Pcのファン速度制御技術

アナログ-デバイセズは、デスクトップおよびノートPc、およびサーバーで使用するための包括的なハードウェア監視製品セットを提供しています。 理性的なシステム-監視装置は十分な冷却を提供し、システムの最適の熱性能を維持するために可能な洗練されたファンの速度制御の技術を作る。 この1年の間に、Adm1029デュアルPWMファン・コントローラと温度モニタ、ADM1026、ADM1030/31、Acpi準拠のデュアル・チャンネル±1°Cリモート・サーマル・モニタ、1つまたは2つの独立したファン用のファン・コントローラを内蔵した製品ファミリが開発されました。 これらは、Adm102X PCシステム-モニター製品ポートフォリオで使用されているコア-テクノロジーをベースに構築されています(Analog Dialogue33-1および33-4も参照)。 これらの新製品は、システム内で測定された温度に基づいてファン速度制御を提供し、より完全な熱管理ソリューションを提供します。 ここでは、このレベルの洗練された制御の必要性と、それを提供する上で固有の問題について議論します。

背景

新しい千年紀が始まるにつれて、プロセッサは1GHz以上の速度を達成しています。 速度およびシステム性能の印象的な改善はそれらを使用する機械内の熱の増加する量の生成と一緒に伴われる。 この熱を安全に放散する必要性、および”グリーンPc”とユーザーフレンドリーなマシン（インターネット家電が主流になるにつれて）を開発するコンピューティング業界の動きに伴い、より洗練された冷却と熱管理技術の必要性と開発が推進されています。

Pcは、市場に出回っている最新のコンセプトPcやスリムラインのノートブックのいずれかに見られるように、サイズや形状が小さく、従来のものにな “モバイルパワーガイドライン’99″などの剛性の消費電力仕様（Ref. 1)どの位熱がユーザーの不快をもたらさないでノートのキーボードを通して安全に散らすかもしれないか規定しなさい。 どの余分な熱でもシステムからヒートパイプおよび熱拡散機の版に沿う対流のような他の手段、またはシステムを通って空気を動かすファンの使 明らかに、必要とされるものは普遍的に採用することができる熱管理への理性的で、有効なアプローチである。 これらの問題やその他の問題に対処するために様々な業界団体が集まり、ノートブックPc用のACPI（advanced configuration and power interface）やサーバー管理用のIPMI（intelligent platform management interface）などの標準を開発し

業界標準

新しい熱管理/速度制御製品の開発は、ACPIおよびIPMI規格によって動機づけられました。 高度な構成と電源インタフェース-ACPIは、主にノートブックPCの内の電源管理を定義し、実装するために、インテル、マイクロソフト、および東芝によって定義さ

電源管理は、”システムの消費電力を最小限に抑え、システムの熱限界を管理し、システムのバッテリ寿命を最大化するためのハードウェアおよびソフ 電源管理には、システム速度、ノイズ、バッテリ寿命、処理速度、およびac消費電力の間のトレードオフが含まれます。”

まず、海や大陸を飛んでいる間に旅行レポートを入力するノートPCユーザーを考えてみましょう。 どの特性がより重要であるか、最大CPU性能またはバッテリ寿命の増加？ ユーザーのキーストロークの間の時間がCPUクロックサイクルでほぼ永遠であるような単純なワードプロセッサアプリケーションでは、最大CPUパフォーマンスは、電力の連続的な可用性と同じくらい重要ではありません。 従ってCPUの性能は高められた電池の寿命に対して交換することができる。 一方では、デジタル多目的なディスク(DVD)の完全動き、フルスクリーン、心麻痺する音および明るさの最も最近のジェームズ-ボンド映画を、見たいと思うユーザーを 画像やオーディオフレームを落とすことなく、ソフトウェアを十分に高速にデコードするために、システムがパフォーマンスのレベルで動作することが重 このような状況では、CPUのパフォーマンスが損なわれることはありません。 したがって、発熱はトップレベルになり、信頼性を損なうことなくトップ性能を得るためには、熱管理への注意が最も重要になります。 ACPIと入力します。

