개/아날로그 장치의 팬 속도 제어 기술

아날로그 장치는 데스크탑 및 노트북 컴퓨터 및 서버에 사용하기 위한 포괄적인 하드웨어 모니터링 제품 세트를 제공합니다. 지능형 시스템-모니터링 장치는 정교한 팬 속도 제어 기술을 사용하여 적절한 냉각을 제공하고 시스템에서 최적의 열 성능을 유지합니다. 2015 년 11 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 12 월 15 일,2015 년 또한 아날로그 대화 33-1 및 33-4 참조). 시스템 내에서 측정 된 온도에 따라 팬 속도 제어를 제공하는이 신제품은보다 완벽한 열 관리 솔루션을 제공합니다. 우리는 여기에서 정교한 통제 및 그것을 제공하기에서 고유한 문제점의 이 수준을 위한 필요를 토론한다.

배경

새 천년이 밝아지면서 프로세서는 1 기가 헤르쯔 이상의 속도를 달성하고 있습니다. 속도와 시스템 성능에 있는 그들의 감동하는 개선은 그(것)들을 이용하는 기계 내의 열 증가 양의 발생을 동반합니다. 이 열을 안전하게 방출해야 할 필요성과 함께 컴퓨팅 업계의”녹색 컴퓨터”와 사용자 친화적 인 기계(인터넷 어플라이언스가 주류가 됨에 따라)를 개발하여보다 정교한 냉각 및 열 관리 기술의 필요성과 개발을 주도했습니다.

또한 크기와 모양이 점점 작아지기 시작했습니다. “모바일 전원 지침’99″(참조. 1)사용자의 불편 함을 유발하지 않고 노트북의 키보드를 통해 얼마나 많은 열을 안전하게 방출 할 수 있는지 규정하십시오. 과도한 열은 히트 파이프 및 히트 스프레더 플레이트를 따라 대류 또는 시스템을 통해 공기를 이동하는 팬의 사용과 같은 다른 방법으로 시스템에서 밖으로 표출해야합니다. 분명히 필요한 것은 보편적으로 채택 할 수있는 열 관리에 대한 지능적이고 효과적인 접근 방식입니다. 다양한 산업 그룹이 이러한 문제 및 기타 문제를 해결하기 위해 모였으며,노트북 컴퓨터용 고급 구성 및 전원 인터페이스,서버 관리용 지능형 플랫폼 관리 인터페이스 등의 표준을 개발했습니다.

산업 표준

새로운 열 관리/속도 제어 제품의 개발은 다음과 같은 기준에 의해 동기 부여되었습니다. 인텔,마이크로소프트,도시바는 주로 노트북 컴퓨터 내에서 전원 관리를 정의하고 구현하기 위해 고급 구성 및 전원 인터페이스를 정의했다.

전원 관리는”시스템 전력 소비를 최소화하고 시스템 열 제한을 관리하며 시스템 배터리 수명을 최대화하는 하드웨어 및 소프트웨어의 메커니즘”으로 정의됩니다. 전원 관리에는 시스템 속도,소음,배터리 수명,처리 속도 및 교류 전력 소비 간의 절충점이 포함됩니다.”

먼저 바다 또는 대륙을 가로 질러 비행하는 동안 여행 보고서를 입력하는 노트북 컴퓨터를 고려하십시오. 어떤 특성이 더 중요합니까,최대 성능 또는 배터리 수명 증가? 이러한 간단한 워드프로세서 응용 프로그램에서 사용자의 키 입력 사이의 시간이 거의 영구적인 경우,최대 프로세서 성능은 전력의 지속적인 가용성만큼 중요하지 않습니다. 그래서 프로세서 성능은 증가 된 배터리 수명에 대해 떨어져 거래 될 수있다. 한편,최신 제임스 본드 영화를 디지털 다목적 디스크에서 풀 모션,풀 스크린,정신 마비 사운드 및 밝기로 시청하려는 사용자를 고려하십시오. 시스템이 그림이나 오디오 프레임을 떨어 뜨리지 않고 소프트웨어를 충분히 빠르게 디코딩하기 위해 성능 수준에서 작동하는 것이 중요합니다. 손상 될 수 있습니다. 따라서 열 발생은 최고 수준이며 열 관리에 대한 관심은 신뢰성을 손상시키지 않으면 서 최고의 성능을 얻는 데 가장 중요 할 것입니다. 입력.

