técnicas de controle de Velocidade Do Ventilador Em PCs

dispositivos analógicos oferece um conjunto abrangente de produtos de monitoramento de hardware para uso em PCs desktop e notebook, e servidores. Sistemas inteligentes-os dispositivos de monitoramento possibilitam técnicas sofisticadas de controle de Velocidade do ventilador para fornecer resfriamento adequado e manter o desempenho térmico ideal no sistema. Durante o ano passado, uma família de produtos, incluindo o controlador de ventilador PWM duplo ADM1029 e o Monitor de temperatura, o ADM1026 e o ADM1030/31 monitor térmico remoto completo, compatível com ACPI, de canal duplo ±1°C Com Controlador de ventilador integrado, para um ou dois ventiladores independentes, foram desenvolvidos. Eles se baseiam na tecnologia principal usada no portfólio de produtos ADM102x PC System Monitor (consulte também diálogo Analógico 33-1 e 33-4). Fornecendo controle de Velocidade do ventilador com base nas temperaturas medidas dentro do sistema, esses novos produtos oferecem soluções de gerenciamento térmico mais completas. Discutimos aqui a necessidade desse nível de controle sofisticado e as questões inerentes ao seu fornecimento.

Background

à medida que o novo milênio amanhece, os processadores estão atingindo velocidades de 1 GHz e mais. Suas melhorias impressionantes na velocidade e no desempenho do sistema são acompanhadas pela geração de quantidades crescentes de calor dentro das máquinas que as usam. A necessidade de dissipar com segurança esse calor, juntamente com movimentos na indústria de computação para desenvolver “PCs verdes” e máquinas fáceis de usar (à medida que os aparelhos da Internet se tornam mainstream), impulsionou a necessidade e o desenvolvimento de técnicas mais sofisticadas de resfriamento e gerenciamento térmico.Os PCs também começaram a se tornar menores e menos convencionais em tamanho e forma-como pode ser visto em qualquer um dos PCs conceituais mais recentes ou notebooks de linha fina do mercado. Especificações rígidas de dissipação de energia, como “Mobile power guidelines’ 99 ” (Ref. 1) estipule quanto calor pode ser dissipado com segurança através do teclado de um notebook sem causar desconforto ao usuário. Qualquer excesso de calor deve ser canalizado para fora do sistema por outros meios, como Convecção ao longo de tubos de calor e uma placa de espalhador de calor, ou o uso de um ventilador para mover o ar através do sistema. Claramente, o que é necessário é uma abordagem inteligente e eficaz para o gerenciamento térmico que possa ser adotada universalmente. Vários grupos da indústria se reuniram para resolver esses e outros problemas e desenvolveram padrões como ACPI (advanced configuration and power interface) para notebooks e IPMI (intelligent platform management interface) para gerenciamento de servidores.

padrões da indústria

o desenvolvimento dos novos produtos de gerenciamento térmico / Controle de velocidade foi motivado pelos padrões ACPI e IPMI. A Advanced configuration and power interface-ACPI foi definida pela Intel, Microsoft e Toshiba principalmente para definir e implementar o gerenciamento de energia dentro de Computadores portáteis.O gerenciamento de energia é definido como ” mecanismos em hardware e software para minimizar o consumo de energia do sistema, Gerenciar limites térmicos do sistema e maximizar a vida útil da bateria do sistema. O gerenciamento de energia envolve trocas entre a velocidade do sistema, ruído, vida útil da bateria, velocidade de processamento e consumo de energia CA.”

considere primeiro um usuário de notebook-PC que digita relatórios de viagem enquanto voa pelos oceanos ou continentes. Qual característica é mais importante, desempenho máximo da CPU ou maior vida útil da bateria? Em um aplicativo de processador de texto tão simples, onde o tempo entre as teclas digitadas de um usuário é quase uma eternidade nos ciclos de clock da CPU, o desempenho máximo da CPU não é tão crítico quanto a disponibilidade contínua de energia. Assim, o desempenho da CPU pode ser negociado contra o aumento da vida útil da bateria. Por outro lado, considere o usuário que deseja assistir ao último filme de James Bond em full-motion, tela cheia, som entorpecente e brilho, no disco versátil digital (DVD). É fundamental que o sistema opere em um nível de desempenho para decodificar o software com rapidez suficiente, sem deixar cair quadros de imagem ou áudio. Nesta situação, o desempenho da CPU não pode ser comprometido. Portanto, a geração de calor estará em níveis superiores, e a atenção ao gerenciamento térmico será de suma importância para obter o melhor desempenho sem prejudicar a confiabilidade. Digite ACPI.