その後、ACPIは何ですか？ ACPIは、コンポーネント間のインターフェイスとその動作を記述する仕様です。 これは、BIOSソフトウェア、OSソフトウェア、およびシステムハードウェアがどのように相互作用するかを記述しているため、純粋にソフ

ACPI仕様では、受動冷却と能動冷却の二つの異なるシステム冷却方法が概説されています。 受動冷却は、オペレーティングシステム（OS）および/または基本入出力システム（BIOS）ソフトウェアに依存して、マシンの放熱を低減するためにCPU消費電力を これはどのように達成できますか？ 指定された時間後にキーストロークやその他のユーザーの操作が検出されなかった場合にサスペンドモードに入るなどのインテリジェントな決定を行 または、システムが3D処理などの集中的な計算を実行していて、危険なほど熱くなっている場合、BIOSはCPUクロックを絞る（遅くする）ことを決定する可 これにより、機械からの熱出力が低下しますが、システム全体の性能が低下します。 この受動型冷却の利点は何ですか？ その明確な利点は、システム温度を低下させるためにシステムの電力要件が静かに低下する（ファン動作は必要ない）が、性能を制限することである。

だから、アクティブ冷却はどうですか？ 積極的に冷却されたシステムでは、OSまたはBIOSソフトウェアは、プロセッサを冷却するために、CPUマウントされたファンをオンにするなど、直接アクショ これは、CPUのメタルスラッグまたはヒートシンク上の気流の増加は、熱が比較的迅速にCPUから引き出されることを可能にするという利点を有する。 受動的に冷却されたシステムでは、CPUスロットル単独ではCPUのさらなる加熱を防ぐことができますが、ヒートシンクの”静止空気”に対する熱抵抗は非常に大きくなる可能性があり、ヒートシンクが熱を空気に非常にゆっくりと放散し、フルスピード処理への復帰を遅らせることになります。 従って、活動的な冷却を用いるシステムは最高CPUの性能およびより速い熱放散を結合できる。 但し、ファンの操作はシステムの環境に音響の騒音をもたらし、より多くの力を引きます。 どの冷却技術が優れていますか？ 実際には、それはアプリケーションに依存します; 多目的な機械は相違の状況を扱うのに両方の技術を使用する。 ACPIは、パフォーマンスモードとサイレントモードの二つの異なるモードの観点から冷却技術を概説します。 図1と図2では、2つのモードを比較しています。

図1と図2は、性能、ファンの音響ノイズ、および消費電力/消費電力のそれぞれのトレードオフを示す温度スケールの例です。 システム管理デバイスがACPI準拠であるためには、たとえば5°c間隔、またはSCI(システム制御割り込み)イベントで、新しい限界外温度増分が発生したこと これらのイベントは、OSがシステム温度を追跡し、CPUクロックを調整するか、冷却ファンの速度を増減するか、またはより抜本的な行動をとるかどうか 温度が_CRT(critical temperature)ポリシー設定を超えると、システムはCPUを保護するためにフェイルセーフとしてシャットダウンされます。 図1と図2に示す他の2つのポリシー設定は、_PSV(パッシブ冷却、またはCPUクロック調整)と_Acxです。 （ファンがついている場合の活動的な冷却）。

図1(パフォーマンスモード)では、50°Cで冷却ファンをオンにします。60°Cを超えて温度が上昇し続けると、クロックスロットリングが開始されます。 この動作は、システムがより高い温度でのみ減速されるため、システムのパフォーマンスを最大化します。 図2(サイレントモード)では、CPUクロックは最初に45℃でスロットルされます。温度が上昇し続けると、60℃で冷却ファンをオンにすることがあります。

図3は、温度測定バンドの限界が温度測定をどのように追跡するかを示しています。 各リミット交差は割り込みを生成します。

intelligent platform management interface(IPMI)仕様(Ref. 2)サーバーに同じような熱管理特徴を持って来ます。 IPMIは、システムの重要な”ハートビート”パラメータを監視することにより、サーバーの総所有コスト（TCO）を削減することを目的としています: 温度、電圧、ファン速度、およびPsu（電源ユニット）。 IPMIのもう1つの動機は、ベースボードとシャーシ間の通信を容易にするために、サーバー間の相互運用性が必要であることです。 IPMIは5ボルトI2Cバスの使用に基づいており、メッセージはパケット形式で送信されます。 IPMIの詳細は、インテルのwebサイトhttp://developer.intel.com/design/servers/ipmi/から入手できます。