그러면 무엇이 됩니까? 구성 요소 간의 인터페이스와 구성 요소의 동작 방식을 설명하는 사양입니다. 그것은 순전히 소프트웨어 또는 하드웨어 사양,이후 바이오스 소프트웨어,운영 체제 소프트웨어 및 시스템 하드웨어 상호 작용 해야 하는 방법을 설명 합니다.

수동 냉각과 능동 냉각이라는 두 가지 시스템 냉각 방법을 설명합니다. 수동적인 냉각은 운영 체계(운영 체제)및/또는 기본적인 입출력 체계(바이오스)소프트웨어에 기계의 열 분산을 감소시키기 위하여 중앙 처리 장치 전력 소비를 감소시키기 위하여 의지합니다. 이것이 어떻게 달성 될 수 있습니까? 지정된 시간 후에 키 입력이나 다른 사용자 상호 작용이 감지되지 않은 경우 일시 중단 모드로 들어가는 것과 같은 지능적인 결정을 내립니다. 또는 시스템이 3 차원 프로세싱과 같은 집중적 인 계산을 수행하고 위험 할 정도로 뜨거워지면 바이오스는 프로세서 클럭을 스로틀(느리게)하기로 결정할 수 있습니다. 이 기계에서 열 출력을 줄일 것,하지만 전체 시스템 성능의 비용. 이 패시브 타입 냉각의 이점은 무엇입니까? 그 뚜렷한 장점은 시스템 온도를 낮추기 위해 시스템 전력 요구 사항이 자동으로(팬 작동이 필요하지 않음)저하되지만 성능을 제한한다는 것입니다.

그렇다면 활성 냉각은 어떻습니까? 시스템에서는 프로세서를 냉각시키기 위해 프로세서가 장착된 팬을 켜는 것과 같은 직접 작업을 수행합니다. 중앙 처리 장치의 금속 민달팽이 또는 열 싱크에 증가한 기류가 중앙 처리 장치에서 상대적으로 빨리 당겨지는 것을 열을 허용한다 이점이 있다. 즉,방열판이 공기로의 열을 아주 천천히 방출하여 전속 프로세싱으로의 복귀를 지연시킵니다. 따라서 능동 냉각을 사용하는 시스템은 최대 프로세서 성능과 더 빠른 열 발산을 결합 할 수 있습니다. 그러나 팬의 작동은 시스템 환경에 음향 노이즈를 도입하고 더 많은 전력을 끌어들입니다. 어떤 냉각 기술이 더 낫습니까? 실제로,그것은 응용 프로그램에 따라 달라집니다; 다재다능한 기계는 다른 상황을 취급하기 위하여 두 기술 다 사용할 것이다. 성능 모드와 무음 모드의 두 가지 모드로 냉각 기술을 설명합니다. 두 모드는 그림 1 과 2 에서 비교됩니다.

도 1 및 도 2 는 성능,팬 음향 노이즈 및 전력 소비/소산 간의 각각의 절충점을 설명하는 온도 스케일의 예이다. 시스템 관리 디바이스는 새로운 한계 외 온도 증가가 발생했다는 것을 신호할 수 있어야 합니다. 이러한 이벤트는 운영 체제가 시스템 온도를 추적하고 중앙 처리 장치 클럭을 조절할지,냉각 팬의 속도를 높이거나 낮출지 또는 더 과감한 조치를 취할지에 대한 정보에 입각 한 결정을 내릴 수있는 메커니즘을 제공합니다. 이 경우,시스템 전원이 꺼집니다. 그림 1 과 2 에 표시된 다른 두 정책 설정은 다음과 같습니다. (팬이 켜지면 활성 냉각).

