低功耗技術(shù)實現(xiàn)冷卻性能-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯低功耗技術(shù)實現(xiàn)冷卻性能-新品速遞隨著計算機處理性能的不斷提高，功耗也在不斷增加。臺式電腦或服務器一般不存在散熱問題，而在便攜式PC應用中，功耗問題則會導致復雜的熱以及電源問題。為了使電池得到充分利用，保證系統(tǒng)工作在合適的溫度范圍內(nèi)，以延長系統(tǒng)的無故障工作時間(MTBF)，筆記本電腦冷卻系統(tǒng)的設計需要考慮很多因素。設計者關(guān)心的是功耗發(fā)熱問題(TDP)，也就是CPU在壞條件下的功耗。在便攜式設備應用中，從目前成本和開發(fā)的角度看，底座、散熱片以及散熱管的設計都是令人棘手的問題。一個好的散熱解決方案，需要從整個系統(tǒng)考慮，同時還要考慮處理器在壞情況下的功耗。如果使用風扇散熱，需考慮元件的布局以及底座的設計，盡可能地優(yōu)化氣體流動和空氣動力學的影響。便攜式CPU具有三種溫度監(jiān)控功能：1.內(nèi)置溫度監(jiān)控熱敏二極管，以監(jiān)控CPU溫度；2.管芯溫度監(jiān)控機制，自動調(diào)節(jié)CPU溫度并保持在安全范圍內(nèi)(PROCHOT#)；3.熱拔插開關(guān)，當溫度超過135℃時，關(guān)閉處理器并發(fā)出THERMTRIP#信號。在便攜式設備應用中，CPU、圖形控制器和存儲控制器的散熱問題應該給予特別關(guān)注。在散熱設計中，應保證這些IC工作在理想溫度下，使用專門設計的晶體管來直接監(jiān)視CPU管芯的溫度。如用智能風扇速度控制器來直接監(jiān)測溫度，見圖1。CPU管芯可直接監(jiān)控并實現(xiàn)智能冷卻，所以可以保證系統(tǒng)工作在理想溫度下，以滿足MTBF要求。

內(nèi)置熱敏二極管利用恒定電流下二極管的負溫度系數(shù)特性，通過測量Vbe，其中Vbe=(nKT/q)ln(Ic/Is)，可以測得熱敏二極管的溫度。不過這種方法需要校準源級電流Is零的影響，較好的方法是測量器件在兩個不同電流下的Vbe變化，也就是芕be=(nKT/q)ln(N)，其中K是玻耳茲曼常數(shù)，q是電子的電荷，T是溫度，N是兩個電流比，n是熱敏二極管的理想因數(shù)。為了測量苬be，傳感器在工作電流I和NI之間變化，并通過采用低通濾波器來獲得波形，再通過斬波放大，從而得到一個正比于苬be的直流電壓，電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供二進制的溫度輸出信號，并對16個測量周期值進行平均，可以進一步減小噪音的影響。圖1中，如果CPU不帶片上晶體管，可以采用分散的晶體管，但需把集電極縛在晶體管的基極上。為了避免來自地線噪音對測量信號的干擾，可以使用一個外部二極管的D輸入，使傳感器負端被拉高在地線信號以上。如果傳感器工作在噪音環(huán)境下，那么使用電容C1進行濾波，電容通常情況下取為2200pF。為了節(jié)約功耗以及降低外部噪音，可以根據(jù)熱負載來停止或者降低風扇的速度。第二個熱監(jiān)控電路單獨位于CPU管芯處，溫度傳感二極管輸出和溫度相關(guān)的電流，然后與電流源進行比較，同時當CPU溫度達到允許工作溫度時，就向CPU發(fā)送一個PROCHOT#信號，然后電流源被鎖止。從理論上說，PROCHOT#在解決處理器的溫度問題時是一個比較好的方法，但在處理器停止運行、睡眠、深睡眠狀態(tài)下，不能發(fā)送PROCHOT#信號。在通常的負載情況下，即使CPU處于睡眠狀態(tài)，功耗也不低于30%，并且大量晶體管泄漏電流也會流經(jīng)管芯，使CPU過熱，從而導致系統(tǒng)關(guān)閉。為了防止由于過熱而損壞CPU，Intel公司采用了一種熱導航開關(guān)。當管芯溫度達到125℃~135℃時，CPU所有時鐘都被掛起并發(fā)送THERMTRIP#信號。由于很高的泄漏電流仍然會使之升溫，Intel規(guī)定在500ms內(nèi)關(guān)閉電源電壓Vcc，并且一直發(fā)送THERMTRIP#信號，直到RESET#被初始化。THERMTRIP#獨立于CPU時鐘，即使在低功耗狀態(tài)下它也能正常發(fā)送。利用PROCHOT#和THERMTRIP#不能完全可靠地防止處理器過熱的發(fā)生。當系統(tǒng)不能被動冷卻時，系統(tǒng)必須主動系統(tǒng)散熱。使用上面三種機制可以獲得很好的熱設計，但是使用一個獨立的熱監(jiān)控可能是的解決方案。通過連接一個內(nèi)建熱敏二極管到智能風扇控制器，就可以自動確定CPU是否需要主動冷卻，并使用一個預編程的控制環(huán)來自動啟動風扇，如圖2所示。如果能建立一個的熱模型，硬件監(jiān)控就可以保證CPU工作在安全溫度范圍內(nèi)。這種解決方案的優(yōu)點：實現(xiàn)處理性能，而且風扇僅工作在需要散熱的條件下，既可以增加溫度敏感元器件的MTBF，也使系統(tǒng)的噪音特性得到提高。

MTBF未來PC將更多的考慮產(chǎn)品壽命及可靠性。半導體廠商通常使用的溫度/可靠性模型大多基于Sematech可靠性技術(shù)咨詢委員會在1999年發(fā)表的論文“新型半導體技術(shù)可靠性評價的應用條件”，論文詳細說明了使用Arrhenius等式來建立溫度影響模型。根據(jù)化學反應的熱動力學，等式表明半導體的長期可靠性隨著溫度的增加而呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減。遞減率r(t)等于初始失效率r0乘以一定反應過程EA下的負活性能量常數(shù)e，然后除以玻耳茲曼常數(shù)k和開氏溫度T。在確定單個器件EA的條件下，通過大量的強化壽命測試以及長期的現(xiàn)場失效統(tǒng)計規(guī)律研究，可以獲得復合活性能量下的所有器件的失效模式。但是由于復合活性能量具有高度預測性以及會產(chǎn)生誤導，所以大多數(shù)的半導體廠商都不會發(fā)表某個器件的復合活性能量，而關(guān)注半導體廠商公布的CPU在正確安裝以及在推薦規(guī)范下的使用壽命是很重要的。如果C