為何PC會需要溫度感測器？

現在的PC和筆記型電腦所訴求的重點，不外是執行速度愈來愈快，功能愈來愈多。執行速度愈來愈快代表著單一晶片的工作頻率愈來愈高，功率損耗也跟隨著愈來愈大；而功能愈來愈多，意味著許多我們能夠想到的功能的晶片，都被廠商放到主機板上面了。例如：三合一主機板已經將音效卡的晶片和簡單功能的繪圖卡晶片放入主機板了，LAN-on-board的訴求代表著未來的主機板已經能提供10/100MHz的網路功能，有些高階主機板甚至直接將SCSI晶片也放入主機板中。

速度變快和功能變多的結果就是電源功率需求也變得愈來愈高，從最初的100W到現在的250W/350W。換句話說，整個電腦系統也愈來愈熱，散熱的需求也愈來愈普遍。在構思散熱方案的同時，正確地偵測系統或單一晶片的溫度也隔外地重要。否則，可能會產生散熱系統在低溫的時候啟動，但卻在高溫的環境中關閉功能，那不僅達不到散熱的效果，甚至會使系統不正常地損壞。

在PC中，哪些地方會用到溫度感測器？

上文的討論中，我們已經指出了PC散熱的問題，那我們應該回過頭來問一個簡單的問題：究竟在PC中最主要的熱量產生來源有哪些呢？了解熱源和為什麼會發熱以後，我們便可以為它們找到解決方案。

CPU

現在無論是Intel的Pentium 3和Pentium 4，或是AMD的K7 CPU都已經超過1GHz。這代表著：如果沒有良好的散熱的解決方案，在短短數秒鐘的時間，我們就可以用CPU來煎蛋和煎小香腸了。(圖一)就是沒有散熱裝置的下場。(詳情請參考 http://www6.tomshardware.com/cpu/01q3/010917/index.html)

《圖一 已經燒毀的AMD處理器》

繪圖晶片或3D加速晶片

隨著視覺效果的需求，繪圖晶片和電腦遊戲所倚賴的加速晶片變得功能強大、設計很複雜且執行頻率也變很高，所以繪圖晶片是主機板上產生熱量的第二號人物。

電源供應器

自從交換式電源供應器的普及後，變壓器已經不再是電源部份的主要熱量產生來源，而是做大電流切換動作的Power MOSFET。

系統內部的熱流(機殼內部)

我們一般人都會想到PC的機殼那麼大，內部的溫度再高也高不到那裏去。可是正常商規的半導體元件都只保證可以在攝氏零度到七十度之間工作，若系統內部的散熱不良或散熱裝置工作不佳的話，也會造成系統的不穩定或甚至當機。

PCMCIA卡

由於PCMCIA控制晶片的負擔並不大，所以不會發出許多熱量，但真正的兇手是PCMCIA卡本身。理論上，包著鐵殼的薄卡片是最容易散熱的，但是因為PCMCIA卡是完全密合地插入筆記型電腦中，所以沒有辦法直接散熱到外面空氣中。

導熱管(Heat Pipe)

本來導熱管的發明就是要將熱量從CPU帶到電腦外部，但是導熱管本身也會耗電，再加上出口地方的風扇沒有轉動的情形下，導熱管就會變成另一號危險人物。由於它橫跨的區域很大，所以傷害性相對也更大。

其他PC周邊設備 - 如：光碟機、硬碟機、和噴墨／雷射印表機都是容易發熱的裝置。

減少熱量產生和降低溫度的方法

方法一：想辦法減少在主機板上的每一顆晶片的功率損耗。

這可以從二個地方著手：第一、從晶片設計上動腦筋，也就是減少邏輯閘的總數目(Gate Count)。第二、從半導體製程(Process)上改善。然而，一旦功能確定以後，能夠減少的邏輯閘數目便有限；換句話說，再笨的研發團隊也不致於設計出比別人大20%以上的晶片。於是，我們只能儘可能往製程上努力。如果，我們可以不斷地往次微米(Sub-micro)的製程進步，那晶片的工作電壓便可以由5伏特，降到3.3/3伏特，甚至可低到2.5伏特或者1.8伏特，那電源功率消耗至少可以減少二倍至三倍以上。

