Viftehastighet Kontroll Teknikker I PCs

Analog Devices tilbyr et omfattende sett av hardware overvåking produkter for bruk i stasjonære Og bærbare Pcer, og servere. Intelligente systemer-overvåkingsenheter muliggjør sofistikerte viftehastighetskontrollteknikker for å gi tilstrekkelig kjøling og opprettholde optimal termisk ytelse i systemet. I løpet av det siste året har EN familie av produkter, inkludert ADM1029 Dual PWM Viftekontroller og Temperaturregulator, ADM1026 Og ADM1030/31 Komplett, ACPI-Kompatibel, Tokanals ±1°C Ekstern Termisk Skjerm med integrert viftekontroller, for en eller to uavhengige vifter, blitt utviklet. De bygger på kjerneteknologien som brukes I Produktporteføljen ADM102x PC System Monitor (Se Også Analog Dialog 33-1 og 33-4). Disse nye produktene gir viftehastighetskontroll basert på temperaturene som måles i systemet, og tilbyr mer komplette løsninger for termisk styring. Vi diskuterer her behovet for dette nivået av sofistikert kontroll og problemene som ligger i å gi det.

Bakgrunn

som det nye årtusenet begynner, oppnår prosessorer hastigheter på 1 GHz og mer. Deres imponerende forbedringer i hastighet og systemytelse er ledsaget av generering av økende mengder varme i maskinene som bruker dem. Behovet for å trygt spre denne varmen, sammen med trekk i databehandlingsindustrien for å utvikle “Grønne Pcer” og brukervennlige maskiner (Som internett-apparater blir vanlige) har drevet behovet for og utvikling av mer sofistikerte kjøle – og termisk styringsteknikker.

Pcer har også begynt å bli mindre og mindre konvensjonelle i størrelse og form-som det kan ses i noen av de nyeste konsept-Pcene eller slanke bærbare på markedet. Stive strømfordelingsspesifikasjoner som “Mobile power guidelines’ 99 ” (Ref. 1) angi hvor mye varme som trygt kan løses gjennom tastaturet på en bærbar pc uten å forårsake ubehag for brukeren. Eventuell overskuddsvarme må kanaliseres ut fra systemet på annen måte, for eksempel konveksjon langs varmerør og en varmesprederplate, eller bruk av en vifte for å flytte luft gjennom systemet. Det er klart at det som trengs er en intelligent, effektiv tilnærming til termisk styring som kan vedtas universelt. Ulike bransjegrupper har samlet seg for å løse disse og andre problemer, og har utviklet standarder SOM ACPI (advanced configuration and power interface) for bærbare Pcer og IPMI (intelligent platform management interface) for serveradministrasjon.

Industristandarder

utviklingen av de nye varmestyrings – / hastighetskontrollproduktene var motivert AV ACPI-og IPMI-standardene. Den avanserte konfigurasjonen OG strømgrensesnittet-ACPI ble definert av Intel, Microsoft og Toshiba primært for å definere og implementere strømstyring i bærbare PC-ER.

Strømstyring er definert som “Mekanismer i maskinvare og programvare for å minimere systemets strømforbruk, administrere systemets termiske grenser og maksimere systemets batterilevetid. Strømstyring innebærer avvik mellom systemhastighet, støy, batterilevetid, prosesshastighet og vekselstrømforbruk.”

Vurder først en notebook-PC-bruker som skriver turrapporter mens de flyr over hav eller kontinenter. Hvilken egenskap er viktigere, maksimal CPU-ytelse eller økt batterilevetid? I et så enkelt tekstbehandlingsprogram, hvor tiden mellom brukerens tastetrykk er nesten en evighet I CPU-klokkesykluser, er maksimal CPU-ytelse ikke så nær så kritisk som kontinuerlig tilgjengelighet av strøm. SÅ CPU-ytelse kan handles mot økt batterilevetid. På den annen side, vurdere brukeren som ønsker å se Den nyeste James Bond-filmen i full-motion, full-screen, mind-numbing lyd og lysstyrke, på digital versatile disk (DVD). Det er viktig at systemet opererer på et nivå av ytelse for å dekode programvaren raskt nok, uten å slippe bilde eller lyd rammer. I denne situasjonen KAN CPU-ytelsen ikke kompromitteres. Derfor vil varmeproduksjon være på toppnivå, og oppmerksomhet på termisk styring vil være av avgjørende betydning for å oppnå topp ytelse uten å svekke påliteligheten. Skriv INN ACPI.

