Lüfterdrehzahlsteuerungstechniken in PCs

Analog Devices bietet ein umfassendes Set an Hardware-Überwachungsprodukten für den Einsatz in Desktop- und Notebook-PCs sowie Servern. Intelligente Systeme-Überwachungsgeräte ermöglichen ausgeklügelte Lüfterdrehzahlsteuerungstechniken, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten und eine optimale thermische Leistung im System aufrechtzuerhalten. Im vergangenen Jahr wurde eine Produktfamilie entwickelt, darunter die Dual-PWM-Lüftersteuerung ADM1029 und der Temperaturmonitor ADM1026 sowie der ACPI-konforme Zweikanal-Fernwächter ADM1030/ 31 mit ± 1 ° C und integrierter Lüftersteuerung für einen oder zwei unabhängige Lüfter. Sie bauen auf der Kerntechnologie des PC-Systemmonitor-Produktportfolios ADM102x auf (siehe auch Analog Dialogue 33-1 und 33-4). Diese neuen Produkte bieten eine Lüftergeschwindigkeitsregelung basierend auf den im System gemessenen Temperaturen und bieten umfassendere Wärmemanagementlösungen. Wir diskutieren hier die Notwendigkeit dieser anspruchsvollen Kontrolle und die damit verbundenen Probleme.

Hintergrund

Zu Beginn des neuen Jahrtausends erreichen Prozessoren Geschwindigkeiten von 1 GHz und mehr. Ihre beeindruckenden Verbesserungen bei Geschwindigkeit und Systemleistung gehen mit der Erzeugung zunehmender Wärmemengen in den Maschinen einher, die sie verwenden. Die Notwendigkeit, diese Wärme sicher abzuführen, sowie die Entwicklung von “grünen PCs” und benutzerfreundlichen Maschinen in der Computerindustrie (da Internet-Appliances zum Mainstream werden) haben die Notwendigkeit und Entwicklung anspruchsvollerer Kühl- und Wärmemanagementtechniken vorangetrieben.

PCs wurden auch immer kleiner und weniger konventionell in Größe und Form – wie in jedem der neuesten Konzept-PCs oder Slim-Line-Notebooks auf dem Markt zu sehen ist. Starre Verlustleistungsspezifikationen wie “Mobile Power Guidelines ’99” (Ref. 1) legen Sie fest, wie viel Wärme sicher über die Tastatur eines Notebooks abgeführt werden kann, ohne dass der Benutzer sich unwohl fühlt. Überschüssige Wärme muss auf andere Weise aus dem System abgeleitet werden, z. B. durch Konvektion entlang von Wärmerohren und einer Wärmeverteilerplatte oder durch die Verwendung eines Lüfters, um Luft durch das System zu bewegen. Es ist klar, dass ein intelligenter, effektiver Ansatz für das Wärmemanagement benötigt wird, der universell angewendet werden kann. Verschiedene Industriegruppen haben sich versammelt, um diese und andere Probleme anzugehen, und Standards wie ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) für Notebook-PCs und IPMI (Intelligent Platform Management Interface) für das Servermanagement entwickelt.

Industriestandards

Die Entwicklung der neuen Thermomanagement- /Drehzahlregelungsprodukte wurde durch die ACPI- und IPMI-Standards motiviert. Das Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) wurde von Intel, Microsoft und Toshiba in erster Linie für die Definition und Implementierung des Energiemanagements in Notebook-Pcs definiert.

Energiemanagement ist definiert als “Mechanismen in Hardware und Software zur Minimierung des Systemstromverbrauchs, zur Verwaltung der thermischen Grenzen des Systems und zur Maximierung der Lebensdauer der Systembatterie. Das Energiemanagement beinhaltet Kompromisse zwischen Systemgeschwindigkeit, Rauschen, Akkulaufzeit, Verarbeitungsgeschwindigkeit und Wechselstromverbrauch.”

