tepelných trubek a desky rozmetadla tepla, nebo použití ventilátoru pro pohyb vzduchu systémem. Je zřejmé, že je zapotřebí inteligentní a efektivní přístup k řízení tepla, který lze přijmout univerzálně. Různé průmyslové skupiny se shromáždily, aby řešily tyto a další problémy, a vyvinuly standardy, jako je ACPI (advanced configuration and power interface) pro notebooky a IPMI (intelligent platform management interface) pro správu serverů.

průmyslové standardy

vývoj nových produktů pro řízení teploty / řízení rychlosti byl motivován standardy ACPI a IPMI. Advanced configuration and power interface-ACPI byl definován společností Intel, Microsoft a Toshiba především definovat a implementovat správu napájení v notebooku.

řízení spotřeby je definováno jako ” mechanismy v hardwaru a softwaru, které minimalizují spotřebu energie systému, řídí tepelné limity systému a maximalizují životnost baterie systému. Řízení spotřeby zahrnuje kompromisy mezi rychlostí systému, hlukem, výdrží baterie, rychlostí zpracování a spotřebou střídavého proudu.”

zvažte nejprve uživatele notebooku a PC, který zadává zprávy o výletu při letu přes oceány nebo kontinenty. Která charakteristika je důležitější, maximální výkon procesoru nebo prodloužená životnost baterie? V tak jednoduché aplikaci textového procesoru, kde je čas mezi úhozy uživatele téměř věčnost v hodinových cyklech CPU, maximální výkon procesoru není zdaleka tak kritický jako nepřetržitá dostupnost energie. Výkon procesoru lze tedy vyměnit za prodlouženou životnost baterie. Na druhou stranu zvažte uživatele, který chce sledovat nejnovější film Jamese Bonda v plném pohybu, na celou obrazovku, zvuk a jas, na digitálním univerzálním disku (DVD). Je důležité, aby systém pracoval na úrovni výkonu, aby dekódoval software dostatečně rychle, aniž by upustil obrazové nebo zvukové snímky. V této situaci nelze výkon procesoru ohrozit. Proto bude výroba tepla na nejvyšší úrovni a pozornost věnovaná řízení tepla bude mít zásadní význam pro dosažení špičkového výkonu bez narušení spolehlivosti. Zadejte ACPI.

co je tedy ACPI? ACPI je specifikace, která popisuje rozhraní mezi komponenty a jejich chování. Nejedná se o čistě softwarovou nebo hardwarovou specifikaci, protože popisuje, jak by měl interagovat software BIOS, software OS a systémový hardware.

SPECIFIKACE ACPI nastiňuje dva odlišné způsoby chlazení systému: pasivní chlazení a aktivní chlazení. Pasivní chlazení se spoléhá na software operačního systému (OS) a / nebo základního vstupního / výstupního systému (BIOS), aby se snížila spotřeba energie CPU, aby se snížil odvod tepla stroje. Jak toho lze dosáhnout? Inteligentními rozhodnutími, jako je vstup do režimu pozastavení, pokud po určité době nebyla zjištěna žádná stisk klávesy nebo jiná interakce uživatele. Nebo pokud systém provádí nějaké intenzivní výpočty, například zpracování 3D, a je nebezpečně horký, BIOS by se mohl rozhodnout škrtit (zpomalit) hodiny CPU. To by snížilo tepelný výkon ze stroje, ale za cenu celkového výkonu systému. Jaká je výhoda tohoto pasivního chlazení? Jeho výraznou výhodou je, že požadavek na napájení systému je tiše snížen (provoz ventilátoru není nutný), aby se snížila teplota systému, ale omezuje výkon.

takže, co aktivní chlazení? V aktivně chlazeném systému provádí software OS nebo BIOS přímou akci, například zapnutí ventilátoru namontovaného na CPU, aby ochladil procesor. Má tu výhodu, že zvýšený průtok vzduchu přes kovový slimák nebo chladič CPU umožňuje relativně rychle vytáhnout teplo z CPU. V pasivně chlazeném systému samotné škrcení CPU zabrání dalšímu zahřívání CPU, ale tepelný odpor chladiče vůči “klidnému vzduchu” může být poměrně velký, což znamená, že chladič by odváděl teplo do vzduchu poměrně pomalu, oddálení návratu k plnému zpracování. Systém využívající aktivní chlazení tak může kombinovat maximální výkon procesoru a rychlejší odvod tepla. Provoz ventilátoru však zavádí akustický šum do prostředí systému a čerpá více energie. Která chladicí technika je lepší? Ve skutečnosti záleží na aplikaci; všestranný stroj použije obě techniky k řešení různých okolností. ACPI nastiňuje techniky chlazení ve dvou různých režimech: režim výkonu a tichý režim. Oba režimy jsou porovnány na obrázcích 1 a 2.