HVA er DA ACPI? ACPI er en spesifikasjon som beskriver grensesnittet mellom komponenter og hvordan de oppfører seg. DET er ikke en ren programvare-eller maskinvarespesifikasjon, siden DEN beskriver hvordan BIOS-programvaren, OS-programvaren og systemmaskinvaren skal samhandle.

acpi-spesifikasjonen skisserer to forskjellige metoder for systemkjøling: passiv kjøling og aktiv kjøling. Passiv kjøling er avhengig av operativsystemet (OS) og/eller basic input / output-system (BIOS) programvare for å redusere CPU strømforbruk for å redusere varmespredning av maskinen. Hvordan kan dette oppnås? Ved å ta intelligente beslutninger som å gå Inn I Hvilemodus hvis ingen tastetrykk eller annen brukerinteraksjon er oppdaget etter en bestemt tid. Eller hvis systemet gjør noen intensive beregninger, FOR EKSEMPEL 3D-behandling, og blir farlig varmt, KAN BIOS bestemme seg for å smelte (senke) CPU-klokken. Dette vil redusere termisk utgang fra maskinen, men på bekostning av total systemytelse. Hva er fordelen med denne passive typen kjøling? Den klare fordelen er at systemstrømbehovet senkes stille (viftedrift er ikke nødvendig) for å redusere systemtemperaturen, men det begrenser ytelsen.

Så hva med aktiv kjøling? I et aktivt avkjølt system tar OS-eller BIOS-programvaren en direkte handling, for eksempel å slå PÅ EN CPU – montert vifte, for å kjøle ned prosessoren. Det har fordelen at den økte luftstrømmen over CPU metall slug eller kjøleribbe gjør at varmen kan trekkes ut av CPU relativt raskt. I et passivt avkjølt system vil CPU-gasspjeld alene forhindre ytterligere oppvarming av CPUEN, men den termiske motstanden til kjøleflaten til “stillluft” kan være ganske stor, noe som betyr at kjøleflaten vil spre varmen til luften ganske sakte, og forsinke en retur til fullhastighetsbehandling. Dermed kan et system som bruker aktiv kjøling kombinere maksimal CPU-ytelse og raskere varmeavledning. Drift av viften introduserer imidlertid akustisk støy i systemets miljø og trekker mer strøm. Hvilken kjøleteknikk er bedre? I virkeligheten avhenger det av søknaden; en allsidig maskin vil bruke begge teknikker for å håndtere ulike forhold. ACPI skisserer kjøleteknikker i form av to forskjellige moduser: performance mode og silent mode. De to modusene er sammenlignet I Figur 1 og 2.

Figur 1 Og 2 er eksempler på temperaturskalaer som illustrerer de respektive avvikene mellom ytelse, vifteakustisk støy og strømforbruk / spredning. For at en systemadministrasjonsenhet skal VÆRE ACPI-kompatibel, bør den være i stand til å signalisere grenseoverganger ved for eksempel 5°c-intervaller eller SCI (system-control interrupt) – hendelser, at en ny temperaturøkning utenfor grensen har skjedd. Disse hendelsene gir en mekanisme SOM OPERATIVSYSTEMET kan spore systemtemperaturen og ta informerte beslutninger om å smelte CPU-klokken, øke / redusere kjøleviftenes hastighet eller ta mer drastiske tiltak. Når temperaturen overskrider policyinnstillingen _crt (kritisk temperatur), slås systemet av som en feilsikker FOR å beskytte CPU-EN. De to andre policyinnstillingene som vises i Figur 1 og 2 ER _PSV (passiv kjøling eller CPU clock throttling) Og _ACx. (aktiv kjøling, når viften slås på).