アナログ-デバイセズの温度およびシステム監視(TSM)ファミリのすべてのメンバーは、ACPIおよびIPMIに準拠しています。

温度監視

Pc内のインテリジェントなファン速度制御の前提条件は、システムとプロセッサの両方の温度を正確に測定できることです。 使用されている温度監視技術は、多くの記事の対象となっています（例えば、Analog Dialogue33-4を参照してください。）そして、ここでは簡単に訪問されます。 すべてのアナログ-デバイセズ-システム-モニタリング-デバイスは、サーマル-ダイオード-モニタリング(TDM)と呼ばれる温度モニタリング技術を使用しています。 この技術は、一定電流で動作するダイオード接続トランジスタの順方向電圧が-2mv/℃程度の負の温度係数を示すことを利用しています。VBEの絶対値はデバイスごとに変化するため、この特徴だけでは、個々のキャリブレーションが必要なため、量産デバイスでの使用には適していません。 ＴＤＭ法では，二つの異なる電流をトランジスタに連続的に通過させ，電圧変化を測定した。 温度はVBEの相違と次のように関連しています:

Δ VBE=kT/q×ln(N)

ここで、

k=ボルツマン定数

q=電子電荷の大きさ

T=ケルビン単位の絶対温度

N=二つの電流の比

どのCPUでも、最も関連性の高い温度はダイの”ホットスポット”の温度です。 システム内の他のすべての温度（ヒートシンク温度を含む）は、この温度の上昇に遅れを与えます。 このため、実質的にすべてのCPU（初期のIntel Pentium IIプロセッサ以降に製造された）は、熱監視のためにダイに戦略的に配置されたトランジスタを含んでいます。 それは真の、本質的に瞬間的なダイ温度のプロファイルを提供します。 図5は、サスペンド-モードから繰り返し入退出するシステムの温度プロファイルを示しています。 これは、CPUのヒートシンクに取り付けられたサーミスタと基板サーマルダイオードによって測定された温度を比較します。 実際のダイ温度が約13度前後に変化する短い間隔では、ヒートシンクサーミスタは変化を感知することができません。

ファン制御への温度

正確な温度監視方法を確立することで、効果的なファン制御を実装することができます！ この技術は、一般に、TDMを使用して温度を測定し、センシングトランジスタをオンチップに統合するか、またはホットスポットにできるだけ近くに外 制御ループのさまざまな動作パラメータは、最小速度、ファンの起動温度、速度対温度勾配、およびターンオン/オフヒステリシスなど、プログラム可能です。 ここで説明する速度制御手法には、オンオフ、連続（「線形」）、およびパルス幅変調（PWM）が含まれます。

ファン制御方法：歴史的に、PCsのファン速度制御へのアプローチの範囲は、単純なオンオフ制御から閉ループ温度からファン速度制御までです。

ツーステップ制御：これはPcで採用されたファン速度制御の最も初期の形態でした。 BIOSはシステム温度を測定し（元々はCPUの近くにあるサーミスタを使用して）、冷却ファンを完全にオンまたはオフに切り替えるかどうかを決定します。 その後、Pcはより正確なTDMベースの温度モニタを使用して、同じツーステップのファン制御を実装しました。

三段階制御: BIOSまたはオペレーティングシステムは、サーミスタまたはサーマルダイオードを使用して温度を再度測定し、ソフトウェア設定に基づいて、ファンを完全にオン、完全にオフ、または半速度で動作するように設定するかどうかを決定します。

