Blæserhastighedskontrolteknikker i pc’ er

analoge enheder tilbyder et omfattende sæt udstyrsovervågningsprodukter til brug på stationære og bærbare pc ‘ er og servere. Intelligente systemer-overvågningsenheder muliggør sofistikerede blæserhastighedskontrolteknikker for at give tilstrækkelig køling og opretholde optimal termisk ydeevne i systemet. I løbet af det sidste år er der udviklet en familie af produkter, herunder ADM1029 dual fan Controller og temperaturmonitor, ADM1026 og ADM1030/31 komplet, ACPI-kompatibel, Dobbeltkanalslange med to kanaler med en eller to uafhængige ventilatorer. De bygger på den kerneteknologi, der anvendes i produktporteføljen ADM102 PC System Monitor (se også Analog dialog 33-1 og 33-4). Med blæserhastighedskontrol baseret på de temperaturer, der måles i systemet, tilbyder disse nye produkter mere komplette termiske styringsløsninger. Vi diskuterer her behovet for dette niveau af sofistikeret kontrol og de problemer, der er forbundet med at levere det.

baggrund

efterhånden som det nye årtusinde går op, opnår processorer hastigheder på 1 GG Og mere. Deres imponerende forbedringer i hastighed og systemydelse ledsages af generering af stigende mængder varme i de maskiner, der bruger dem. Behovet for sikkert at sprede denne varme sammen med bevægelser i computerindustrien for at udvikle “grønne pc ‘er” og brugervenlige maskiner (efterhånden som internetapparater bliver mainstream) har drevet behovet for og udviklingen af mere sofistikerede køle-og termiske styringsteknikker.

pc ‘er er også begyndt at blive mindre og mindre konventionelle i størrelse og form-som det kan ses i nogen af de nyeste koncept-pc’ er eller slanke notebooks på markedet. Stiv strømafledning specifikationer såsom “mobile strøm retningslinjer’ 99 ” (Ref. 1) Angiv, hvor meget varme der sikkert kan spredes gennem en notebookens tastatur uden at forårsage ubehag for brugeren. Enhver overskydende varme skal kanaliseres ud fra systemet på andre måder, såsom konvektion langs varmeledninger og en varmesprederplade, eller brug af en ventilator til at bevæge luft gennem systemet. Det er klart, at der er behov for en intelligent, effektiv tilgang til termisk styring, der kan vedtages universelt. Forskellige branchegrupper er samlet for at løse disse og andre problemer og har udviklet standarder som ACPI (avanceret konfiguration og strømgrænseflade) til bærbare pc ‘ er og IPMI (intelligent platform management interface) til serverstyring.

industristandarder

udviklingen af de nye termiske styrings – /hastighedskontrolprodukter var motiveret af ACPI-og IPMI-standarderne. Den avancerede konfiguration og strømgrænseflade-ACPI blev defineret af Intel, Microsoft og Toshiba primært for at definere og implementere strømstyring inden for bærbare PC ‘ er.

strømstyring er defineret som “mekanismer i udstyr og programmer for at minimere systemets strømforbrug, styre systemets termiske grænser og maksimere systemets batterilevetid. Strømstyring involverer afvejninger mellem systemhastighed, støj, batterilevetid, behandlingshastighed og vekselstrømforbrug.”

overvej først en notebook-PC-bruger, der skriver turrapporter, mens han flyver over oceaner eller kontinenter. Hvilken egenskab er vigtigere, maksimal CPU-ydelse eller øget batterilevetid? I en så simpel tekstbehandlingsprogram, hvor tiden mellem en brugers tastetryk næsten er en evighed i CPU-urcyklusser, er maksimal CPU-ydelse ikke nær så kritisk som kontinuerlig tilgængelighed af strøm. Så CPU-ydeevne kan handles mod øget batterilevetid. På den anden side skal du overveje den bruger, der ønsker at se den nyeste James Bond-film i fuld bevægelse, fuldskærm, mind-bedøvende lyd og lysstyrke på digital alsidig disk (DVD). Det er afgørende, at systemet fungerer på et niveau af ydeevne for at afkode programmet hurtigt nok uden at tabe billed-eller lydrammer. I denne situation kan CPU-ydeevne ikke kompromitteres. Derfor vil varmegenerering være på øverste niveauer, og opmærksomhed på termisk styring vil være af afgørende betydning for at opnå topydelse uden at forringe pålideligheden. Indtast ACPI.