i Figur 1 (ytelsesmodus) er kjøleviften slått på ved 50°C. skulle temperaturen fortsette å stige utover 60°C, startes klokkeregulering. Denne virkemåten vil maksimere systemytelsen, siden systemet bare blir redusert ved høyere temperatur. I Figur 2 (stille modus) blir CPU-klokken først spjeldet ved 45 grader C. hvis temperaturen fortsetter å stige, kan en kjølevifte slås på ved 60 grader C. denne modusen med redusert ytelse vil også ha en tendens til å øke batterilevetiden, siden gasspjeldet tilbake reduserer strømforbruket.

Figur 3 viser hvordan grensene for temperaturmålingsbåndene sporer temperaturmåling. Hver grenseovergang gir et avbrudd.

spesifikasjonen for intelligent platform management interface (IPMI) (Ref. 2) bringer lignende termiske styringsfunksjoner til servere. IPMI er rettet mot å redusere de totale eierkostnadene (TCO) til en server ved å overvåke de kritiske” hjerteslag ” parametrene i systemet: temperatur, spenninger, viftehastigheter og Psuer (strømforsyningsenheter). EN annen motivasjon FOR IPMI er behovet for interoperabilitet mellom servere, for å lette kommunikasjonen mellom baseboards og chassis. IPMI er basert på bruk av en 5-volt I2C buss, med meldinger sendt i pakkeform. Ytterligere INFORMASJON OM IPMI er tilgjengelig fra Intels nettsted på http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/.

Alle medlemmer Av Tsm-familien (Analog Devices Temperature And Systems-Monitoring) er acpi-og IPMI-kompatible.

Temperaturovervåking

forutsetningen for intelligent viftehastighetskontroll i Pcer er evnen til å måle både system-og prosessortemperaturen nøyaktig. Temperaturovervåkingsteknikken som brukes har vært gjenstand for mange artikler (for Eksempel, se Analog Dialog 33-4.) og vil bare bli kort besøkt her. Alle Analoge Enheter systemovervåkingsenheter bruker en temperaturovervåkningsteknikk kjent som termisk diode overvåking (TDM). Teknikken gjør bruk av det faktum at fremspenningen til en diode-tilkoblet transistor, som drives ved en konstant strøm, utviser en negativ temperaturkoeffisient, omtrent-2mv / °C. Siden absoluttverdien av VBE varierer fra enhet til enhet, er denne funksjonen i seg selv uegnet til bruk i masseproduserte enheter, fordi hver enkelt ville kreve individuell kalibrering. I tdm-teknikken passerer to forskjellige strømmer suksessivt gjennom transistoren, og spenningsendringen måles. Temperaturen er relatert TIL forskjellen I VBE ved:

Δ = kt/q × ln(N)

hvor:

k = Boltzmanns konstant

q = elektronladningsstørrelse

t = absolutt temperatur i kelvins

N = forholdet mellom de to strømmene

i EN HVILKEN SOM HELST CPU er den mest relevante temperaturen den for “hot spot” på dysen. Alle andre temperaturer i systemet (inkludert kjøletemperaturen) vil forsinke økningen i denne temperaturen. Av denne grunn inneholder praktisk talt HVER CPU (produsert siden De tidlige Intel Pentium II-prosessorene) en strategisk plassert transistor på sin dør for termisk overvåking. Det gir en sann, i hovedsak øyeblikkelig, profil av dø temperatur. Figur 5 viser temperaturprofiler i et system som gjentatte ganger går inn og vekkes fra hvilemodus. Den sammenligner temperaturene målt av en termistor festet TIL CPU-kjøleribben og av substratvarmedioden. I det korte intervallet for den faktiske dørtemperaturen å skifte frem og tilbake med ca 13 grader, kan ikke termistoren for varmeavløp føle noen endring.