Betrachten Sie zuerst einen Notebook-PC-Benutzer, der Reiseberichte eingibt, während er über Ozeane oder Kontinente fliegt. Welche Eigenschaft ist wichtiger, maximale CPU-Leistung oder längere Akkulaufzeit? In einer so einfachen Textverarbeitungsanwendung, in der die Zeit zwischen den Tastenanschlägen eines Benutzers in CPU-Taktzyklen fast eine Ewigkeit beträgt, ist die maximale CPU-Leistung bei weitem nicht so kritisch wie die kontinuierliche Verfügbarkeit von Strom. So kann die CPU-Leistung gegen eine längere Akkulaufzeit eingetauscht werden. Betrachten Sie auf der anderen Seite den Benutzer, der den neuesten James Bond-Film in Full-Motion, Vollbild, betäubendem Sound und Helligkeit auf Digital Versatile Disk (DVD) sehen möchte. Es ist wichtig, dass das System auf einem Leistungsniveau arbeitet, um die Software schnell genug zu dekodieren, ohne Bild- oder Audioframes zu verlieren. In dieser Situation kann die CPU-Leistung nicht beeinträchtigt werden. Daher wird die Wärmeerzeugung auf höchstem Niveau sein, und die Aufmerksamkeit für das Wärmemanagement wird von größter Bedeutung sein, um eine Spitzenleistung zu erzielen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Geben Sie ACPI ein.

Was ist dann ACPI? ACPI ist eine Spezifikation, die die Schnittstelle zwischen Komponenten und deren Verhalten beschreibt. Es ist keine reine Software- oder Hardwarespezifikation, da es beschreibt, wie die BIOS-Software, die Betriebssystemsoftware und die Systemhardware interagieren sollen.

Die ACPI-Spezifikation beschreibt zwei verschiedene Methoden der Systemkühlung: passive Kühlung und aktive Kühlung. Passive Kühlung beruht auf dem Betriebssystem (OS) und / oder Basic Input / Output-System (BIOS) Software, um den CPU-Stromverbrauch zu reduzieren, um die Wärmeableitung der Maschine zu reduzieren. Wie kann dies erreicht werden? Indem Sie intelligente Entscheidungen treffen, z. B. den Suspend-Modus aufrufen, wenn nach einer bestimmten Zeit kein Tastendruck oder eine andere Benutzerinteraktion erkannt wurde. Oder wenn das System einige intensive Berechnungen wie die 3D-Verarbeitung durchführt und gefährlich heiß wird, könnte das BIOS beschließen, den CPU-Takt zu drosseln (zu verlangsamen). Dies würde die thermische Leistung der Maschine reduzieren, jedoch auf Kosten der Gesamtsystemleistung. Was ist der Vorteil dieser passiven Kühlung? Sein deutlicher Vorteil ist, dass der Systemleistungsbedarf geräuschlos gesenkt wird (Lüfterbetrieb ist nicht erforderlich), um die Systemtemperatur zu senken, aber die Leistung begrenzt wird.

Also, was ist mit aktiver Kühlung? In einem aktiv gekühlten System führt das Betriebssystem oder die BIOS-Software eine direkte Aktion aus, z. B. das Einschalten eines CPU-Lüfters, um den Prozessor abzukühlen. Dies hat den Vorteil, dass durch den erhöhten Luftstrom über den Metallbutzen oder Kühlkörper der CPU die Wärme relativ schnell aus der CPU abgezogen werden kann. In einem passiv gekühlten System verhindert die CPU-Drosselung allein eine weitere Erwärmung der CPU, aber der thermische Widerstand des Kühlkörpers gegen “stille Luft” kann ziemlich groß sein, was bedeutet, dass der Kühlkörper die Wärme ziemlich langsam an die Luft ableiten würde eine Rückkehr zur Verarbeitung mit voller Geschwindigkeit verzögern. Somit kann ein System mit aktiver Kühlung maximale CPU-Leistung und schnellere Wärmeableitung kombinieren. Der Betrieb des Lüfters führt jedoch zu akustischen Geräuschen in der Systemumgebung und zieht mehr Strom. Welche Kühltechnik ist besser? In Wirklichkeit hängt es von der Anwendung ab; eine vielseitige Maschine verwendet beide Techniken, um mit unterschiedlichen Umständen umzugehen. ACPI skizziert die Kühltechniken in zwei verschiedenen Modi: Performance-Modus und Silent-Modus. Die beiden Modi werden in den Abbildungen 1 und 2 verglichen.