hvad er så ACPI? ACPI er en specifikation, der beskriver grænsefladen mellem komponenter og hvordan de opfører sig. Det er ikke et rent program eller udstyrsspecifikation, da det beskriver, hvordan BIOS-programmet, OS-programmet og systemudstyret skal interagere.

ACPI-specifikationen beskriver to forskellige metoder til systemkøling: passiv køling og aktiv køling. Passiv køling er afhængig af operativsystemet (OS) og/eller grundlæggende input / output-system (BIOS) for at reducere CPU-strømforbruget for at reducere maskinens varmeafledning. Hvordan kan dette opnås? Ved at tage intelligente beslutninger, såsom at gå i Suspenderingstilstand, hvis der ikke er registreret tastetryk eller anden brugerinteraktion efter et bestemt tidspunkt. Eller hvis systemet laver nogle intensive beregninger, såsom 3D-behandling, og bliver farligt varmt, kan BIOS beslutte at gasspjæld (sænke) CPU-uret. Dette ville reducere den termiske effekt fra maskinen, men på bekostning af den samlede systemydelse. Hvad er fordelen ved denne passive type køling? Dens klare fordel er, at systemets strømbehov sænkes lydløst (ventilatordrift er ikke påkrævet) for at reducere systemets temperatur, men det begrænser ydeevnen.

så hvad med aktiv køling? I et aktivt afkølet system tager OS-eller BIOS-programmet en direkte handling, såsom at tænde en CPU-monteret ventilator, for at afkøle processoren. Det har den fordel, at den øgede luftstrøm over CPU ‘ens metal slug eller køleplade gør det muligt at trække varmen ud af CPU’ en relativt hurtigt. I et passivt afkølet system vil CPU-throttling alene forhindre yderligere opvarmning af CPU ‘ en, men kølelegemets termiske modstand mod “stille luft” kan være ret stor, hvilket betyder, at kølelegemet vil sprede varmen til luften ganske langsomt og forsinke en tilbagevenden til behandling i fuld hastighed. Således kan et system, der anvender aktiv køling, kombinere maksimal CPU-ydelse og hurtigere varmeafledning. Imidlertid introducerer driften af ventilatoren akustisk støj i systemets miljø og trækker mere strøm. Hvilken Køleteknik er bedre? I virkeligheden afhænger det af applikationen; en alsidig maskine vil bruge begge teknikker til at håndtere forskellige omstændigheder. ACPI skitserer køleteknikkerne i form af to forskellige tilstande: ydelsestilstand og lydløs tilstand. De to tilstande sammenlignes i Figur 1 og 2.

Figur 1 og 2 er eksempler på temperaturskalaer, der illustrerer de respektive afvejninger mellem ydelse, akustisk ventilatorstøj og strømforbrug / spredning. For at en systemstyringsenhed skal være ACPI-kompatibel, skal den være i stand til at signalere grænsekrydsninger med f.eks. 5 liter C intervaller eller SCI (system-control interrupt) begivenheder, at der er sket en ny temperaturforøgelse uden for grænsen. Disse begivenheder giver en mekanisme, hvormed operativsystemet kan spore systemtemperaturen og træffe informerede beslutninger om, hvorvidt CPU-uret skal gasspjældes, øge/mindske køleventilatorens hastighed eller tage mere drastiske handlinger. Når temperaturen overstiger politikindstillingen _CRT (critical temperature), lukkes systemet som en fejlsikker for at beskytte CPU ‘ en. De to andre politiske indstillinger vist i Figur 1 og 2 er _psv (passiv køling eller CPU clock throttling) og _acks. (aktiv køling, når ventilatoren tændes).