Temperatur Til Viftekontroll

med en nøyaktig temperaturovervåkingsmetode etablert, kan effektiv viftekontroll implementeres! Teknikken er generelt å bruke TDM til å måle temperatur, med sensing transistoren enten integrert på chip eller eksternt plassert så nær som mulig til et hot-spot, og sette viftehastigheten på et nivå som vil sikre tilstrekkelig varmetransport ved den temperaturen. Ulike driftsparametere for kontrollsløyfen vil være programmerbare, for eksempel minimumshastighet, viftestartstemperatur, hastighet versus temperaturhelling og slå på / av hysterese. Hastighetskontrollmetodene som beskrives vil inkludere on-off, kontinuerlig (“lineær”) og pulsbreddemodulasjon (pwm).

Vifte-kontrollmetoder: Historisk sett er rekkevidden av tilnærminger til viftehastighetskontroll i Pcer fra enkel på-av-kontroll til lukket temperatur-til-viftehastighetskontroll.

to-trinns kontroll: Dette var den tidligste formen for viftehastighetskontroll vedtatt I Pcer. BIOS ville måle systemtemperaturen (opprinnelig ved hjelp av en termistor i nærheten AV CPU) og bestemme om du vil slå en kjølevifte helt på eller av. Senere Brukte Pc-Er mer nøyaktige tdm-baserte temperaturmonitorer for å implementere den samme to-trinns viftekontrollen.

tre-trinns kontroll: BIOS eller Operativsystemet måler igjen temperaturen ved hjelp av en termistor eller termisk diode og, basert på programvareinnstillinger, bestemmer seg for å slå viften helt på, helt av eller sette den til å kjøre med halv hastighet.

Lineær viftehastighetskontroll: Denne nyere metoden for viftehastighetskontroll er også kjent som spenningskontroll. BIOS eller OS leser temperaturen FRA tdm målekretsen og skriver tilbake en byte til en on-chip DAC, for å stille utgangsspenningen for å styre hastigheten på viften. ET eksempel PÅ en ic-viftestyring av denne typen ER ADM1022, som har en 8-bit DAC on-chip med et utgangsspenningsområde på 0 V til 2,5 V. den fungerer med en ekstern bufferforsterker som har passende designverdier for den valgte viften. ADM1022 inneholder også standard automatisk maskinvare tur poeng som forårsaker viften å bli drevet i full hastighet i tilfelle at DENS TDM krets oppdager en over-temperatur tilstand. Debuten til disse typer enheter betydde fremveksten av automatisk viftehastighetskontroll, hvor noen av beslutningene flyttes fra OS-programvare til systemovervåkingsmaskinvare.

pulsbreddemodulasjon (Pwm) viftehastighetskontroll: I ADIS systemovervåkingsproduktlinje er DISSE PWM-typene de nyeste viftekontrollproduktene. BIOS ELLER OS kan lese temperaturen FRA tdm-enheten og kontrollere kjøleviftenes hastighet ved å justere PWM-driftssyklusen på den.

det er verdt å merke seg at alle de ovennevnte metodene for viftehastighetskontroll er avhengige AV CPU eller vertsintervensjon for å lese temperaturen fra tdm-enheten over 2-leders Systemadministrasjonsbussen. Den termiske styringsprogramvaren som UTFØRES av CPUEN, må da bestemme hva viftehastigheten skal være og skrive tilbake en verdi til et register på systemmonitoren ic for å stille inn riktig viftehastighet.

et åpenbart neste trinn i utviklingen av viftehastighetskontroll er å implementere en automatisk viftehastighetskontrollsløyfe, som kan oppføre seg uavhengig av programvare og kjøre viften med optimal hastighet for en gitt chiptemperatur. Det er mange fordeler med en slik lukket hastighetskontroll.

når systemovervåkingsenheten er initialisert (ved å laste grenseregistre med nødvendige parametere), er kontrollsløyfen helt uavhengig av programvare, og ic kan reagere på temperaturendringer uten vertsintervensjon. Denne funksjonen er spesielt ønskelig når det oppstår en katastrofal systemfeil, hvorfra systemet ikke kan gjenopprette. Hvis PCEN krasjer, kjører strømstyringsprogramvaren i OPERATIVSYSTEMET ikke lenger, noe som resulterer i tap av termisk styring! HVIS PCEN ikke kan lese temperaturen som måles (SIDEN PCEN har krasjet), kan DEN ikke forventes å stille inn riktig viftehastighet for å gi det nødvendige kjølenivået.