Die Abbildungen 1 und 2 sind Beispiele für Temperaturskalen, die die jeweiligen Kompromisse zwischen Leistung, Lüftergeräusch und Stromverbrauch / -verlust veranschaulichen. Damit ein Systemverwaltungsgerät ACPI-konform ist, sollte es in der Lage sein, Grenzüberschreitungen in Intervallen von beispielsweise 5 ° C oder SCI-Ereignissen (System-Control Interrupt) zu signalisieren, dass ein neues Temperaturinkrement außerhalb des Grenzwerts aufgetreten ist. Diese Ereignisse bieten einen Mechanismus, mit dem das Betriebssystem die Systemtemperatur verfolgen und fundierte Entscheidungen darüber treffen kann, ob der CPU-Takt gedrosselt, die Geschwindigkeit des Lüfters erhöht / verringert oder drastischere Maßnahmen ergriffen werden sollen. Sobald die Temperatur die Richtlinieneinstellung _CRT (kritische Temperatur) überschreitet, wird das System als ausfallsicher heruntergefahren, um die CPU zu schützen. Die anderen beiden Richtlinieneinstellungen in den Abbildungen 1 und 2 sind _PSV (passive Kühlung oder CPU-Taktdrosselung) und _ACx. (aktive Kühlung, wenn der Lüfter eingeschaltet wird).

In Abbildung 1 (Performance Mode) wird der Lüfter bei 50°C eingeschaltet. Steigt die Temperatur weiter über 60°C an, wird eine Taktdrosselung eingeleitet. Dieses Verhalten maximiert die Systemleistung, da das System nur bei einer höheren Temperatur verlangsamt wird. In Abbildung 2 (Silent-Modus) wird der CPU-Takt zuerst bei 45 Grad C gedrosselt. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, kann ein Lüfter bei 60 Grad C eingeschaltet werden. Dieser Modus mit reduzierter Leistung erhöht auch die Akkulaufzeit, da die Drosselung der Uhr den Stromverbrauch verringert.

Abbildung 3 zeigt, wie die Grenzen der Temperaturmessbänder die Temperaturmessung verfolgen. Jeder Grenzübertritt erzeugt einen Interrupt.

Die IPMI-Spezifikation (Intelligent Platform Management Interface) (Ref. 2) bringt ähnliche Wärmemanagementfunktionen auf Server. IPMI zielt darauf ab, die Gesamtbetriebskosten (TCO) eines Servers zu senken, indem die kritischen “Heartbeat” -Parameter des Systems überwacht werden: temperatur, Spannungen, lüfterdrehzahlen und Netzteile (power-Supply Units). Eine weitere Motivation für IPMI ist die Notwendigkeit der Interoperabilität zwischen Servern, um die Kommunikation zwischen Sockelleisten und Chassis zu erleichtern. IPMI basiert auf der Verwendung eines 5-Volt-I2C-Busses, wobei Nachrichten in Paketform gesendet werden. Weitere Informationen zu IPMI finden Sie auf der Intel-Website unter http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/.

Alle Mitglieder der TSM-Familie (Temperatur- und Systemüberwachung) von Analog Devices sind ACPI- und IPMI-konform.

Temperaturüberwachung

Voraussetzung für eine intelligente Lüftersteuerung in PCs ist die Möglichkeit, sowohl die System- als auch die Prozessortemperatur genau zu messen. Die verwendete Temperaturüberwachungstechnik war Gegenstand vieler Artikel (siehe beispielsweise Analog Dialogue 33-4.) und wird hier nur kurz besucht. Alle Systemüberwachungsgeräte von Analog Devices verwenden eine Temperaturüberwachungstechnik, die als Thermal Diode Monitoring (TDM) bezeichnet wird. Die Technik macht sich die Tatsache zunutze, dass die Durchlassspannung eines diodengeschalteten Transistors, der mit einem konstanten Strom betrieben wird, einen negativen Temperaturkoeffizienten von etwa -2mV / ° C aufweist. Da der Absolutwert von VBE von Gerät zu Gerät variiert, ist dieses Merkmal für sich genommen für die Verwendung in massenproduzierten Geräten ungeeignet, da jedes eine individuelle Kalibrierung erfordern würde. Bei der TDM-Technik werden nacheinander zwei verschiedene Ströme durch den Transistor geleitet und die Spannungsänderung gemessen. Die Temperatur hängt mit der Differenz in VBE zusammen durch:

ΔVBE = kT/q × ln(N)

wobei:

k = Boltzmannsche Konstante

q = Elektronenladungsgröße

T = absolute Temperatur in Kelvin

N = Verhältnis der beiden Ströme

In jeder CPU ist die relevanteste Temperatur die des “Hot Spots” auf dem Chip. Alle anderen Temperaturen im System (einschließlich der Kühlkörpertemperatur) verzögern den Anstieg dieser Temperatur. Aus diesem Grund enthält praktisch jede CPU (hergestellt seit den frühen Intel Pentium II Prozessoren) einen strategisch gelegenen Transistor auf seinem Chip für die thermische Überwachung. Es gibt ein wahres, im Wesentlichen momentanes Profil der Düsentemperatur. Abbildung 5 zeigt Temperaturprofile in einem System, das wiederholt in den Suspend-Modus wechselt und aus dem Suspend-Modus aufwacht. Es vergleicht die Temperaturen, die von einem Thermistor gemessen werden, der am Kühlkörper der CPU angebracht ist, und von der thermischen Diode des Substrats. In dem kurzen Intervall, in dem sich die tatsächliche Düsentemperatur um etwa 13 Grad hin und her ändert, kann der Kühlkörper-Thermistor keine Änderung feststellen.

Temperatur zu Fan Control

Mit eine genaue temperatur überwachung methode etabliert, effektive fan control können implementiert werden! Die Technik besteht im Allgemeinen darin, TDM zur Temperaturmessung zu verwenden, wobei der Erfassungstransistor entweder auf dem Chip integriert oder extern so nahe wie möglich an einem Hotspot platziert ist und die Lüfterdrehzahl auf ein Niveau einstellt, das einen ausreichenden Wärmetransport bei dieser Temperatur gewährleistet. Verschiedene Betriebsparameter des Regelkreises sind programmierbar, z. B. Mindestdrehzahl, Lüfterstarttemperatur, Drehzahl-Temperatur-Steigung und Ein- / Ausschalthysterese. Die beschriebenen Geschwindigkeitsregelungsansätze umfassen Ein-Aus-, kontinuierliche (“lineare”) und Pulsweitenmodulation (PWM).

Lüftersteuerungsmethoden: Historisch gesehen reicht die Palette der Ansätze zur Lüfterdrehzahlregelung in PCs von der einfachen Ein-Aus-Steuerung bis zur Regelung der Temperatur-zu-Lüfterdrehzahl.

Zweistufige Steuerung: Dies war die früheste Form der Lüfterdrehzahlregelung in PCs. Das BIOS würde die Systemtemperatur messen (ursprünglich mit einem Thermistor in unmittelbarer Nähe der CPU) und entscheiden, ob ein Lüfter vollständig ein- oder ausgeschaltet werden soll. Später verwendeten PCs genauere TDM-basierte Temperaturmonitore, um dieselbe zweistufige Lüftersteuerung zu implementieren.

Dreistufige Steuerung: Das BIOS oder Betriebssystem misst die Temperatur erneut mit einem Thermistor oder einer Thermodiode und entscheidet basierend auf den Softwareeinstellungen, ob der Lüfter vollständig ein- oder ausgeschaltet oder mit halber Geschwindigkeit betrieben werden soll.

Lineare Lüfterdrehzahlregelung: Diese neuere Methode der Lüfterdrehzahlregelung wird auch als Spannungsregelung bezeichnet. Das BIOS oder Betriebssystem liest die Temperatur aus der TDM-Messschaltung und schreibt ein Byte in einen On-Chip-DAC zurück, um die Ausgangsspannung einzustellen und die Drehzahl des Lüfters zu steuern. Ein Beispiel für eine IC-Lüftersteuerung dieses Typs ist der ADM1022, der über einen 8-Bit-DAC auf dem Chip mit einem Ausgangsspannungsbereich von 0 V bis 2,5 V verfügt. Der ADM1022 enthält auch standardmäßige automatische Hardware-Auslösepunkte, die dazu führen, dass der Lüfter mit voller Geschwindigkeit angetrieben wird, falls sein TDM-Stromkreis einen Übertemperaturzustand erkennt. Das Debüt dieser Gerätetypen bedeutete das Aufkommen einer automatischen Lüftergeschwindigkeitssteuerung, bei der ein Teil der Entscheidungsfindung von der Betriebssystemsoftware auf die Hardware zur Systemüberwachung verlagert wird.