i Figur 1 (ydelsestilstand) tændes køleventilatoren ved 50 liter C. Hvis temperaturen fortsætter med at stige over 60 liter C, startes urregulering. Denne adfærd maksimerer systemets ydeevne, da systemet kun sænkes ved en højere temperatur. I figur 2 (lydløs tilstand) bliver CPU-uret først droslet ved 45 grader C. Hvis temperaturen fortsætter med at stige, kan en køleventilator tændes ved 60 grader C. Denne tilstand med reduceret ydelse vil også have en tendens til at øge batteriets levetid, da drosling tilbage uret reducerer strømforbruget.

figur 3 viser, hvordan grænserne for temperaturmålebåndene sporer temperaturmålingen. Hver grænseovergang producerer en afbrydelse.

den intelligente platform management interface (IPMI) specifikation (Ref. 2) bringer lignende termiske styringsfunktioner til servere. IPMI sigter mod at reducere de samlede ejeromkostninger (TCO) for en server ved at overvåge systemets kritiske” hjerteslag ” – parametre: temperatur, spændinger, blæserhastigheder og PSU ‘ er (strømforsyningsenheder). En anden motivation for IPMI er behovet for interoperabilitet mellem servere for at lette kommunikationen mellem baseboards og chassis. IPMI er baseret på brugen af en 5-volt I2C-bus med meddelelser sendt i pakkeform. Yderligere information om IPMI er tilgængelig fra Intel hjemmeside på http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/.

alle medlemmer af familien Analog Devices temperatur og systemovervågning (TSM) er ACPI-og IPMI-kompatible.

temperaturovervågning

forudsætningen for intelligent ventilatorhastighedskontrol inden for pc ‘ er er evnen til at måle både system-og processortemperatur nøjagtigt. Den anvendte temperaturovervågningsteknik har været genstand for mange artikler (se f.eks. Analog dialog 33-4.) og vil kun blive besøgt kort her. Alle analoge enheder systemovervågningsenheder bruger en temperaturovervågningsteknik kendt som termisk diodeovervågning (TDM). Teknikken gør brug af det faktum, at fremspændingen af en diodetilsluttet transistor, der drives ved en konstant strøm, udviser en negativ temperaturkoefficient, ca.-2MV/liter C. da den absolutte værdi af VBE varierer fra enhed til enhed, er denne funktion i sig selv uegnet til brug i masseproducerede enheder, fordi hver enkelt ville kræve individuel kalibrering. I TDM-teknikken føres to forskellige strømme successivt gennem transistoren, og spændingsændringen måles. Temperaturen er relateret til forskellen i VBE ved:

K = KT/K Ln(N)

hvor:

k = Boltsmanns konstant

k = elektronladningsstørrelse

T = absolut temperatur i Kelvin

N = forholdet mellem de to strømme

i enhver CPU er den mest relevante temperatur den for “hot spot” på matricen. Alle andre temperaturer i systemet (herunder kølelegemet temperatur) vil forsinke stigningen i denne temperatur. Af denne grund indeholder praktisk talt hver CPU (fremstillet siden de tidlige Intel Pentium II-processorer) en strategisk placeret transistor på dens matrice til termisk overvågning. Det giver en sand, i det væsentlige øjeblikkelig profil af matriktemperaturen. Figur 5 viser temperaturprofiler i et system, der gentagne gange går ind og vågner op fra suspensionstilstand. Det sammenligner temperaturerne målt ved en termistor fastgjort til CPU ‘ ens kølelegeme og af substratet termisk diode. I det korte interval for den faktiske matrice temperatur til at ændre frem og tilbage med omkring 13 grader, kølelegemet termistor kan ikke fornemme nogen ændring.

temperatur til ventilatorstyring

med en nøjagtig temperaturovervågningsmetode etableret kan effektiv ventilatorstyring implementeres! Teknikken er generelt at bruge TDM til at måle temperaturen, hvor sensing-transistoren enten er integreret på chip eller eksternt placeret så tæt som muligt på et hot-spot og indstiller blæserhastigheden på et niveau, der sikrer tilstrækkelig varmetransport ved denne temperatur. Forskellige driftsparametre for kontrolsløjfen vil være programmerbare, såsom minimumshastighed, ventilatorstarttemperatur, hastighed versus temperaturhældning og tænd/sluk Hysterese. De beskrevne hastighedskontrolmetoder vil omfatte on-off, kontinuerlig (“lineær”) og pulsbreddemodulation.