den andre konkrete fordelen med en lukket sløyfe-implementering er at den vil betjene viften med optimal hastighet for en gitt temperatur. Dette betyr at både akustisk støy og strømforbruk reduseres. Kjører en vifte i full hastighet maksimerer både strømforbruk og akustisk støy. Hvis viftehastigheten kan styres effektivt gjennom loop optimalisering, kjører bare så fort som nødvendig for en gitt temperatur, strømavløp og hørbar viftestøy er begge redusert. Dette er et helt kritisk krav i batteridrevne bærbare PC-applikasjoner der hver milliampere av strøm (eller milliampers sekund) er en verdifull vare.

Automatisk Viftehastighetskontrollsløyfe

Slik kan man implementere en automatisk viftehastighetskontrollsløyfe, som vil måle temperaturen ved HJELP AV TDM-teknikker og stille viftehastigheten riktig som en funksjon av temperaturen. Programmerbare parametere tillater mer fullstendig kontroll av sløyfen. Den første registerverdien som skal programmeres ER TMIN. Dette er temperaturen (tilsvarende ACx) der viften først vil slå på, og hvor viftehastighetskontrollen vil begynne. Hastigheten er øyeblikkelig satt til maksimum for å få viften i gang, og deretter tilbake til minimumshastighetsinnstillingen (Se Figur 6). Parameteren som tillater kontroll av hellingen til temperatur-til-viftehastighet-funksjonen, er området FRA TMAX TIL TMIN eller TRANGE. De programmerte verdiene for TMIN og TRANGE definerer temperaturen der viften vil nå maksimal hastighet, dvs. TMAX = TMIN + TRANGE. Det programmerte temperaturområdet kan velges: 5& de;C, 10°C, 20°C, 40°C og 80°C. For å unngå rask sykling på og av i NÆRHETEN AV TMIN, brukes hysterese til å etablere en temperatur under TMIN, hvor viften er slått av. Mengden hysterese som kan programmeres inn i sløyfen er 1°C til 15°C. denne viftekontrollsløyfen kan overvåkes av OS-programvare over SMBus og PCEN kan bestemme seg for å overstyre kontrollsløyfen når som helst.

PWM vs. Lineær Viftehastighetskontroll

man kan spørre hvorfor pulsbreddemodulasjon er ønskelig hvis lineær viftehastighetskontroll allerede er i utbredt bruk.

Vurder en 12-V-vifte som drives med lineær viftehastighetskontroll. Da spenningen på viften økes sakte fra 0 V til ca 8 v, begynner viften å snurre. Når spenningen til viften økes ytterligere, vil viftehastigheten øke til den kjører med maksimal hastighet når den drives med 12 V. dermed har 12-v-viften et effektivt driftsvindu mellom 8 V og 12 V; med en rekkevidde på bare 4 V tilgjengelig for bruk i hastighetskontroll.

situasjonen blir enda verre med 5-v-viften som ville bli brukt med en bærbar PC. Viften starter ikke før den påførte spenningen er omtrent 4 V. over 4 V vil viften ha en tendens til å spinne nær full hastighet, så det er lite tilgjengelig hastighetskontroll mellom 4 og 5 volt. Dermed er lineær viftehastighetskontroll uegnet til å kontrollere de FLESTE typer 5v-fans.

med pulsbreddemodulasjon (pwm) brukes maksimal spenning for kontrollerte intervaller (driftssyklusen til en firkantbølge, vanligvis ved 30 Til 100 Hz). Da denne driftssyklusen, eller forholdet mellom høy tid og lav tid, er variert, vil viftenes hastighet endres.