Pulsweitenmodulation (PWM) Lüfterdrehzahlregelung: In der Systemüberwachungsproduktlinie von ADI sind diese PWM-Typen die neuesten Lüftersteuerungsprodukte. Das BIOS oder Betriebssystem kann die Temperatur vom TDM-Gerät ablesen und die Geschwindigkeit des Lüfters steuern, indem das angewendete PWM-Tastverhältnis angepasst wird.

Es ist erwähnenswert, dass alle oben genannten Methoden zur Steuerung der Lüftergeschwindigkeit auf CPU- oder Host-Eingriffen beruhen, um die Temperatur vom TDM-Gerät über den 2-Draht-Systemmanagementbus abzulesen. Die von der CPU ausgeführte Wärmemanagementsoftware muss dann entscheiden, wie hoch die Lüftergeschwindigkeit sein soll, und einen Wert in ein Register auf dem Systemmonitor-IC zurückschreiben, um die entsprechende Lüftergeschwindigkeit einzustellen.

Ein offensichtlicher nächster Schritt in der Entwicklung der Lüfterdrehzahlregelung ist die Implementierung eines automatischen Lüfterdrehzahlregelkreises, der sich unabhängig von der Software verhalten und den Lüfter mit seiner optimalen Geschwindigkeit für eine bestimmte Chiptemperatur betreiben kann. Eine solche Drehzahlregelung mit geschlossenem Regelkreis hat viele Vorteile.

Sobald das Systemüberwachungsgerät initialisiert wurde (durch Laden von Grenzregistern mit erforderlichen Parametern), ist der Regelkreis völlig unabhängig von der Software und der IC kann ohne Eingreifen des Hosts auf Temperaturänderungen reagieren. Diese Funktion ist besonders wünschenswert, wenn ein katastrophaler Systemausfall auftritt, von dem sich das System nicht erholen kann. Wenn der PC abstürzt, wird die Energieverwaltungssoftware im Betriebssystem nicht mehr ausgeführt, was zu einem Verlust des Wärmemanagements führt! Wenn der PC die gemessene Temperatur nicht lesen kann (da der PC abgestürzt ist), kann nicht erwartet werden, dass die richtige Lüftergeschwindigkeit eingestellt wird, um die erforderliche Kühlung bereitzustellen.

Der andere greifbare Vorteil einer Closed-Loop-Implementierung besteht darin, dass der Lüfter bei jeder Temperatur mit der optimalen Drehzahl betrieben wird. Dies bedeutet, dass sowohl das akustische Rauschen als auch der Stromverbrauch reduziert werden. Der Betrieb eines Lüfters mit voller Drehzahl maximiert sowohl den Stromverbrauch als auch das akustische Rauschen. Wenn die Lüftergeschwindigkeit durch Schleifenoptimierung effektiv gesteuert werden kann und nur so schnell läuft, wie es für eine bestimmte Temperatur erforderlich ist, werden der Stromverbrauch und das hörbare Lüftergeräusch reduziert. Dies ist eine absolut kritische Anforderung in batteriebetriebenen Notebook-PC-Anwendungen, bei denen jedes Milliampere Strom (oder jede Milliampere Sekunde Ladung) ein kostbares Gut ist.