o que é o ACPI? ACPI é uma especificação que descreve a interface entre os componentes e como eles se comportam. Não é uma especificação puramente de software ou hardware, pois descreve como o software BIOS, o software OS e o hardware do sistema devem interagir.

a especificação ACPI descreve dois métodos distintos de resfriamento do sistema: resfriamento passivo e resfriamento ativo. O resfriamento passivo depende do sistema operacional (SO) e/ou do software básico de entrada/saída (BIOS) para reduzir o consumo de energia da CPU, a fim de reduzir a dissipação de calor da máquina. Como isso pode ser alcançado? Ao tomar decisões inteligentes, como entrar no modo de suspensão, se nenhuma tecla ou outra interação do usuário tiver sido detectada após um tempo especificado. Ou se o sistema estiver fazendo alguns cálculos intensivos, como o processamento 3D, e estiver ficando perigosamente quente, o BIOS pode decidir acelerar (desacelerar) o relógio da CPU. Isso reduziria a saída térmica da máquina, mas ao custo do desempenho geral do sistema. Qual é o benefício desse resfriamento passivo? Sua vantagem distinta é que o requisito de energia do sistema é reduzido silenciosamente (a operação do ventilador não é necessária) para diminuir a temperatura do sistema, mas limita o desempenho.

então, e quanto ao resfriamento ativo? Em um sistema ativamente resfriado, o software do sistema operacional ou BIOS toma uma ação direta, como ligar um ventilador montado na CPU, para resfriar o processador. Tem a vantagem de que o aumento do fluxo de ar sobre a lesma de metal ou dissipador de calor da CPU permite que o calor seja retirado da CPU com relativa rapidez. Em um sistema passivamente resfriado, o estrangulamento da CPU por si só impedirá o aquecimento adicional da CPU, mas a resistência térmica do dissipador de calor ao “ar parado” pode ser bastante grande, o que significa que o dissipador de calor dissiparia o calor para o ar muito lentamente, atrasando um retorno ao processamento em alta velocidade. Assim, um sistema que emprega resfriamento ativo pode combinar desempenho máximo da CPU e dissipação de calor mais rápida. No entanto, a operação do ventilador introduz ruído acústico no ambiente do sistema e extrai mais energia. Qual técnica de resfriamento é melhor? Na realidade, depende da aplicação; uma máquina versátil usará ambas as técnicas para lidar com circunstâncias diferentes. O ACPI descreve as técnicas de resfriamento em termos de dois modos diferentes: Modo de desempenho e modo silencioso. Os dois modos são comparados nas Figuras 1 e 2.

as figuras 1 e 2 são exemplos de escalas de temperatura que ilustram as respectivas compensações entre desempenho, ruído acústico do ventilador e consumo / dissipação de energia. Para que um dispositivo de gerenciamento de sistema seja compatível com ACPI, ele deve ser capaz de sinalizar cruzamentos de limite em, digamos, intervalos de 5°C, ou eventos SCI (interrupção de controle do sistema), que ocorreu um novo incremento de temperatura fora do limite. Esses eventos fornecem um mecanismo pelo qual o sistema operacional pode rastrear a temperatura do sistema e tomar decisões informadas sobre a aceleração do relógio da CPU, aumentar/diminuir a velocidade do ventilador de refrigeração ou tomar medidas mais drásticas. Uma vez que a temperatura exceda a configuração da política _CRT (critical temperature), o sistema será desligado como um À Prova de falhas para proteger a CPU. As outras duas configurações de política mostradas nas Figuras 1 e 2 são _PSV (resfriamento passivo ou aceleração do relógio da CPU) e _ACx. (resfriamento ativo, quando o ventilador liga).