그림 1(성능 모드)에서는 냉각 팬이 50 에서 켜집니다. 이 동작은 시스템이 더 높은 온도에서만 느려지므로 시스템 성능을 최대화합니다. 온도가 계속 상승하면 냉각 팬이 60 도에서 켜질 수 있습니다.

그림 3 은 온도 측정 밴드의 한계가 온도 측정을 추적하는 방법을 보여줍니다. 각 한계 교차는 인터럽트를 생성합니다.

지능형 플랫폼 관리 인터페이스 2)서버에 유사한 열 관리 기능을 제공합니다. 또한,시스템의 중요한”하트비트”파라미터를 모니터링함으로써 서버의 총 소유 비용을 절감할 수 있습니다: 온도,전압,팬 속도 및 전원 공급 장치(전원 공급 장치). 서버 간의 상호 운용성이 필요하므로 베이스 보드와 섀시 간의 통신을 용이하게 할 수 있습니다. 더 많은 스레드는 더 빠른 성능과 더 나은 멀티태스킹을 가능하게 합니다 자세한 내용은 인텔 웹 사이트http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/에서 확인할 수 있습니다.

아날로그 장치의 모든 구성원은 온도 및 시스템 모니터링 제품군입니다.

온도 모니터링

지능형 팬 속도 제어를 위한 전제 조건은 시스템 및 프로세서 온도를 정확하게 측정 할 수 있다는 것입니다. 사용 된 온도 모니터링 기술은 많은 기사의 주제였습니다(예:아날로그 대화 33-4 참조).)그리고 여기서 간단히 방문 할 것입니다. 모든 아날로그 장치 시스템 모니터링 장치는 다음과 같이 알려진 온도 모니터링 기술을 사용합니다. 이 기술은 정전류로 작동하는 다이오드 연결 트랜지스터의 순방향 전압이 음의 온도 계수를 나타낸다는 사실을 사용합니다. 두 개의 서로 다른 전류가 트랜지스터를 통해 연속적으로 전달되고 전압 변화가 측정됩니다. 온도 차이에 관련 된:전자의 전하크기(전자의 전하크기)(전자의 전하크기)(전자의 전하크기)(전자의 전하크기)1235>

어떤 중앙 처리장든지에서,가장 관련된 온도는 거푸집에”핫스팟”의 그것입니다. 시스템의 다른 모든 온도(방열판 온도 포함)는이 온도의 상승을 지연시킵니다. 이러한 이유로 거의 모든 프로세서(초기 인텔 펜티엄 2 프로세서 이후 제조)에는 열 모니터링을 위해 다이에 전략적으로 위치한 트랜지스터가 포함되어 있습니다. 그것은 다이 온도의 진정한,본질적으로 순간적인 프로파일을 제공합니다. 그림 5 는 정지 모드에서 반복적으로 진입하고 깨우는 시스템의 온도 프로파일을 보여줍니다. 그것은 중앙 처리 장치의 열 싱크와 기질 열 다이오드에 의해 붙어 있던 서미스터에 의해 측정된 온도를 비교합니다. 실제적인 온도를 위한 짧은 간격에서는 대략 13 도에 의하여 이리저리 변화하는,열 싱크 서미스터 어떤 변화도 느낄 수 없습니다 죽습니다.

팬 제어 온도

정확한 온도 모니터링 방법이 확립되어 효과적인 팬 제어를 구현할 수 있습니다! 이 기술은 일반적으로 감지 트랜지스터가 온칩에 통합되거나 외부에서 가능한 한 핫 스폿에 가깝게 배치되고 팬 속도를 해당 온도에서 충분한 열 전달을 보장하는 수준으로 설정하여 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 제어 루프의 다양한 작동 매개 변수는 최소 속도,팬 시동 온도,속도 대 온도 기울기 및 온/오프 히스테리시스와 같이 프로그래밍 가능합니다. 설명 된 속도 제어 접근법에는 온-오프,연속(“선형”)및 펄스 폭 변조가 포함됩니다.