Obrázky 1 a 2 jsou příklady teplotních stupnic, které ilustrují příslušné kompromisy mezi výkonem, akustickým šumem ventilátoru a spotřebou / rozptylem energie. Aby bylo zařízení pro správu systému kompatibilní s ACPI, mělo by být schopno signalizovat mezní přechody v intervalech 5°C nebo událostech SCI (system-control interrupt), že došlo k novému přírůstku teploty mimo limit. Tyto události poskytují mechanismus, pomocí kterého může operační systém sledovat teplotu systému a činit informovaná rozhodnutí o tom, zda škrtit hodiny CPU, zvýšit/snížit rychlost chladicího ventilátoru nebo podniknout drastičtější kroky. Jakmile teplota překročí nastavení zásad _CRT (critical temperature), systém bude vypnut jako bezpečný pro ochranu CPU. Další dvě nastavení zásad zobrazená na obrázcích 1 a 2 jsou _PSV (pasivní chlazení nebo škrcení hodin CPU) a _ACx. (aktivní chlazení, když se ventilátor zapne).

na obrázku 1 (výkonový režim) se chladicí ventilátor zapne při teplotě 50°C. pokud by teplota nadále stoupala nad 60°C, je zahájeno škrtení hodin. Toto chování maximalizuje výkon systému, protože systém je zpomalován pouze při vyšší teplotě. Na obrázku 2 (tichý režim) jsou hodiny CPU nejprve škrteny při 45 stupních C. pokud teplota stále stoupá,lze zapnout chladicí ventilátor při 60 stupních C. Tento režim se sníženým výkonem bude mít také tendenci prodlužovat životnost baterie, protože škrcení hodin snižuje spotřebu energie.

obrázek 3 ukazuje, jak mezní hodnoty pásem měření teploty sledují měření teploty. Každý mezní přechod vytváří přerušení.

SPECIFIKACE intelligent platform management interface (IPMI) (Ref. 2) přináší podobné funkce tepelné správy na servery. IPMI je zaměřen na snížení celkových nákladů na vlastnictví (TCO) serveru sledováním kritických parametrů “srdečního tepu” systému: teplota, napětí, otáčky ventilátoru a napájecí zdroje. Další motivací pro IPMI je potřeba interoperability mezi servery, usnadnit komunikaci mezi základovými deskami a podvozkem. IPMI je založen na použití 5-voltové sběrnice I2C se zprávami odeslanými ve formě paketů. Další informace o IPMI jsou k dispozici na webových stránkách společnosti Intel na adrese http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/.

Všichni členové rodiny analogových zařízení teplota a systémy-Monitoring (TSM) jsou kompatibilní s ACPI a IPMI.

monitorování teploty

předpokladem inteligentního řízení otáček ventilátoru v rámci PC je schopnost přesně měřit teplotu systému i procesoru. Použitá technika monitorování teploty byla předmětem mnoha článků (například viz analogový dialog 33-4.) a budou zde pouze krátce navštíveny. Všechna analogová zařízení systémová monitorovací zařízení používají techniku monitorování teploty známou jako thermal diode monitoring (TDM). Tato technika využívá skutečnosti, že dopředné napětí tranzistoru připojeného k diodě, provozované při konstantním proudu, vykazuje záporný teplotní koeficient, asi-2mV / °C. protože absolutní hodnota VBE se liší od zařízení k zařízení, Tato vlastnost sama o sobě není vhodná pro použití v sériově vyráběných zařízeních, protože každé z nich by vyžadovalo individuální kalibraci. V technice TDM postupně procházejí tranzistorem dva různé proudy a měří se změna napětí. Teplota souvisí s rozdílem VBE o:

ΔVBE = kt / q × ln(N)

kde:

k = Boltzmannova konstanta

q = velikost elektronového náboje

T = absolutní teplota v kelvinech

N = poměr obou proudů

v každém CPU je nejdůležitější teplota “hot spot” na matrici. Všechny ostatní teploty v systému (včetně teploty chladiče) zpomalí nárůst této teploty. Z tohoto důvodu prakticky každý procesor (vyráběný od raných procesorů Intel Pentium II) obsahuje strategicky umístěný tranzistor na své matrici pro tepelné monitorování. Dává skutečný, v podstatě okamžitý, profil teploty matrice. Obrázek 5 ukazuje teplotní profily v systému, který opakovaně vstupuje a probouzí se z režimu pozastavení. Porovnává teploty měřené termistorem připojeným k chladiči CPU a tepelnou diodou substrátu. V krátkém intervalu, kdy se skutečná teplota matrice mění sem a tam asi o 13 stupňů, termistor chladiče nemůže cítit žádnou změnu.

regulace teploty na ventilátor

s přesným způsobem monitorování teploty lze zavést účinnou kontrolu ventilátoru! Technika, obecně, je použít TDM k měření teploty, se snímacím tranzistorem integrovaným na čipu nebo externě umístěným co nejblíže horkému místu, a nastavení rychlosti ventilátoru na úrovni, která zajistí dostatečný transport tepla při této teplotě. Různé provozní parametry řídicí smyčky budou Programovatelné, jako je minimální rychlost, teplota spouštění ventilátoru, rychlost versus teplotní sklon a zapnutí / vypnutí Hystereze. Popsané přístupy řízení rychlosti budou zahrnovat on-off, spojitou (“lineární”) a pulzně šířkovou modulaci (PWM).

metody řízení ventilátoru: Historicky je rozsah přístupů k řízení otáček ventilátoru v PC od jednoduchého ovládání zapnutí a vypnutí až po řízení teploty a rychlosti ventilátoru v uzavřené smyčce.

dvoustupňové ovládání: toto byla nejstarší forma regulace otáček ventilátoru přijatá v počítačích. Systém BIOS by změřil teplotu systému (původně pomocí termistoru v těsné blízkosti CPU) a rozhodl se, zda zcela zapne nebo vypne chladicí ventilátor. Později počítače používaly přesnější teplotní monitory založené na TDM k implementaci stejného dvoustupňového ovládání ventilátoru.

třístupňové ovládání: Systém BIOS nebo operační systém znovu měří teplotu pomocí termistoru nebo tepelné diody a na základě nastavení softwaru se rozhodne, zda ventilátor zcela zapne, zcela vypne nebo nastaví na poloviční rychlost.

Lineární regulace otáček ventilátoru: tato novější metoda regulace otáček ventilátoru je také známá jako řízení napětí. BIOS nebo OS čte teplotu z měřicího obvodu TDM a zapisuje bajt do DAC na čipu, pro nastavení výstupního napětí za účelem řízení rychlosti ventilátoru. Příkladem řadiče IC ventilátoru tohoto typu je ADM1022, který má 8bitový DAC na čipu s rozsahem výstupního napětí 0 V až 2,5 V. pracuje s externím zesilovačem vyrovnávací paměti, který má odpovídající konstrukční hodnocení pro vybraný ventilátor. Adm1022 také obsahuje výchozí automatické hardwarové vypínací body, které způsobují, že ventilátor je poháněn plnou rychlostí v případě, že jeho TDM obvod detekuje nadměrnou teplotu. Debut těchto typů zařízení znamenal vznik automatického řízení otáček ventilátoru, kde se část rozhodování přesouvá ze softwaru OS na hardware pro monitorování systému.

Pulse-width-modulation (PWM) fan-speed control: v Adi systémy monitorování produktové řady, tyto typy PWM jsou nejnovější řídicí ventilátor produkty. Systém BIOS nebo OS může číst teplotu ze zařízení TDM a řídit rychlost chladicího ventilátoru úpravou pracovního cyklu PWM, který je na něj aplikován.

stojí za zmínku, že všechny výše uvedené metody regulace otáček ventilátoru se spoléhají na zásah CPU nebo hostitele, aby se odečetla teplota ze zařízení TDM přes sběrnici správy systému 2-wire. Software pro správu tepla provedený CPU pak musí rozhodnout, jaká by měla být rychlost ventilátoru, a zapsat zpět hodnotu do registru na IC monitor systems, aby se nastavila vhodná rychlost ventilátoru.

zřejmým dalším krokem ve vývoji regulace otáček ventilátoru je zavedení automatické smyčky regulace otáček ventilátoru, která by se mohla chovat nezávisle na softwaru a provozovat ventilátor optimální rychlostí pro danou teplotu čipu. Takové řízení rychlosti v uzavřené smyčce má mnoho výhod.