Ventilatorstyringsmetoder: historisk set er rækkevidden af tilgange til blæserhastighedskontrol i pc ‘ er fra simpel on-off-kontrol til lukket kredsløbstemperatur til blæserhastighedskontrol.

to-trins kontrol: Dette var den tidligste form for blæserhastighedskontrol, der blev vedtaget i pc ‘ er. BIOS måler systemtemperaturen (oprindeligt ved hjælp af en termistor i nærheden af CPU ‘ en) og beslutter, om en køleventilator skal tændes eller slukkes helt. Senere brugte pc ‘ er mere nøjagtige TDM-baserede temperaturmonitorer til at implementere den samme totrins ventilatorstyring.

tre-trins kontrol: BIOS eller operativsystemet måler igen temperaturen ved hjælp af en termistor eller termisk diode og beslutter, baseret på programindstillinger, om ventilatoren skal tændes helt, slukkes helt eller indstilles til at køre med halv hastighed.

lineær ventilatorhastighedskontrol: denne nyere metode til ventilatorhastighedskontrol er også kendt som spændingskontrol. BIOS eller OS læser temperaturen fra TDM-målekredsløbet og skriver en byte tilbage til en on-chip DAC for at indstille udgangsspændingen for at kontrollere ventilatorens hastighed. Et eksempel på en IC-ventilatorcontroller af denne type er ADM1022, som har en 8-bit DAC-chip med et udgangsspændingsområde på 0 V til 2,5 V. Det fungerer med en ekstern bufferforstærker med passende designklassifikationer for den valgte ventilator. ADM1022 indeholder også standardudløbspunkter til automatisk udstyr, der får ventilatoren til at køre i fuld hastighed, hvis dens TDM-kredsløb registrerer en over-temperaturtilstand. Debut af disse typer enheder betød fremkomsten af automatisk ventilatorhastighedskontrol, hvor nogle af beslutningstagningen flyttes fra OS-programmer til systemovervågningsudstyr.

pulsbreddemodulation (pulsbreddemodulation) ventilatorhastighedskontrol: i ADI ‘ s systemovervågningsproduktlinje er disse typer af pulsbreddemodulation de nyeste produkter til ventilatorstyring. BIOS eller OS kan læse temperaturen fra TDM-enheden og styre køleventilatorens hastighed ved at justere den anvendte arbejdscyklus.

det er værd at bemærke, at alle ovennævnte metoder til blæserhastighedskontrol er afhængige af CPU-eller værtsintervention for at læse temperaturen fra TDM-enheden over 2-leders Systemstyringsbussen. Det termiske styringsprogram, der udføres af CPU ‘ en, skal derefter beslutte, hvad blæserhastigheden skal være, og skrive en værdi tilbage til et register på systems monitor IC for at indstille den passende blæserhastighed.

et indlysende næste skridt i udviklingen af blæserhastighedskontrol er at implementere en automatisk blæserhastighedskontrolsløjfe, som kunne opføre sig uafhængigt af programmel og køre blæseren med sin optimale hastighed for en given chiptemperatur. Der er mange fordele ved sådan lukket kredsløbs hastighedskontrol.

når systemovervågningsenheden er initialiseret (ved at indlæse grænseregistre med krævede parametre), er kontrolsløjfen derefter helt uafhængig af programmet, og IC kan reagere på temperaturændringer uden værtsintervention. Denne funktion er især ønskelig, når der opstår en katastrofal systemfejl, hvorfra systemet ikke kan komme sig. Hvis PC ‘ en går i stykker, udføres strømstyringsprogrammet i operativsystemet ikke længere, hvilket resulterer i tab af termisk styring! Hvis PC ‘en ikke kan læse temperaturen, der måles (da PC’ en er gået ned), kan det ikke forventes at indstille den korrekte blæserhastighed for at give det krævede køleniveau.