na Figura 1 (Modo de Desempenho), O ventilador de refrigeração é ligado a 50°C. Se a temperatura continuar a subir além de 60°C, o estrangulamento do relógio é iniciado. Esse comportamento maximizará o desempenho do sistema, Uma vez que o sistema está apenas sendo desacelerado a uma temperatura mais alta. Na Figura 2( modo silencioso), O relógio da CPU é primeiro estrangulado a 45 graus C. Se a temperatura continuar a subir, uma ventoinha de refrigeração pode ser ligada a 60 graus C. Este modo de desempenho reduzido também tenderá a aumentar a vida útil da bateria, uma vez que o estrangulamento do relógio reduz o consumo de energia.

a Figura 3 mostra como os limites das faixas de medição de temperatura rastreiam a medição de temperatura. Cada cruzamento de limite produz uma interrupção.

a especificação IPMI (intelligent platform management interface) (Ref. 2) traz recursos de gerenciamento térmico semelhantes aos servidores. O IPMI visa reduzir o custo total de propriedade (TCO) de um servidor monitorando os parâmetros críticos de “pulsação” do sistema: temperatura, tensões, velocidades do ventilador e PSUs (unidades de fonte de alimentação). Outra motivação para o IPMI é a necessidade de interoperabilidade entre servidores, para facilitar a comunicação entre rodapés e chassis. O IPMI é baseado no uso de um barramento I2C de 5 volts, com mensagens enviadas em forma de pacote. Mais informações sobre IPMI estão disponíveis no site da Intel em http://developer.intel.com/design/servers/ipmi/.

todos os membros da família Analog Devices Temperature and Systems-Monitoring (TSM) são compatíveis com ACPI e IPMI.

monitoramento de temperatura

o pré-requisito para o controle inteligente da velocidade do ventilador dentro dos PCs é a capacidade de medir a temperatura do sistema e do processador com precisão. A técnica de monitoramento de temperatura utilizada tem sido objeto de muitos artigos (por exemplo, ver diálogo Analógico 33-4.) e só será brevemente visitado aqui. Todos os dispositivos analógicos os dispositivos de monitoramento do sistema usam uma técnica de monitoramento de temperatura conhecida como monitoramento de diodo térmico (TDM). A técnica faz uso do fato de que a tensão direta de um transistor conectado a Diodo, operado a uma corrente constante, exibe um coeficiente de temperatura negativo, cerca de-2mV/°C. Como o valor absoluto do VBE varia de dispositivo para dispositivo, esse recurso por si só é inadequado para uso em dispositivos produzidos em massa, porque cada um exigiria calibração individual. Na técnica TDM, duas correntes diferentes são sucessivamente passadas através do transistor e a mudança de tensão é medida. A temperatura está relacionada à diferença em VBE por:

ΔVBE = kT/q × ln(N)

onde:

k = Boltzmann constante

q = elétron de carga de magnitude

T = temperatura absoluta em kelvins

N = relação das duas correntes

em qualquer CPU, a temperatura mais relevante é a do “ponto quente” na matriz. Todas as outras temperaturas no sistema (incluindo a temperatura do dissipador de calor) atrasarão o aumento dessa temperatura. Por esse motivo, praticamente todas as CPUs (fabricadas desde os primeiros processadores Intel Pentium II) contêm um transistor estrategicamente localizado em sua matriz para monitoramento térmico. Dá um verdadeiro, essencialmente instantâneo, perfil da temperatura da matriz. A figura 5 mostra os perfis de temperatura em um sistema que entra e acorda repetidamente do modo de suspensão. Compara as temperaturas medidas por um termistor unido ao dissipador de calor do processador central e pelo diodo térmico da carcaça. No curto intervalo para que a temperatura real da matriz mude para frente e para trás em cerca de 13 graus, o termistor do dissipador de calor não pode sentir nenhuma mudança.