jakmile je zařízení pro monitorování systémů inicializováno (načtením mezních registrů s požadovanými parametry), řídicí smyčka je pak zcela nezávislá na softwaru a IC může reagovat na změny teploty bez zásahu hostitele. Tato funkce je zvláště žádoucí, když dojde k katastrofickému selhání systému, ze kterého se systém nemůže zotavit. Pokud dojde k selhání počítače, software pro správu napájení v operačním systému již není spuštěn, což má za následek ztrátu tepelné správy! Pokud počítač nedokáže přečíst měřenou teplotu (protože počítač havaroval), nelze očekávat, že nastaví správnou rychlost ventilátoru tak, aby poskytla požadovanou úroveň chlazení.

další hmatatelnou výhodou implementace uzavřené smyčky je to, že bude pracovat s ventilátorem při optimální rychlosti pro jakoukoli danou teplotu. To znamená, že se sníží jak akustický hluk, tak spotřeba energie. Provoz ventilátoru při plné rychlosti maximalizuje spotřebu energie i akustický hluk. Pokud lze rychlost ventilátoru efektivně řídit optimalizací smyčky, běží pouze tak rychle, jak je potřeba pro danou teplotu, sníží se odtok energie a zvukový hluk ventilátoru. To je naprosto kritický požadavek v bateriově napájených aplikacích pro notebooky, kde každý miliampér proudu (nebo miliamp sekund nabíjení) je vzácnou komoditou.

Automatická smyčka regulace otáček ventilátoru

zde je návod, jak lze implementovat automatickou smyčku regulace otáček ventilátoru, která bude měřit teplotu pomocí technik TDM a vhodně nastavit otáčky ventilátoru jako funkci teploty. Programovatelné parametry umožňují úplnější ovládání smyčky. První naprogramovaná hodnota registru je TMIN. Jedná se o teplotu (odpovídající ACx), při které se ventilátor nejprve zapne a kde začne regulace otáček ventilátoru. Rychlost se na okamžik nastaví na maximum, aby se ventilátor rozběhl ,a poté se vrátí k nastavení minimální rychlosti (viz obrázek 6). Parametr, který umožňuje řízení sklonu funkce rychlosti teploty k ventilátoru, je rozsah od TMAX do TMIN nebo TRANGE. Naprogramované hodnoty pro TMIN a TRANGE definují teplotu, při které ventilátor dosáhne maximálních otáček, tj. TMAX = TMIN + TRANGE. Programovaný teplotní rozsah je volitelný: 5& de; C, 10°C, 20°C, 40°C a 80°C. Aby se zabránilo rychlému zapínání a vypínání na kole v blízkosti TMIN, používá se Hystereze ke stanovení teploty pod TMIN, při které je ventilátor vypnutý. Množství Hystereze, které lze naprogramovat do smyčky, je 1°C až 15°C. Tato řídicí smyčka ventilátoru může být kontrolována softwarem OS přes SMBus a PC se může kdykoli rozhodnout přepsat řídicí smyčku.

PWM vs. Lineární regulace otáček ventilátoru

jeden by se mohl zeptat, proč je modulace šířky pulsu žádoucí, pokud je lineární regulace otáček ventilátoru již široce používána.

zvažte pohon ventilátoru 12 V pomocí lineární regulace otáček ventilátoru. Jak se napětí aplikované na ventilátor pomalu zvyšuje z 0 V na přibližně 8 V, ventilátor se začne otáčet. Jak se napětí na ventilátoru dále zvyšuje, otáčky ventilátoru se budou zvyšovat, dokud nebude běžet při maximální rychlosti při jízdě s 12 V. ventilátor 12-V má tedy efektivní provozní okno mezi 8 V a 12 V; s rozsahem pouze 4 v K dispozici pro použití v regulaci rychlosti.

situace se ještě zhoršuje s ventilátorem 5-V, který by byl použit s notebookem. Ventilátor se nespustí, dokud není aplikované napětí asi 4 V. nad 4 V, ventilátor bude mít tendenci se otáčet v blízkosti plné rychlosti,takže mezi 4 a 5 volty je k dispozici malá regulace rychlosti. Lineární regulace otáček ventilátoru je tedy nevhodná pro ovládání většiny typů ventilátorů 5V.

s pulzně šířkovou modulací (PWM) je aplikováno maximální napětí pro řízené intervaly (pracovní cyklus čtvercové vlny, obvykle při 30 až 100 Hz). Vzhledem k tomu, že tento pracovní cyklus, nebo poměr vysokého času k nízkému času, se mění, rychlost ventilátoru se změní.

