健全完善的系统温度管理
模拟技术健全完善的系统温度管理现今制程技术已推进到32nm每单位面积的电路板内含晶体管的数量持续增加封装尺则持续缩小。在此同时系统设计者尽力提高机板的部件密度以缩小系统尺并加人更多功能在有限的空间与尺寸内提供业界最佳的产品。现代芯片内部晶体管密度提高电子系统果用更高的运作速度He耐Heat同OW?F1wT10?叫e卜-?oT2●__________________一并增加部件密度使系统内部产生更多热能。上述所有因素使得温度管理成为所有应用系统中必要环结其中包括汽车工业控制消费性电子以及以电池烘电的系统等。
许多系统配备了冷却风扇来排◆★t垃*￥{*／s柚in郇”散部件产生的热。这使得设计者体认到对低成本可靠无噪音省电能感涮温度的封闭回路式散热风扇控制系统的需求。
在建置散热风扇控制系统之前我们先快速检视热源产生与传导的基本原理。
电子功率消耗(电压乘以电流)是任何电路一定会有的现象。电子功率消耗会产生热并导致接点的温度高于周遭环境的温度。想让部件可靠地运作部件接点的温度必须维持在额定范围内。对于某些应用而言有时不但得让接点温度保持在额定的运作范围迂得维持在一个特定值因为这些部件在不同的温度范围内会展现不同的特性。
例如振荡器频率模拟数字转换器的偏移热噪声等方面的数值均和温度呈函数关系参数的改变将对某些应用表现造成影响。只要部件中出现功率消耗接点的温度就会高于周遭环境的温度。
组件传导热的能力取决于热阻fthermalresistive)热电路可想成类似电子电路。图1显示热系统的等效电路等效热电路在这个电路中T1与T2是温度值而0则是热阻。
温度可比作电路中的电压。热阻可对比威电阻热流可对比为电流。在这种热／电对比中温差越高热流就越大．同样热阻越低热流就越多。冷却方法在lc中从接点传至周遭空气的热流量取决于接点与周遗空气之间的温差。冷黼模拟技术nalog&Power却风扇吹走热空气，让更多热从接点传至外部环境，散热风扇采用的控制系统分成数个种类：无控制：使用散热风扇来管理温度最简单的方法，就是完全没有回馈控制机制。
散热风扇全时以最高的转速运行，确保以最少的相关成本进行免操作的冷却功能。这种方法虽然能降低安装／制造的成本，但却会增加系统的运转成本。散热风扇由于随时都以最高的转速运行．因此其寿命会减少(散热风扇的寿命通常取决于转动圈数)。
这类系统另一项缺点就是高耗电量．因为即使在大多数时间不需要最高转速，但风扇会一直维持同样的转速。在这类系统中．风扇通常设定在最坏的冷却状况需求．但系统很少在这样的条件下运行。由于没有回馈与控制系统，也就无法检查风扇当前的状态。若风扇故障，使用者看到的唯一回馈就是系统故障甚至高热造成的烟雾。线性控制：控制风扇的另一种方法是采用线性控制系统，在这种系统中．藉由改变风扇的输入电压来调整转速。输入电压越低，风扇的转速就越慢。
线性控制的优点是由于没有线圈开关，因此运转时没有噪音。若分析这种控制系统的限制，就会发现转速范围受限于风扇的运作电压范围。例如，推动风扇运转所需的最低电压值，可能会超过风扇最大运作电压值的一半；另一方面我们也须考虑线性稳压器的效率在较低输出电压时有偏低的现象．意谓这些系统在较低的风扇转速时无法达到最佳的省电效率；此外．这种系统还需要一个线性稳压电路。脉冲调变控制：控制风扇转速最常用的技巧，是运用PWM脉冲宽度调变。
利用这种方法，风扇可调整至最高转速，也可以完全静止。这种控制方法胜过线性控制的主要优势，包括电路简单、成本低廉以及效率；另一项优点是能调整转速范围，因为最低转速不会受限于风扇的最低运作电压，排除了线性控制系统的缺点。这种方法的主要缺点是线圈切换所导致的噪音．要解决噪音的问题．可把风扇的运转频率调整到在人耳可听到的频率范围以外。图2显示采用脉冲宽度调变控制法的基本热管理系统方块图。散热风扇的种类现今有许多不同衍生种类的散热风扇，每种风扇依据冷却．系统成本．可靠度等需求适合用在特定的应用。这些衍生类型可根据使用线路的数量来分类：包括二线型、三线型以及四线型散热风扇。．二线型散热风扇的两个端子用来连结电源与接地线路，其转速调节的方法是藉由改变电源电压或电源的工作周期(等于改变平均供电电力)。这种散热风扇主要用在开放回路的温度控制系统日志，这类系统没有转速计讯号来把风扇转速回馈给控制系统．较低价位的热控制系统会就是这种散热风扇。
转速计的限制，实际上并非真正的限制，有方法可以解决。马达的线圈换相(windingcommutation)使得风扇的电流消耗出现波动。若已经知道波动频率以及转子永磁极的数量，就可算出风扇的机械转速。要提的重点是．若没有预算选用三线或四线型散热风扇，没有人会想额圈3：■测变相频率50?CompoTechChinaI2011．05模拟技术外加用电流感测电路。因此，业界采用单芯片方案。能执行所有作业，包括量测变相频率、温度以及透过PWM来控制风扇转速，成为这类应用的理想选择。要量测变相频率，可分置电流感测电阻的输出端、放大信号、然后再馈送到比较器，比较器会控制定时器撷取到的输入信号。在知道频率后．就可算出风扇转速。感测电流波动还能协助判断风扇是否正常运转。