temperatura para o Controle Do Ventilador

com um método preciso de monitoramento de temperatura estabelecido, o controle eficaz do ventilador pode ser implementado! A técnica, em geral, é usar TDM para medir a temperatura, com o transistor de detecção integrado no chip ou colocado externamente o mais próximo possível de um ponto quente e definindo a velocidade do ventilador em um nível que garanta transporte de calor suficiente nessa temperatura. Vários parâmetros de operação do loop de controle serão programáveis, como velocidade mínima, Temperatura de partida do ventilador, inclinação da velocidade versus temperatura e histerese de ligar/desligar. As abordagens de controle de velocidade descritas incluirão on-off, contínuo (“linear”) e modulação de largura de pulso (PWM).

métodos do fã-controle: historicamente, a escala das aproximações ao controle de Velocidade do fã nos PCes é do controle de ligar-fora simples ao controle de Velocidade Do temperatura-à-fã do circuito fechado.

controle em duas etapas: Esta foi a forma mais antiga de controle de Velocidade do ventilador adotada em PCs. O BIOS mediria a temperatura do sistema (originalmente usando um termistor próximo à CPU) e decidiria se ligaria ou desligaria totalmente um ventilador de refrigeração. Mais tarde, os PCs usaram monitores de temperatura baseados em TDM mais precisos para implementar o mesmo controle de ventilador em duas etapas.

Controle de três etapas: O BIOS ou sistema operacional mede novamente a temperatura usando um termistor ou diodo térmico e, com base nas configurações do software, decide se liga totalmente o ventilador, desliga totalmente ou ajusta-o para funcionar a meia velocidade.

Controle linear de Velocidade do ventilador: este método mais recente de controle de Velocidade do ventilador também é conhecido como controle de tensão. O BIOS ou sistema operacional lê a temperatura do circuito de medição TDM e grava de volta um byte em um DAC no chip, para definir a tensão de saída para controlar a velocidade do ventilador. Um exemplo de um controlador de ventilador IC deste tipo é o ADM1022, que possui um chip DAC de 8 bits com uma faixa de tensão de saída de 0 V a 2,5 V. Ele funciona com um amplificador de buffer externo com classificações de design apropriadas para o ventilador escolhido. O ADM1022 também contém pontos de disparo automáticos de hardware padrão que fazem com que o ventilador seja acionado a toda velocidade no caso de seu circuito TDM detectar uma condição de temperatura excessiva. A estréia desses tipos de dispositivos significou o surgimento do controle automático de Velocidade do ventilador, onde parte da tomada de decisão é movida do software do sistema operacional para o hardware de monitoramento do sistema.

Controle de Velocidade do ventilador de modulação por largura de pulso (PWM): na linha de produtos de monitoramento de sistemas da ADI, esses tipos PWM são os produtos de controle de ventilador mais recentes. O BIOS ou OS pode ler a temperatura do dispositivo TDM e controlar a velocidade do ventilador de refrigeração ajustando o ciclo de trabalho PWM aplicado a ele.

vale a pena notar que todos os métodos acima de controle de Velocidade do ventilador dependem da CPU ou intervenção do host para ler a temperatura do dispositivo TDM sobre o barramento de Gerenciamento do sistema de 2 fios. O software de gerenciamento térmico executado pela CPU deve então decidir qual deve ser a velocidade do ventilador e escrever de volta um valor para um registro no monitor de sistemas IC para definir a velocidade apropriada do ventilador.

um próximo passo óbvio na evolução do controle de Velocidade do ventilador é implementar um loop automático de controle de Velocidade Do Ventilador, que poderia se comportar independentemente do software e executar o ventilador em sua velocidade ideal para uma determinada temperatura do chip. Existem muitos benefícios para esse controle de Velocidade em circuito fechado.

uma vez que o dispositivo de monitoramento de Sistemas foi inicializado (Carregando registros de limite com os parâmetros necessários), o loop de controle é completamente independente do software e o IC pode reagir às mudanças de temperatura sem intervenção do host. Esse recurso é especialmente desejável quando ocorre uma falha catastrófica do sistema, da qual o sistema não consegue se recuperar. Se o PC falhar, o software de gerenciamento de energia no sistema operacional não está mais em execução, o que resulta em perda de gerenciamento térmico! Se o PC não conseguir ler a temperatura que está sendo medida (uma vez que o PC caiu), não se pode esperar que defina a velocidade correta do ventilador para fornecer o nível necessário de resfriamento.