den anden håndgribelige fordel ved en lukket kredsløbsimplementering er, at den vil betjene ventilatoren med den optimale hastighed for en given temperatur. Det betyder, at både akustisk støj og strømforbrug reduceres. At køre en ventilator i fuld hastighed maksimerer både strømforbrug og akustisk støj. Hvis blæserhastigheden kan styres effektivt gennem loopoptimering, kører kun så hurtigt som nødvendigt for en given temperatur, strømafløb og hørbar blæserstøj reduceres begge. Dette er et absolut kritisk krav i batteridrevne bærbare PC-applikationer, hvor hver milliampere strøm (eller milliamp-sekund af opladning) er en dyrebar vare.

automatisk Blæserhastighedskontrolsløjfe

sådan kan man implementere en automatisk blæserhastighedskontrolsløjfe, som måler temperaturen ved hjælp af TDM-teknikker og indstiller blæserhastigheden korrekt som en funktion af temperaturen. Programmerbare parametre tillader mere fuldstændig kontrol af sløjfen. Den første registerværdi, der skal programmeres, er TMIN. Dette er den temperatur (svarende til AC), hvor ventilatoren først tændes, og hvor ventilatorhastighedskontrollen begynder. Hastigheden indstilles kortvarigt til maksimum for at få blæseren i gang, og derefter returneres til minimumsindstillingen (se figur 6). Parameteren, der tillader kontrol af hældningen af temperatur-til-blæserhastighedsfunktionen, er området fra TMAKS til TMIN eller trang. De programmerede værdier for tmin og trang definerer den temperatur, ved hvilken ventilatoren vil nå maksimal hastighed, dvs. Programmeret temperaturområde kan vælges: 5&de; C, 10 liter C, 20 Liter C, 40 liter C og 80 liter C. For at undgå hurtig cykling til og fra i nærheden af TMIN anvendes Hysterese til at etablere en temperatur under TMIN, hvor ventilatoren er slukket. Mængden af hysterese, der kan programmeres i sløjfen, er 1 liter C til 15 liter C. Denne ventilatorstyringssløjfe kan overvåges af OS-programmer over SMBus, og PC ‘ en kan til enhver tid beslutte at tilsidesætte kontrolsløjfen.

PV vs. Lineær Ventilatorhastighedskontrol

man kan spørge, hvorfor pulsbreddemodulation er ønskelig, hvis lineær blæserhastighedskontrol allerede er i udbredt brug.

overvej en 12-V ventilator, der drives ved hjælp af lineær ventilatorhastighedskontrol. Da spændingen på ventilatoren langsomt øges fra 0 V til omkring 8 V, begynder ventilatoren at dreje. Når spændingen til ventilatoren øges yderligere, øges blæserhastigheden, indtil den kører med maksimal hastighed, når den køres med 12 V. således har 12-V-ventilatoren et effektivt betjeningsvindue mellem 8 V og 12 V; med en rækkevidde på kun 4 V tilgængelig til brug i hastighedskontrol.

situationen bliver endnu værre med 5-V-ventilatoren, der ville blive brugt med en bærbar PC. 4 V. over 4 V vil ventilatoren have tendens til at dreje nær fuld hastighed, så der er lidt tilgængelig hastighedskontrol mellem 4 og 5 volt. Lineær ventilatorhastighedskontrol er således uegnet til styring af de fleste typer 5V-ventilatorer.

med pulsbreddemodulation anvendes maksimal spænding til kontrollerede intervaller (arbejdscyklussen for en kvadratbølge, typisk ved 30 til 100 HS). Da denne arbejdscyklus eller forholdet mellem høj tid og lav tid varieres, ændres ventilatorens hastighed.