リニアファン速度制御：ファン速度制御のこのより最近の方法は、電圧制御としても知られています。 BIOSまたはOSは、TDM測定回路から温度を読み取り、内蔵DACにバイトを書き戻して、ファンの速度を制御するために出力電圧を設定します。 このタイプのICファン-コントローラの例としては、出力電圧範囲が0V～2.5Vの8ビットDACを内蔵したADM1022があります。 ADM1022には、TDM回路が過熱状態を検出した場合にファンをフルスピードで駆動するデフォルトの自動ハードウェア-トリップ-ポイントも含まれています。 これらのタイプのデバイスのデビューは、意思決定の一部がOSソフトウェアからシステム監視ハードウェアに移動される自動ファン速度制御の出現

パルス幅変調(PWM)ファン速度制御:ADIのシステム監視製品ラインでは、これらのPWMタイプが最新のファン制御製品です。 BIOSまたはOSは、TDMデバイスから温度を読み取り、それに適用されるPWMデューティサイクルを調整することにより、冷却ファンの速度を制御することがで

上記のファン速度制御方法はすべて、2線式システム管理バスを介してTDMデバイスから温度を読み取るためにCPUまたはホストの介入に依存してい CPUによって実行される熱管理ソフトウェアは、ファン速度を決定し、適切なファン速度を設定するためにシステムモニタICのレジスタに値を書き戻

ファン速度制御の進化における明らかな次のステップは、ソフトウェアとは独立して動作し、特定のチップ温度に対して最適な速度でファンを動 このような閉ループ速度制御には多くの利点があります。

システム監視デバイスが(必要なパラメータを持つリミットレジスタをロードすることによって)初期化されると、制御ループはソフトウェアから完全に独立し、icはホストの介入なしに温度変化に反応することができます。 この機能は、システムが回復できない致命的なシステム障害が発生した場合に特に望ましい機能です。 PCがクラッシュすると、OSの電源管理ソフトウェアが実行されなくなり、熱管理が失われます！ PCが測定されている温度を読み取ることができない場合（PCがクラッシュしたため）、必要なレベルの冷却を提供するために正しいファン速度を設定

閉ループ実装の他の具体的な利点は、任意の温度に対して最適な速度でファンを動作させることです。 これは音響の騒音およびパワー消費量が両方減ることを意味する。 全速力でファンを動かすことはパワー消費量および音響の騒音を両方最大にする。 ループの最適化によってファン速度を効果的に管理でき、所定の温度で必要な速度でのみ実行できる場合、パワードレインと可聴ファンノイズの両方が低減されます。 これは、すべてのミリアンペアの電流（またはミリアンペア秒の充電）が貴重な商品であるバッテリ駆動のノートPCアプリケーションでは絶対に重要な要

自動ファン速度制御ループ

TDM技術を使用して温度を測定し、温度の関数としてファン速度を適切に設定する自動ファン速度制御ループを実装する プログラム可能なパラメータにより、ループのより完全な制御が可能になります。 プログラムされる最初のレジスタ値はTMINです。 これは、ファンが最初にオンになり、ファン速度制御が開始される温度（ACxに相当）です。 速度は一時的に最大に設定されてファンが動作するようになり、最小速度設定に戻ります図6を参照。 温度からファンへの速度関数の傾きを制御できるパラメータは、TMAXからTMIN、またはTRANGEの範囲です。 TminとTRANGEの設定値は、ファンが最高速度に達する温度、つまりTMAX=TMIN+TRANGEを定義します。 プログラムされた温度較差は選択可能である:5&de;C、10°C、20°C、40°cおよび80°C。 TMIN付近での急速なオン/オフを避けるために、ヒステリシスを使用してtmin以下の温度を確立し、ファンをオフにします。 このファン制御ループは、SMBus経由でOSソフトウェアによって監視することができ、PCはいつでも制御ループを上書きすることを決定することができます。

リニアファン速度制御

リニアファン速度制御がすでに広く使用されている場合、パルス幅変調が望ましい理由を尋ねるかもしれません。

リニアファン速度制御を使用して12Vファンを駆動することを検討してください。 ファンに印加される電圧が0Vから約8Vにゆっくりと増加すると、ファンは回転し始めます。 ファンへの電圧が更に増加すると同時に、ファンの速度は12V.と運転されたとき最高速度で動くまで増加する。