팬 제어 방법:역사적으로,컴퓨터의 팬 속도 제어에 대한 접근 방식의 범위는 간단한 온-오프 제어에서 폐쇄 루프 온도-팬 속도 제어에 이르기까지 다양합니다.

2 단계 제어:이것은 중국에서 채택 된 팬 속도 제어의 가장 초기 형태였습니다. 시스템 온도를 측정하고 냉각팬을 완전히 켜거나 끌지 여부를 결정합니다. 나중에 컴퓨터는 동일한 2 단계 팬 제어를 구현하기 위해보다 정확한 온도 모니터를 사용했습니다.

3 단계 제어: 바이오스 또는 운영 체제는 서미스터 또는 열 다이오드를 사용하여 온도를 다시 측정하고 소프트웨어 설정에 따라 팬을 완전히 켜거나 완전히 끄거나 반 속도로 실행하도록 설정할지 여부를 결정합니다.

선형 팬 속도 제어:이 최신 팬 속도 제어 방법은 전압 제어라고도합니다. 출력 전압을 설정하여팬의 속도를 제어합니다. 선택한 팬에 적합한 설계 등급을 갖는 외부 버퍼 증폭기와 함께 작동합니다. 또한 팬이 과열 상태를 감지할 경우 최대 속도로 구동되도록 하는 기본 하드웨어 트립 포인트도 포함되어 있습니다. 이러한 유형의 장치의 데뷔는 자동 팬 속도 제어의 출현을 의미했으며,의사 결정 중 일부는 운영 체제 소프트웨어에서 시스템 모니터링 하드웨어로 이동했습니다.

펄스 폭 변조(3071)팬 속도 제어:에이디의 시스템 모니터링 제품 라인에서 이러한 3071 유형은 가장 최근의 팬 제어 제품입니다. 이를 통해 냉각팬의 속도를 조절할 수 있습니다.

위의 모든 팬 속도 제어 방법은 중앙 프로세서 또는 호스트 개입에 의존하여 2 선식 시스템 관리 버스를 통해 장치의 온도를 읽는 것입니다. 그런 다음 팬 속도를 결정하고 시스템 모니터의 레지스터에 값을 다시 써서 적절한 팬 속도를 설정해야 합니다.

팬 속도 제어의 진화의 명백한 다음 단계는 소프트웨어와 독립적으로 동작하고 주어진 칩 온도에 대한 최적의 속도로 팬을 실행할 수있는 자동 팬 속도 제어 루프를 구현하는 것입니다. 이러한 폐쇄 루프 속도 제어에는 많은 이점이 있습니다.

일단 시스템 모니터링 장치가 초기화되면(필요한 파라미터로 리미트 레지스터를 로드함으로써),제어 루프는 소프트웨어와 완전히 독립적이며,제어 루프는 호스트 개입 없이 온도 변화에 반응할 수 있다. 이 기능은 시스템을 복구 할 수없는 치명적인 시스템 오류가 발생할 때 특히 바람직합니다. 컴퓨터가 충돌하면 운영 체제의 전원 관리 소프트웨어가 더 이상 실행되지 않아 열 관리가 손실됩니다! (컴퓨터가 추락했기 때문에)측정되는 온도를 읽을 수 없으면 필요한 냉각 수준을 제공하기 위해 올바른 팬 속도를 설정할 수 없습니다.