Automatischer Regelkreis für die Lüfterdrehzahl

So könnte man einen automatischen Regelkreis für die Lüfterdrehzahl implementieren, der die Temperatur mithilfe von TDM-Techniken misst und die Lüfterdrehzahl als Funktion der Temperatur entsprechend einstellt. Programmierbare Parameter ermöglichen eine vollständigere Steuerung der Schleife. Der erste zu programmierende Registerwert ist TMIN. Dies ist die Temperatur (entsprechend ACx), bei der sich der Lüfter zuerst einschaltet und bei der die Lüfterdrehzahlregelung beginnt. Die Drehzahl wird kurzzeitig auf Maximal eingestellt, um den Lüfter in Gang zu bringen, und dann wieder auf die minimale Drehzahl eingestellt (siehe Abbildung 6). Der Parameter, der die Steuerung der Steigung der Temperatur-zu-Lüfterdrehzahl-Funktion ermöglicht, ist der Bereich von TMAX bis TMIN oder TRANGE. Die programmierten Werte für TMIN und TRANGE definieren die Temperatur, bei der der Lüfter die maximale Drehzahl erreicht, d. h. TMAX = TMIN + TRANGE. Der programmierte Temperaturbereich ist wählbar: 5&de;C, 10°C, 20°C, 40°C und 80°C. Um ein schnelles Ein- und Ausschalten in der Nähe von TMIN zu vermeiden, wird durch Hysterese eine Temperatur unterhalb von TMIN eingestellt, bei der der Lüfter ausgeschaltet wird. Die Hysterese, die in den Regelkreis programmiert werden kann, beträgt 1 ° C bis 15 ° C. Dieser Lüfterregelkreis kann von der OS-Software über den SMBus überwacht werden, und der PC kann jederzeit entscheiden, den Regelkreis zu überschreiben.

PWM vs. Lineare Lüfterdrehzahlregelung

Man könnte fragen, warum Pulsweitenmodulation wünschenswert ist, wenn die lineare Lüfterdrehzahlregelung bereits weit verbreitet ist.

Betrachten Sie einen 12-V-Lüfter, der mit einer linearen Lüfterdrehzahlregelung angetrieben wird. Wenn die an den Lüfter angelegte Spannung langsam von 0 V auf etwa 8 V erhöht wird, beginnt sich der Lüfter zu drehen. Wenn die Spannung zum Lüfter weiter erhöht wird, erhöht sich die Lüfterdrehzahl, bis sie bei 12-V-Betrieb mit maximaler Drehzahl läuft. Somit hat der 12-V-Lüfter ein effektives Betriebsfenster zwischen 8 V und 12 V. Für die Drehzahlregelung steht ein Bereich von nur 4 V zur Verfügung.

Noch schlimmer wird die Situation mit dem 5-V-Lüfter, der mit einem Notebook-PC verwendet werden würde. Der Lüfter startet erst, wenn die angelegte Spannung etwa 4 V beträgt. Über 4 V neigt der Lüfter dazu, sich in der Nähe der vollen Drehzahl zu drehen, sodass zwischen 4 und 5 Volt nur wenig Drehzahlregelung verfügbar ist. Daher ist die lineare Lüfterdrehzahlregelung für die Steuerung der meisten Arten von 5-V-Lüftern ungeeignet.

Bei Pulsweitenmodulation (PWM) wird die maximale Spannung für geregelte Intervalle angelegt (das Tastverhältnis einer Rechteckwelle, typischerweise bei 30 bis 100 Hz). Wenn dieses Tastverhältnis oder das Verhältnis von hoher Zeit zu niedriger Zeit variiert wird, ändert sich die Drehzahl des Lüfters.

Bei diesen Frequenzen werden Clean Tach (Drehzahlmesser) -Impulse vom Lüfter zurück empfangen, was eine zuverlässige Messung der Lüfterdrehzahl ermöglicht. Wenn die Antriebsfrequenzen höher werden, gibt es Probleme mit unzureichenden Drehimpulsen für eine genaue Messung, dann akustischem Rauschen und schließlich elektrischen Spitzen, die das Drehzahlsignal beschädigen. Daher verwenden die meisten PWM-Anwendungen eine niederfrequente Erregung, um den Lüfter anzutreiben. Die externe PWM stick schaltung ist ganz einfach. Dies kann (Abbildung 7) mit einem einzigen externen Transistor oder MOSFET zur Ansteuerung des Lüfters erfolgen. Die lineare fan-speed-control äquivalent, angetrieben durch eine analoge geschwindigkeit spannung, erfordert eine op amp, ein pass transistor, und ein paar von widerständen zu set die op-amp gain.