图3显示运用Cypress的PSoC3／5部件来量测变相频率的模块图。三线式风扇配置一条额外的线路．用来连结转速计的输出端。就控制风扇转速方面，其采用的方法和二线型风扇相同。在三线型风扇中，风扇马达与霍尔效应感测(hallsensor)电路使用相同的电源。因此，转速计信号只有在控制风扇用PWM的周期内才有效。转速计信号数据必须和PWM进行时间同步，且还须维持够久才能撷取到一个完整的转速计周期。一般而言，转速计的输出是一个50％的工作周期．每转一圈会有两个脉冲。这个讯号相当重要．因为它会提供足够的风扇转速数据，满足系统控制需要。随着时间与使用，风扇转速会持续递减，因此这个回馈讯息可用来判断是否需要更换风扇。对于一个高可靠性系统而言，这个行为相当重要。它还能用来在风扇故障时触发警报，转速计的输出讯号还能让风扇以固定转速运转。控制系统可根据转速计的输出频率来改变PWM的工作周期。四线型风扇是最容易连结的类型．这类风扇有一条线路连结到电源，一条线路接地．一条线路连到转速计的输出端，上述结构都和三线型风扇相同，额外多出的一条线路则是连至tJPWM的输入端。在这类风扇中，PWM的输入信号包控制风扇的转速，而不是用来切换整个风扇的电源。由于风扇的电源一直开启．转速计的输出也一直持续。这些风扇可在超出人耳可听到范围外的频率下运转．藉以消除任何恼人的系统切换噪音。这点让四线型风扇成为最热门的温度管理利器，包括例如笔电．投影机，视讯转换器等系统。
可靠性某些关键系统需要一个待机风扇．以便在主要风扇故障时取而代之。对于这样的应用而言．控制系统执行的所有功能中．侦测风扇故障是最重要的功能。
要侦测故障状况老传奇，是透过监视转速计的输出信号．如果没有转速计则是监视电流感测缓存器的电压。当侦测到故障状况，就会发出警报。在这种状况下，就必须启动待机风扇。某些系统配备了多个风扇，为了应付这类系统风扇故障的状况．在挑选系统使用的风扇时。应注意到当所有风扇运转时．即使在最糟的温度状况下，风扇也不能在最高转速下运作。
只有当某个风扇停摆．其余的风扇才能调至最高转速，藉以在最糟状况的温度下补偿已故障风扇的散热功效。’现代许多系统中，在某些阶段可能会看到当前的冷却容量无法满足持续改变的系统需求。
控制系统应具备充裕的弹性．让风扇能调整至更高的转速或不同的规格，而且不必变更控制硬件部件。现今市面上的SoC，让业者能开发出单芯片的可编程外围部件，并能修改系统的组态，而且几乎完全不必修改硬件，故能节省成本．时间以及开发的人力物力。例如cypress的PSoC3与PSoC5．其内建ADC的分辨率达到20位，对于各种热管理应用而言绰绰有余，其内含的DAC能产生一个参考讯号送给温度感测电路．而可编程增益放大器(PGA)则能处理输入信号放大作业，其它内建部件还有比较器、定时器以及PWM。DMA让系统能读取ADC数据以及转速计计数器的数据．不需要CPU来处理高频率控制算法。这些组件亦配备芯片内建的PLD．可用来在硬件中建置控制逻辑功能．进一步节省CPU的运算资源。图4显示一种可行的方法．利用PSoC3与PSoC5部件来建置热管理系统。
在上述的系统中．ADC数据与转速计的定时器数据是透过DMA来读取．并利用控制逻辑写入到缓存器。整个控制逻辑模块是采用PLD配．合其它硬件数字可编程资源来建置。DMA之后再把需要的周期值写入至iJPWM．透过这种方法，几乎整个热管理控制系统都能利用硬件资源来建置，让CPU能专注处理其它作业。因此soc型建置方案让热管理系统变成复杂系统中的一个小功能．并整合到单一芯片，因此节省了系统成本与机板空间。
热管理系统可透过许多方法来和主处理器进行通信，通报风扇的状态。PSoC支持现今嵌入式系统设计所采用的大多数通信协议(包括12C、USB，UART．CAN．以及SPI等)。这使得研发业者能以单一芯片快速有效地建置整个热管理系统，不2011．05I电子与电脑?-51丽证磊面函匾丽__???????????一????必动用太多的CPU资源它功能。因此有充裕的空间来扩增其的方法能提供理想的可靠度耗电成本以及噪音一个有效的风扇转速控制系统必须提高其可靠度降低耗电以及减少噪音，现今业界有许多衍生种类的散热风扇各自采用不同的控制方法PWM型值。较高的系统整合度也使得一整个热温系统能整合在单一芯片内不仅成本更低廉耗电也能降低。
最后SoC的弹性让研发业者能配合长时间需求改变的状况随时对产品进行变更修改。●-吣mchCnno，健全完善的系统温度管理作者：SachinGupta作者单位：刊名：电子与电脑英文刊名：DIANZIYUDIANNAO年，卷(期)：2011(5)。
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