ved disse frekvenser modtages rene tach (tachometer) impulser tilbage fra ventilatoren, hvilket muliggør pålidelig måling af blæserhastighed. Når drevfrekvenserne går højere, er der problemer med utilstrækkelige tach-impulser til nøjagtig måling, derefter akustisk støj og til sidst elektriske pigge, der ødelægger tach-signalet. Derfor bruger de fleste PV-applikationer lavfrekvent spænding til at drive ventilatoren. Det eksterne kredsløb er ret simpelt. Det kan opnås (Figur 7) med en enkelt ekstern transistor eller MOSFET for at drive ventilatoren. Den lineære ventilatorhastighedskontrolækvivalent, drevet af en analog hastighedsspænding, kræver en op-forstærker, en pass-transistor og et par modstande for at indstille op-amp-forstærkningen.

hvordan måles blæserhastigheden? En 3-leder ventilator har en tach-udgang, som normalt udsender 1, 2 eller 4 tach-impulser pr. Dette digitale tach-signal påføres derefter direkte på tach-indgangen på systemovervågningsenheden. Tach-pulserne tælles ikke, fordi en ventilator kører relativt langsomt, og det ville tage en mærkbar tid at akkumulere et stort antal tach-pulser for en pålidelig blæserhastighedsmåling. I stedet bruges tach-pulserne til at porte en on-chip oscillator, der kører ved 22,5 KHS igennem til en tæller (se figur 8). Faktisk måles tach-perioden for at bestemme blæserhastigheden. Et højt antal i tach-værdiregistret indikerer en ventilator, der kører med lav hastighed (og omvendt). Et grænseregister bruges til at registrere klæbende eller stoppede fans.

hvilke andre problemer er der med blæserhastighedskontrol?

når du styrer en ventilator ved hjælp af MOTORVEJSMOTOR, er den minimale driftscyklus for pålidelig kontinuerlig ventilatordrift ca.33%. En ventilator starter dog ikke ved 33% driftscyklus, fordi der ikke er nok strøm til rådighed til at overvinde dens inerti. Som nævnt i diskussionen af figur 6 er løsningen på dette problem at dreje ventilatoren op i 2 sekunder ved opstart. Hvis ventilatoren skal køres med sin minimumshastighed, kan arbejdscyklussen for PERSONMOTOREN reduceres til 33%, Efter at ventilatoren er spundet op, og den er beskyttet mod at gå i stå af hysteresen.

Ventilatorboder & Ventilatorfejl

ikke desto mindre kan muligheden opstå, at en ventilator kan stoppe på et tidspunkt, mens den bruges i et system. Årsager kan omfatte en ventilator, der fungerer for langsomt, eller støvopbygning, der forhindrer, at den spinder. Af denne grund har de analoge enheder systemmonitorer en on-chip mekanisme baseret på ventilatorens tach-output for at registrere og genstarte en stoppet ventilator. Hvis der ikke modtages tach-pulser, vil værdien i Tach-Værdiregistret overskride grænsen i Tach-Grænseregistret, og der vil blive indstillet et fejlflag. Dette får controlleren til at forsøge at genstarte ventilatoren ved at prøve at dreje den op i 2 sekunder. Hvis ventilatoren fortsætter med at mislykkes, for op til 5 forsøg genstarter, en katastrofal fan fiasko er anerkendt for at eksistere, og en FAN_FAULT pin vil hævde at advare systemet, at en fan har fejlet. I to-ventilators dual-controller-systemer kan den anden ventilator spindes op til fuld hastighed for at forsøge at kompensere for tabet i luftstrømmen på grund af svigt i den første ventilator.

Resume

overlegne termiske styringsløsninger udvikles fortsat og tilbydes computerindustrien af analoge enheder. Teknikkerne udviklet til ADM1029, ADM1030/31 og ADM1026 tager termisk styring inden for pc ‘ er til et nyt niveau. Disse enheder er fyldt med funktioner som temperaturovervågning, automatisk temperaturstyring i udstyr, måling af blæserhastighed, understøttelse af backup og overflødige ventilatorer, detektion af ventilator og ventilatorfejl, programmerbar frekvens og arbejdscyklus. Efterhånden som strømretningslinjerne bliver strengere, og pc ‘ er kører betydeligt varmere, udvikles mere sofistikerede temperaturmåling og blæserhastighedskontrolteknikker til at styre fremtidens systemer mere effektivt.