ノートPCで使用される5-Vファンでは、状況はさらに悪化します。 4Vを超えると、ファンは全速力近くで回転する傾向があるため、4〜5vの間で利用可能な速度制御はほとんどありません。 従って、線形ファンの速度制御はほとんどのタイプの5Vファンを制御するために不適当です。

パルス幅変調(PWM)では、制御された間隔(方形波のデューティサイクル、通常は30～100Hz)に最大電圧が印加されます。 このデューティサイクル、またはハイ時間とロー時間の比が変化すると、ファンの速度が変化します。

これらの周波数では、ファンからクリーンなtach（タコメータ）パルスが受信され、信頼性の高いファン速度測定が可能になります。 駆動周波数が高くなるにつれて、正確な測定のための不十分なtachパルス、次に音響ノイズ、そして最終的にtach信号を破壊する電気的スパイクに問題が そのため、ほとんどのPWMアプリケーションでは、低周波励起を使用してファンを駆動します。 外部PWM駆動回路は非常に簡単です。 これは、ファンを駆動するために単一の外付けトランジスタまたはMOSFETで達成することができます（図7）。 アナログ速度電圧によって駆動されるリニアファン速度制御等価回路では、オペアンプの利得を設定するためにオペアンプ、パストランジスタ、およ

ファン速度はどのように測定されますか？ 3線式ファンにはtach出力があり、通常、ファンモデルに応じて1回転あたり1、2、または4tachパルスを出力します。 このデジタルtach信号は、システム監視デバイスのtach入力に直接印加されます。 ファンは比較的ゆっくりと動作し、信頼性の高いファン速度測定のために多数のtachパルスを蓄積するのにかなりの時間がかかるため、tachパルスはカ 代わりに、tachパルスを使用して、22.5kHzで動作する内蔵発振器をカウンタにゲートスルーします(図8参照)。 事実上、tach周期はファンの速度を定めるために測定されている。 Tach値レジスタのカウントが大きい場合は、ファンが低速で動作していることを示します(逆も同様です)。 限界の記録が付着するか、または失速したファンを検出するのに使用されている。

ファン速度制御には他にどのような問題がありますか？

PWMを使用してファンを制御する場合、信頼性の高い連続ファン動作のための最小デューティサイクルは約33%です。 ただし、慣性を克服するのに十分な電力がないため、ファンは33%のデューティサイクルで起動しません。 図6の説明で説明したように、この問題の解決策は、起動時にファンを2秒間回転させることです。 ファンを最小速度で動作させる必要がある場合、ファンがスピンアップした後にPWMデューティサイクルを33%に低減することができ、ヒステリシスによ

ファンストール&ファン障害

それにもかかわらず、システムで使用されている間にファンが停止する可能性があります。 原因には、ファンの動作が遅すぎる、またはほこりの蓄積が回転するのを防ぐなどがあります。 このため、アナログ-デバイセズのシステム-モニタには、ファンのtach出力に基づく内蔵メカニズムがあり、停止したファンを検出して再起動します。 Tachパルスが受信されていない場合、Tach Valueレジスタの値はTach Limitレジスタのリミットを超え、エラー-フラグが設定されます。 これにより、コントローラはファンを2秒間回転させようとしてファンを再起動しようとします。 ファンが故障し続けると、最大5回の再起動が試行されると、致命的なファン障害が存在することが確認され、FAN_FAULTピンがアサートされ、ファンが故障したことをシステムに警告します。 二つのファンのデュアルコントローラシステムでは、第二のファンは、最初のファンの故障による気流の損失を補償しようとするために、フルスピードに

概要

優れた熱管理ソリューションは、アナログ-デバイセズによって引き続き開発され、コンピューティング業界に提供されています。 ADM1029、ADM1030/31、およびADM1026用に開発された技術は、Pc内の熱管理を新たなレベルに引き上げます。 これらの装置はバックアップおよび余分なファンのための温度監視、ハードウェアの自動温度調整、ファン速度の測定、サポート、ファン現在およびファン故障検出、プログラム可能なPWMの頻度および使用率のような特徴と詰まる。 電源ガイドラインがより厳格になり、Pcが大幅に高温になるにつれて、将来のシステムをより効果的に管理するために、より洗練された温度測定およ