低功耗技术实现最大冷却性能

随着计算机处理性能的不断提高，功耗也在不断增加。台式电脑或服务器一般不存在散热问题，而在便携式PC应用中，功耗问题则会导致复杂的热以及电源问题。为了使电池得到充分利用，保证系统工作在合适的温度范围内，以延长系统的无故障工作时间(MTBF)，笔记本电脑冷却系统的设计需要考虑很多因素。
设计者最关心的是功耗发热问题(TDP)，也就是CPU在最坏条件下的功耗。在便携式设备应用中，从目前成本和开发的角度看，底座、散热片以及散热管的设计都是令人棘手的问题。一个好的散热解决方案，需要从整个系统考虑，同时还要考虑处理器在最坏情况下的功耗。如果使用风扇散热，需考虑元件的布局以及底座的设计，尽可能地优化气体流动和空气动力学的影响。
最新便携式CPU具有三种温度监控功能：
1. 内置温度监控热敏二极管，以监控CPU温度；
2. 管芯温度监控机制，自动调节CPU温度并保持在安全范围内(PROCHOT#)；
3. 热拔插开关，当温度超过135℃时，关闭处理器并发出THERM TRIP#信号。
在便携式设备应用中，CPU、图形控制器和存储控制器的散热问题应该给予特别关注。在散热设计中，应保证这些IC工作在理想温度下，使用专门设计的晶体管来直接监视CPU管芯的温度。如用智能风扇速度控制器来直接监测温度，见图1。CPU管芯可直接监控并实现智能冷却，所以可以保证系统工作在理想温度下，以满足MTBF要求。

内置热敏二极管
利用恒定电流下二极管的负温度系数特性，通过测量Vbe，其中Vbe=(nKT/q)ln(Ic/Is)，可以测得热敏二极管的温度。不过这种方法需要校准源级电流Is绝对零的影响，较好的方法是测量器件在两个不同电流下的Vbe变化，也就是芕be=(nKT/q)ln(N)，其中K是玻耳兹曼常数，q是电子的电荷，T是绝对温度，N是两个电流比，n是热敏二极管的理想因数。
为了测量苬be，传感器在工作电流I和NI之间变化，并通过采用低通滤波器来获得波形，再通过斩波放大，从而得到一个正比于苬be的直流电压，电压通过模数转换，提供二进制的温度输出信号，并对16个测量周期值进行平均，可以进一步减小噪音的影响。
图1中，如果CPU不带片上晶体管，可以采用分散的晶体管，但需把集电极缚在晶体管的基极上。为了避免来自地线噪音对测量信号的干扰，可以使用一个外部二极管的D输入，使传感器负端被拉高在地线信号以上。如果传感器工作在噪音环境下，那么使用电容C1进行滤波，电容通常情况下取为2200pF。为了节约功耗以及降低外部噪音，可以根据热负载来停止或者降低风扇的速度。
第二个热监控电路单独位于CPU管芯处，温度传感二极管输出和温度相关的电流，然后与电流源进行比较，同时当CPU温度达到最大允许工作温度时，就向CPU发送一个PROCHOT#信号，然后电流源被锁止。从理论上说，PROCHOT#在解决处理器的温度问题时是一个比较好的方法，但在处理器停止运行、睡眠、深睡眠状态下，不能发送PROCHOT#信号。在通常的负载情况下，即使CPU处于睡眠状态，功耗也不低于30%，并且大量晶体管泄漏电流也会流经管芯，使CPU过热，从而导致系统关闭。
为了防止由于过热而损坏CPU，Intel公司采用了一种热导航开关。当管芯温度达到125℃~135℃时，CPU所有时钟都被挂起并发送THERMTRIP#信号。由于很高的泄漏电流仍然会使之升温，Intel规定在500ms内关闭电源电压Vcc，并且一直发送THERMTRIP#信号，直到RESET#被初始化。THERMTRIP#独立于CPU时钟，即使在低功耗状态下它也能正常发送。
利用PROCHOT#和 THERM TRIP#不能完全可靠地防止处理器过热的发生。当系统不能被动冷却时，系统必须主动系统散热。使用上面三种机制可以获得很好的热设计，但是使用一个独立的热监控可能是最好的解决方案。通过连接一个内建热敏二极管到智能风扇控制器，就可以自动确定CPU是否需要主动冷却，并使用一个预编程的控制环来自动启动风扇，如图2所示。如果能建立一个精确的热模型，硬件监控就可以保证CPU工作在安全温度范围内。这种解决方案的优点：实现最大处理性能，而且风扇仅工作在需要散热的条件下，既可以增加温度敏感元器件的MTBF，也使系统的噪音特性得到提高。

MTBF
未来PC将更多的考虑产品寿命及可靠性。半导体厂商通常使用的温度/可靠性模型大多基于Sematech可靠性技术咨询委员会在1999年发表的论文“新型半导体技术可靠性评价的应用条件”，论文详细说明了使用Arrhenius等式来建立温度影响模型。根据化学反应的热动力学，等式表明半导体的长期可靠性随着温度的增加而呈指数函数关系递减。递减率r(t)等于初始失效率r0乘以一定反应过程EA下的负活性能量常数e，然后除以玻耳兹曼常数k和开氏温度T。在确定单个器件EA的条件下，通过大量的强化寿命测试以及长期的现场失效统计规律研究，可以获得复合活性能量下的所有器件的失效模式。但是由于复合活性能量具有高度预测性以及会产生误导，所以大多数的半导体厂商都不会发表某个器件的复合活性能量，而关注半导体厂商公布的CPU在正确安装以及在推荐规范下的使用寿命是很重要的。如果CPU长期工作在最大温度下，会大大降低使用寿命，在低温下使用则寿命会延长。■

作者简介：
Sean Gilmour，爱尔兰Limerick模拟器件温度和系统监视研发小组的应用工程师。