Wie wird die Lüfterdrehzahl gemessen? Ein 3-Draht-Lüfter hat einen Tach-Ausgang, der je nach Lüftermodell normalerweise 1, 2 oder 4 Tach-Impulse pro Umdrehung ausgibt. Dieses digitale Tach-Signal wird dann direkt an den Tach-Eingang der Systemüberwachungseinrichtung angelegt. Die Drehimpulse werden nicht gezählt, da ein Lüfter relativ langsam läuft und es eine beträchtliche Zeit dauern würde, eine große Anzahl von Drehimpulsen für eine zuverlässige Lüfterdrehzahlmessung zu akkumulieren. Stattdessen werden die Tach-Impulse verwendet, um einen On-Chip-Oszillator, der mit 22,5 kHz läuft, zu einem Zähler zu leiten (siehe Abbildung 8). In der Tat wird die Drehzahlperiode gemessen, um die Lüftergeschwindigkeit zu bestimmen. Ein hoher Zählerstand im Drehzahlwertregister zeigt einen Lüfter an, der mit niedriger Drehzahl läuft (und umgekehrt). Ein Grenzregister wird verwendet, um festsitzende oder festgefahrene Lüfter zu erkennen.

Welche anderen Probleme gibt es mit der Lüfterdrehzahlregelung?

Bei der Steuerung eines Lüfters über PWM beträgt das minimale Tastverhältnis für einen zuverlässigen kontinuierlichen Lüfterbetrieb etwa 33%. Ein Lüfter startet jedoch nicht mit einem Tastverhältnis von 33%, da nicht genügend Leistung zur Verfügung steht, um seine Trägheit zu überwinden. Wie in der Diskussion von Abbildung 6 erwähnt, besteht die Lösung für dieses Problem darin, den Lüfter beim Start 2 Sekunden lang hochzudrehen. Wenn der Lüfter mit seiner Mindestdrehzahl betrieben werden muss, kann das PWM-Tastverhältnis nach dem Hochfahren des Lüfters auf 33% reduziert werden, und er wird durch die Hysterese vor dem Abwürgen geschützt.

Lüfterstillstand & Lüfterausfälle

Dennoch kann die Möglichkeit entstehen, dass ein Lüfter während des Betriebs in einem System irgendwann zum Stillstand kommt. Ursachen können ein zu langsam arbeitender Lüfter oder Staubansammlungen sein, die das Drehen verhindern. Aus diesem Grund verfügen die Systemmonitore von Analog Devices über einen On-Chip-Mechanismus, der auf dem Drehzahlausgang des Lüfters basiert, um einen festgefahrenen Lüfter zu erkennen und neu zu starten. Wenn keine Tach-Impulse empfangen werden, überschreitet der Wert im Tach-Wertregister den Grenzwert im Tach-Grenzregister und es wird ein Fehlerflag gesetzt. Dadurch versucht der Controller, den Lüfter neu zu starten, indem er versucht, ihn 2 Sekunden lang hochzudrehen. Wenn der Lüfter weiterhin ausfällt, wird bei bis zu 5 Neustartversuchen ein katastrophaler Lüfterausfall bestätigt, und ein FAN_FAULT-Pin wird bestätigt, um das System zu warnen, dass ein Lüfter ausgefallen ist. In Dual-Controller-Systemen mit zwei Lüftern kann der zweite Lüfter auf volle Drehzahl hochgefahren werden, um den Luftstromverlust aufgrund des Ausfalls des ersten Lüfters auszugleichen.

Zusammenfassung

Überlegene Wärmemanagement-Lösungen werden weiterhin von Analog Devices entwickelt und der Computerindustrie angeboten. Die für ADM1029, ADM1030 / 31 und ADM1026 entwickelten Techniken heben das Wärmemanagement in PCs auf ein neues Niveau. Diese Geräte sind mit Funktionen wie Temperaturüberwachung, automatischer Temperaturregelung in der Hardware, Lüfterdrehzahlmessung, Unterstützung für Backup- und redundante Lüfter, Lüfterpräsenz- und Lüfterfehlererkennung, programmierbarer PWM-Frequenz und Tastverhältnis ausgestattet. Da die Stromversorgungsrichtlinien strenger werden und PCs deutlich heißer laufen, werden ausgefeiltere Techniken zur Temperaturmessung und Steuerung der Lüfterdrehzahl entwickelt, um die Systeme der Zukunft effektiver zu verwalten.