폐쇄 루프 구현의 또 다른 확실한 이점은 주어진 온도에 대해 최적의 속도로 팬을 작동한다는 것입니다. 즉,음향 소음 및 전력 소비가 모두 줄어 듭니다. 최고 속도로 팬을 실행하면 전력 소비 및 음향 소음을 최대화합니다. 루프 최적화를 통해 팬 속도를 효과적으로 관리 할 수있는 경우 주어진 온도에 필요한만큼 빠르게 작동하면 전력 소모 및 가청 팬 소음이 모두 줄어 듭니다. 이것은 전류의 모든 밀리 암페어(또는 밀리 암페어 초 충전)가 귀중한 필수품이되는 배터리 구동 노트북 컴퓨터 응용 프로그램에서 절대적으로 중요한 요구 사항입니다.

자동 팬 속도 제어 루프

자동 팬 속도 제어 루프를 구현하는 방법은 다음과 같습니다. 프로그래밍 가능한 매개 변수를 통해 루프를보다 완벽하게 제어 할 수 있습니다. 프로그래밍 할 첫 번째 레지스터 값은 다음과 같습니다. 팬이 먼저 켜지고 팬 속도 제어가 시작되는 온도입니다. 속도는 순간적으로 팬을 얻기 위해 최대로 설정 한 다음 최소 속도 설정으로 돌아갑니다(그림 6 참조). 온도 대 팬 속도 기능의 기울기를 제어할 수 있는 매개 변수는 티맥스에서 티민 또는 트랜슬레인지의 범위입니다. 팬이 최대 속도에 도달하는 온도를 정의합니다. 프로그래밍된 온도 범위를 선택할 수 있:5&드;C,10°C,20°C,40°C 과 80°C. 티민 부근에서 빠른 사이클링을 켜고 끄는 것을 방지하기 위해 히스테리시스를 사용하여 티민 이하의 온도를 설정하고 팬이 꺼집니다. 이 팬 제어 루프는 언제든지 제어 루프를 무시할 수 있습니다.

선형 팬 속도 제어

선형 팬 속도 제어가 이미 널리 사용되는 경우 펄스 폭 변조가 바람직한 이유를 물을 수 있습니다.

선형 팬 속도 제어를 사용하여 구동되는 12 볼트 팬을 고려하십시오. 팬에 적용되는 전압이 0 개의 볼트에서 대략 8 개의 볼트로 천천히 증가되기 때문에,팬은 회전시키는 것을 시작할 것입니다. 따라서 12 볼트 팬에는 8 개의 볼트와 12 의 볼트 사이 효과적인 작동 창이 있습니다;속도 제어에 있는 사용을 위해 유효한 단지 4 개의 볼트의 범위로.

노트북과 함께 사용할 수 있는 5 대 팬의 상황은 더욱 악화된다. 4 개의 볼트의 위,팬은 가득 차있 속도의 가까이에 회전시켜 경향이 있을 것입니다,그래서 4 개 그리고 5 개 볼트 사이 조금 유효한 속도 제어가 있습니다. 따라서,선형 팬 속도 제어 적합하지 제어 대부분의 유형 5 볼트 팬.펄스 폭 변조를 사용하면 제어 된 간격(일반적으로 30~100 헤르쯔의 구형파의 듀티 사이클)에 대해 최대 전압이 적용됩니다. 이 듀티 사이클 또는 높은 시간과 낮은 시간의 비율이 다양하기 때문에 팬의 속도가 변경됩니다.

이 주파수에서 깨끗한 타코미터(타코미터)펄스가 팬으로부터 다시 수신되어 안정적인 팬 속도 측정이 가능합니다. 드라이브 주파수가 높아짐에 따라 정확한 측정을 위해 타코 펄스 부족,음향 노이즈 및 마지막으로 타코 신호를 손상시키는 전기 스파이크에 문제가 있습니다. 따라서 대부분의 응용 프로그램은 낮은 주파수 여기를 사용하여 팬을 구동합니다. 외부 드라이브 회로는 매우 간단합니다. 단일 외부 트랜지스터 또는 모스 펫으로 팬을 구동 할 수 있습니다(그림 7). 아날로그 속도 전압에 의해 구동되는 선형 팬 속도 제어 등가물은 연산 증폭기,패스 트랜지스터 및 연산 증폭기 게인을 설정하기 위해 한 쌍의 저항이 필요합니다.