ved disse frekvensene mottas rene tach-pulser (turteller) tilbake fra viften, noe som gir pålitelig måling av viftehastighet. Som drivfrekvenser gå høyere, er det problemer med utilstrekkelig tach pulser for nøyaktig måling, deretter akustisk støy, og til slutt elektriske pigger ødelegge tach signal. Derfor bruker de FLESTE pwm-applikasjoner lavfrekvent eksitasjon for å kjøre viften. Den eksterne pwm-drivkretsen er ganske enkel. Det kan oppnås (Figur 7) med en enkelt ekstern transistor eller MOSFET for å kjøre viften. Den lineære viftehastighetskontrollekvivalenten, drevet av en analog hastighetsspenning, krever en op-amp, en pass-transistor og et par motstander for å stille op-amp-forsterkningen.

hvordan måles viftehastigheten? En 3-leder fan har en tach utgang, som vanligvis utganger 1, 2, eller 4 tach pulser per omdreining, avhengig av viften modell. Dette digitale tach-signalet blir deretter direkte påført tach-inngangen på systemovervåkingsenheten. Tach pulser telles ikke, fordi en vifte går relativt sakte, og det ville ta en betydelig mengde tid å samle et stort antall tach pulser for en pålitelig viftehastighetsmåling. I stedet brukes tach-pulser til å gate en on-chip-oscillator som kjører ved 22,5 kHz gjennom til en teller (Se Figur 8). I virkeligheten måles tach-perioden for å bestemme viftehastigheten. Et høyt antall i tach-verdiregisteret indikerer at en vifte kjører med lav hastighet (og omvendt). Et limit register brukes til å oppdage sticking eller stalled fans.

Hvilke andre problemer er det med viftehastighetskontroll?

ved styring av en vifte ved BRUK AV PWM, er minimum driftssyklus for pålitelig kontinuerlig viftedrift ca. 33%. En vifte vil imidlertid ikke starte opp med 33% driftssyklus fordi det ikke er nok strøm tilgjengelig for å overvinne tregheten. Som nevnt i diskusjonen Av Figur 6, er løsningen på dette problemet å spinne viften opp i 2 sekunder ved oppstart. Hvis viften må kjøres med minimumshastighet, KAN PWM-arbeidssyklusen reduseres til 33% etter at viften har spunnet opp, og den er beskyttet mot stalling av hysteresen.

Vifteboder & Viftefeil

likevel kan det oppstå at en vifte kan stanse på et tidspunkt mens den brukes i et system. Årsaker kan inkludere en vifte som opererer for sakte, eller støvoppbygging som hindrer det i å spinne. Av Denne grunn Har Analog Devices systems-skjermene en on-chip-mekanisme basert på viftenes tach-utgang for å oppdage og starte en stoppet vifte på nytt. Hvis det ikke mottas tach-pulser, vil verdien i Tach-Verdiregisteret overskride grensen i Tach-Grenseregisteret, og et feilflagg vil bli angitt. Dette vil føre til at kontrolleren forsøker å starte viften på nytt ved å prøve å spinne den opp i 2 sekunder. Hvis viften fortsetter å mislykkes, for opptil 5 forsøk på omstart, en katastrofal fan svikt er anerkjent for å eksistere, OG EN FAN_FAULT pin vil hevde å advare systemet om at en fan har mislyktes. I to-fan dual-controller-systemer kan den andre viften spinnes opp til full fart for å prøve å kompensere for tapet i luftstrømmen på grunn av feilen i den første viften.

Sammendrag

Overlegne termiske styringsløsninger fortsetter å bli utviklet og tilbudt til databehandlingsindustrien Av Analoge Enheter. Teknikkene utviklet FOR ADM1029, ADM1030 / 31 og ADM1026 tar termisk styring innen PCs til et nytt nivå. Disse enhetene er fullpakket med funksjoner som temperaturovervåking, automatisk temperaturkontroll i maskinvare, viftehastighetsmåling, støtte for backup og redundante vifter, viftefeildeteksjon, programmerbar pwm-frekvens og driftssyklus. Etter hvert som strømretningslinjene blir strengere, og Pc-ene kjører betydelig varmere, utvikles mer sofistikerte temperaturmålinger og viftehastighetskontrollteknikker for å styre fremtidens systemer mer effektivt.