o outro benefício tangível de uma implementação em circuito fechado é que ela operará o ventilador na velocidade ideal para qualquer temperatura. Isso significa que tanto o ruído acústico quanto o consumo de energia são reduzidos. Executar um ventilador a toda velocidade maximiza o consumo de energia e o ruído acústico. Se a velocidade do ventilador puder ser gerenciada de forma eficaz por meio da otimização de loop, funcionando apenas tão rápido quanto necessário para uma determinada temperatura, o dreno de energia e o ruído audível do ventilador serão reduzidos. Este é um requisito absolutamente crítico em aplicativos de notebooks alimentados por bateria, onde cada miliampere de corrente (ou miliampère-segundo de carga) é uma mercadoria preciosa.

Loop automático de controle de Velocidade Do Ventilador

veja como se pode implementar um loop automático de controle de Velocidade Do Ventilador, que medirá a temperatura usando técnicas TDM e definirá a velocidade do ventilador adequadamente em função da temperatura. Os parâmetros programáveis permitem um controle mais completo do loop. O primeiro valor de registro a ser programado é TMIN. Esta é a temperatura (correspondente ao ACx) na qual o ventilador ligará primeiro e onde o controle de Velocidade do ventilador começará. A velocidade é momentaneamente definida no máximo para fazer o ventilador funcionar e, em seguida, retornada à configuração de velocidade mínima (veja a Figura 6). O parâmetro que permite o controle da inclinação da função de velocidade de temperatura para ventilador é a faixa de TMAX a TMIN ou TRANGE. Os valores programados para TMIN e TRANGE definem a temperatura na qual o ventilador atingirá a velocidade máxima, ou seja, TMAX = TMIN + TRANGE. A variação da temperatura programada é selecionável: 5 & de; C, 10°C, 20°C, 40°C e 80°C. Para evitar ciclismo rápido ligado e desligado nas proximidades de TMIN, a histerese é usada para estabelecer uma temperatura abaixo de TMIN, na qual o ventilador é desligado. A quantidade de histerese que pode ser programada no laço é 1°C a 15°C. Este laço do controle do fã pode ser supervisionado pelo software do ósmio sobre o SMBus e o PC pode decidir substituir o laço do controle a qualquer hora.

PWM vs. Controle linear da velocidade do ventilador

pode-se perguntar Por que a modulação por largura de pulso é desejável se o controle linear da velocidade do ventilador já estiver em uso generalizado.

considere um ventilador de 12 V sendo conduzido usando controle linear de Velocidade do ventilador. À medida que a tensão aplicada ao ventilador é aumentada lentamente de 0 V para cerca de 8 V, O ventilador começará a girar. Como a tensão do ventilador é aumentado, a velocidade irá aumentar até que ele seja executado com a máxima velocidade quando conduzido com 12 V. Assim, o 12-V ventoinha tem um efetivo janela de operação entre 8 V e 12 V, com um intervalo de apenas 4 V disponível para uso no controle de velocidade.

a situação fica ainda pior com o ventilador de 5 V que seria usado com um notebook PC. O ventilador não começará até que a tensão aplicada seja de cerca de 4 V. acima de 4 V, O ventilador tenderá a girar perto da velocidade máxima, portanto, há pouco controle de velocidade disponível entre 4 e 5 volts. Assim, o controle de velocidade linear do ventilador não é adequado para controlar a maioria dos tipos de ventiladores de 5V.

com modulação por largura de pulso (PWM), a tensão máxima é aplicada para intervalos controlados (o ciclo de trabalho de uma onda quadrada, normalmente em 30 a 100 Hz). Como este ciclo de trabalho, ou proporção de tempo alto para baixo, é variado, a velocidade do ventilador mudará.