팬 속도는 어떻게 측정됩니까? 3 선 팬에는 일반적으로 팬 모델에 따라 회전 당 1,2 또는 4 개의 타코 펄스 출력이 있습니다. 이 디지털 타코 신호는 시스템 모니터링 장치의 타코 입력에 직접 적용됩니다. 팬이 상대적으로 느리게 작동하기 때문에 타코 펄스는 계산되지 않으며 신뢰할 수있는 팬 속도 측정을 위해 많은 수의 타코 펄스를 축적하는 데 상당한 시간이 걸립니다. 대신,타코 펄스는 카운터를 통해 22.5 킬로헤르츠에서 실행되는 온칩 오실레이터를 게이트하는 데 사용됩니다(그림 8 참조). 사실상,타코치 주기는 팬 속도를 결정하기 위해 측정되고 있다. 타코치 값 레지스터의 높은 카운트는 팬이 저속(또는 그 반대)으로 실행됨을 나타냅니다. 제한 레지스터는 고착 또는 정체 된 팬을 감지하는 데 사용됩니다.

팬 속도 제어에 어떤 다른 문제가 있습니까?

경우 통제를 사용하는 팬 PWM 최소 듀티 사이클에 대한 신뢰할 수 있는 연속 팬 작업은 대략 33%. 그러나,팬은 33%의무 주기에 그것의 관성을 극복하기 위하여 유효한 충분한 힘이 없기 때문에 위로 시작하지 않을 것입니다. 그림 6 에서 설명한 바와 같이,이 문제에 대한 해결책은 시작시 2 초 동안 팬을 회전시키는 것입니다. 팬이 최소 속도로 작동해야하는 경우 팬이 회전 한 후 33%로 감소 할 수 있으며 히스테리시스에 의해 실속되지 않도록 보호됩니다.

팬 포장마차&팬 고장

그럼에도 불구하고 시스템에서 사용하는 동안 팬이 어느 정도 실속될 가능성이 발생할 수 있다. 원인에는 팬이 너무 느리게 작동하거나 먼지가 쌓여 회전하지 못할 수 있습니다. 이러한 이유로 아날로그 장치 시스템 모니터에는 정체 된 팬을 감지하고 다시 시작하기 위해 팬의 타코 출력을 기반으로 한 온칩 메커니즘이 있습니다. 태크 펄스가 수신되지 않으면 태크 값 레지스터의 값이 태크 제한 레지스터의 제한을 초과하고 오류 플래그가 설정됩니다. 이 컨트롤러는 2 초 동안 그것을 회전하려고하여 팬을 다시 시작하려고합니다. 팬이 계속 실패하면 최대 5 번의 재시작을 시도해도 심각한 팬 오류가 발생할 수 있습니다. 2 팬 듀얼 컨트롤러 시스템에서 두 번째 팬은 최대 속도로 회전하여 첫 번째 팬의 고장으로 인한 공기 흐름 손실을 보상 할 수 있습니다.

요약

뛰어난 열 관리 솔루션은 아날로그 장치를 통해 컴퓨팅 산업에 계속 개발되고 제공됩니다. 이 기술은 새로운 수준의 열 관리를 제공합니다. 이러한 장치에는 온도 모니터링,하드웨어의 자동 온도 제어,팬 속도 측정,백업 및 중복 팬 지원,팬 존재 및 팬 오류 감지,프로그래밍 가능한 주파수 및 듀티 사이클과 같은 기능이 포함되어 있습니다. 전력 지침이 더욱 엄격해지고 컴퓨터가 훨씬 더 뜨거워짐에 따라,보다 정교한 온도 측정 및 팬 속도 제어 기술이 개발되어 미래의 시스템을보다 효과적으로 관리 할 수 있습니다.