při těchto frekvencích jsou z ventilátoru přijímány čisté tachometrické impulsy, což umožňuje spolehlivé měření otáček ventilátoru. Jak se frekvence pohonu zvyšují, existují problémy s nedostatečnými tachovými pulzy pro přesné měření, pak akustický šum, a nakonec elektrické hroty poškozující signál tach. Proto většina aplikací PWM používá k pohonu ventilátoru nízkofrekvenční buzení. Externí obvody pohonu PWM jsou poměrně jednoduché. 7) pomocí jediného externího tranzistoru nebo MOSFETu pro pohon ventilátoru. Lineární ekvivalent regulace otáček ventilátoru, poháněn analogovým rychlostním napětím, vyžaduje op zesilovač, průchodový tranzistor, a pár odporů pro nastavení zisku op-amp.

jak se měří otáčky ventilátoru? 3vodičový ventilátor má výstup tach, který obvykle vydává 1, 2 nebo 4 tach impulsy na otáčku, v závislosti na modelu ventilátoru. Tento digitální tach signál je pak přímo aplikován na vstup tach na zařízení pro monitorování systémů. Tachové pulzy se nepočítají, protože ventilátor běží relativně pomalu, a akumulace velkého počtu tachových pulsů pro spolehlivé měření rychlosti ventilátoru by vyžadovala značné množství času. Místo toho se tach pulzy používají k bráně oscilátoru na čipu běžícího na 22,5 kHz až k čítači (viz Obrázek 8). Ve skutečnosti se měří tachová perioda pro stanovení rychlosti ventilátoru. Vysoký počet v registru hodnot tach označuje ventilátor běžící při nízkých otáčkách(a naopak). K detekci přilepených nebo zastavených ventilátorů se používá limitní registr.

jaké další problémy jsou s regulací otáček ventilátoru?

při ovládání ventilátoru pomocí PWM je minimální pracovní cyklus pro spolehlivý nepřetržitý provoz ventilátoru přibližně 33%. Ventilátor se však nespustí při 33% pracovním cyklu, protože není k dispozici dostatek energie k překonání jeho setrvačnosti. Jak je uvedeno v diskusi na obrázku 6, řešením tohoto problému je otáčení ventilátoru po dobu 2 sekund při spuštění. Pokud musí být ventilátor spuštěn při minimální rychlosti, může být pracovní cyklus PWM po otočení ventilátoru snížen na 33% a je chráněn před zastavením hysterezí.

Fan stánky & failures Fan

přesto může nastat možnost, že ventilátor může zastavit v určitém čase při použití v systému. Příčiny mohou zahrnovat ventilátor pracující příliš pomalu, nebo nahromadění prachu zabraňující jeho otáčení. Z tohoto důvodu mají monitory Analog Devices systems mechanismus na čipu založený na výstupu tach ventilátoru pro detekci a restart zastaveného ventilátoru. Pokud nejsou přijímány žádné tach pulzy, hodnota v registru hodnot Tach překročí limit v registru limitů Tach a bude nastaven příznak chyby. To způsobí, že se ovladač pokusí restartovat ventilátor pokusem o jeho otočení po dobu 2 sekund. Pokud ventilátor pokračuje v selhání, po dobu až 5 pokusů o restartování je potvrzeno katastrofické selhání ventilátoru a pin FAN_FAULT bude tvrdit, že varuje systém, že ventilátor selhal. V systémech se dvěma ventilátory s dvojitým regulátorem může být druhý ventilátor otočen-až do plné rychlosti, aby se pokusil kompenzovat ztrátu proudění vzduchu v důsledku selhání prvního ventilátoru.

shrnutí

vynikající řešení pro správu tepla jsou nadále vyvíjena a nabízena výpočetnímu průmyslu analogovými zařízeními. Techniky vyvinuté pro adm1029, ADM1030 / 31 a ADM1026 posouvají řízení tepla v rámci PC na novou úroveň. Tato zařízení jsou vybavena funkcemi, jako je monitorování teploty, automatická regulace teploty v hardwaru, měření rychlosti ventilátoru, podpora záložních a redundantních ventilátorů, detekce přítomnosti ventilátoru a poruch ventilátoru, programovatelná frekvence PWM a pracovní cyklus. Vzhledem k tomu, že se pokyny pro napájení stávají přísnějšími a počítače běží výrazně tepleji, vyvíjejí se sofistikovanější techniky měření teploty a regulace otáček ventilátoru pro efektivnější správu systémů budoucnosti.