nessas frequências, os pulsos de tach (Tacômetro) limpos são recebidos de volta do ventilador, permitindo uma medição confiável da velocidade do ventilador. À medida que as frequências de acionamento aumentam, há problemas com pulsos de tach insuficientes para medição precisa, ruído acústico e, finalmente, picos elétricos corrompendo o sinal de tach. Portanto, a maioria das aplicações PWM usa excitação de baixa frequência para acionar o ventilador. O circuito externo da movimentação de PWM é bastante simples. Pode ser realizado (Figura 7) com um único transistor externo ou MOSFET para acionar o ventilador. O equivalente linear de controle de Velocidade do ventilador, acionado por uma tensão de velocidade analógica, requer um amplificador operacional, um transistor de passagem e um par de resistores para definir o ganho do amplificador operacional.

como a velocidade do ventilador é medida? Um ventilador de 3 fios tem uma saída de tach, que geralmente produz pulsos de 1, 2 ou 4 tach por revolução, dependendo do modelo do ventilador. Este sinal tach digital é então aplicado diretamente à entrada tach no dispositivo de monitoramento de sistemas. Os pulsos de tach não são contados, porque um ventilador funciona relativamente devagar, e levaria uma quantidade apreciável de tempo para acumular um grande número de pulsos de tach para uma medição confiável da velocidade do ventilador. Em vez disso, os pulsos de tach são usados para bloquear um oscilador on-chip rodando a 22,5 kHz até um contador (ver Figura 8). Com efeito, o período de tach está sendo medido para determinar a velocidade do ventilador. Uma contagem alta no registro de valor tach indica um ventilador funcionando em baixa velocidade (e vice-versa). Um registro de limite é usado para detectar ventiladores colados ou paralisados.

que outros problemas existem com o controle de Velocidade do ventilador?

ao controlar um ventilador usando PWM, o ciclo de trabalho mínimo para operação contínua confiável do ventilador é de cerca de 33%. No entanto, um ventilador não iniciará no ciclo de trabalho de 33% porque não há energia suficiente disponível para superar sua inércia. Conforme observado na discussão da Figura 6, a solução para esse problema é girar o ventilador por 2 segundos na inicialização. Se o ventilador precisar ser executado em sua velocidade mínima, o ciclo de trabalho PWM pode ser reduzido para 33% após o ventilador ter girado e protegido contra estolamento pela histerese.

barracas de ventilador & falhas de ventilador

no entanto, pode surgir a possibilidade de que um ventilador possa parar em algum momento enquanto usado em um sistema. As causas podem incluir um ventilador operando muito lentamente ou acúmulo de poeira impedindo que ele gire. Por esse motivo, os monitores de Sistemas de dispositivos analógicos possuem um mecanismo no chip baseado na saída tach do ventilador para detectar e reiniciar um ventilador parado. Se nenhum pulso tach estiver sendo recebido, o valor no registro de valor Tach excederá o limite no registro de limite Tach e um sinalizador de erro será definido. Isso fará com que o controlador tente reiniciar o ventilador tentando girá-lo por 2 segundos. Se o ventilador continuar a falhar, para até 5 tentativas de reinicialização, uma falha catastrófica do ventilador é reconhecida como existindo, e um PIN FAN_FAULT afirmará para avisar o sistema que um ventilador falhou. Em sistemas de controlador duplo de dois ventiladores, o segundo ventilador pode ser girado até a velocidade máxima para tentar compensar a perda de fluxo de ar devido à falha do primeiro ventilador.

resumo

as soluções superiores de gerenciamento térmico continuam a ser desenvolvidas e oferecidas à indústria de computação por dispositivos analógicos. As técnicas desenvolvidas para o ADM1029, ADM1030 / 31 e ADM1026 levam o gerenciamento térmico dentro dos PCs a um novo nível. Esses dispositivos são embalados com recursos como monitoramento de temperatura, controle automático de temperatura em hardware, medição de Velocidade do ventilador, suporte para ventiladores de backup e redundantes, detecção de presença e falha do ventilador, frequência PWM programável e ciclo de trabalho. À medida que as Diretrizes de energia se tornam mais rigorosas, e os PCs funcionam significativamente mais quentes, técnicas mais sofisticadas de medição de temperatura e controle de Velocidade do ventilador estão sendo desenvolvidas para gerenciar os sistemas do futuro de forma mais eficaz.