可是，由於改變的是半導體製程，所以研發的時程相對也拉長很多，並且證驗費用和初期生產成本都會提高。

方法二：降低執行頻率

在相同的數位電路中，電源消耗和工作頻率是成正比的。所以，頻率愈高則消耗的功率也愈高。如果，我們不要讓晶片跑那麼快的頻率，那系統自然也不會產生那麼多的熱量。這完全不需要額外的成本就可以達到，是省成本的解決方案。但是，使用者會買這個等級的PC就是希望能夠執行得夠快，若降低頻率來執行，不見得會被客戶或使用者所接受。

方法三：利用風扇帶走熱量。

我們在家裏或辦公室中，若天氣實在太熱了，最簡單有效的方法就是裝一台冷氣機；沒有錢的話，也可以買一台電風扇來吹走熱氣。利用這個概念，我們就可以為現在的電腦機種或甚至舊電腦解決散熱問題，這並不會額外增加多少成本，更重要的是不需要改變整個晶片的設計或製程。

然而，風扇的馬達也是相當耗電的，所以何時打開風扇及關掉風扇便是很重要的設計參數，否則我們是可以吹散熱氣，卻達不到省電的效果。

解決方案

雖然Intel極力想從CPU的設計和製程上的改善來減少熱的問題，但是在沒有散熱系統的情形下還是會燒毀。可見得方法三是現階段不能被取代的解決方案，然而風扇的開關控制和意外防患更需要溫度感測器的協助才能完成。筆者從現在的PC機種所使用的解決方案，選取最具代表性的幾個，供讀者參考：

CPU - LM86(Remote Diode Temp Sensor)

一般的溫度感測器(無論是熱敏電阻或IC型溫度感測器)都需要很長的時間才能夠將熱傳導到感測器的核心部份。根據National內部的實驗結果，從CPU把熱傳導到空氣中，再從空氣中傳導到溫度感測器中，這個過程至少需要20分鐘以上的時間。如果，很不幸地散熱片(Heat Sink)沒裝好或風扇沒有轉了，不到二分鐘的時間，使用者的CPU就會和(圖一)一樣的下場。

所以，CPU廠商(Intel和AMD)將一顆3904埋入晶片中，我們稱這顆3904為Remote Diode，因為它離溫度感測器本身很遠。於是在短短幾個毫秒(mini-second)中，溫度感測器便能精確地偵測到CPU內部的溫度了。現在的技術要能做到1℃的精確度已經不是很難的事，而且會變成PC和筆記型電腦的一個重要的趨勢。

在LM86(圖二)的運用實例中，通常T_CRIT_A的輸出信號會被拿來做為過溫度保護的功能，我們稱之為Thermal Shutdown。好處是當Windows或某一個應用程式造成系統當機時，LM86還能保護整個系統。而Alert這個輸出信號便可以做為軟體中斷，以達到ACPI規格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的Remote Diode之外，本身內部還有一顆sensor，可以感測LM86所在的溫度。所以，前面所提到的PC的系統溫度和筆記型電腦的導熱管，便可以使用LM86的本地感測器來偵測，不需要再花額外的成本去買另外一顆溫度感測器。

《圖二　LM86結構圖》

繪圖晶片或3D加速晶片 - LM26, LM88

通常繪圖晶片也是不能被降頻來執行的，否則畫面會變成慢動作撥放一般。那最好的方法還是加一顆散熱風扇。在這裏就有二個方式來啟動和關閉風扇了，第一個是便宜的做法，用LM26來偵測溫度(圖三)，等達到某一個界限時便啟動風扇，若溫度降下來了，便自動關閉風扇。第二是採LM88來設計時髦的4段變速風扇控制器(圖四)，讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉速。

《圖三　LM26風扇控制電路》

《圖四　LM88風扇4段變速控制電路》

Power MOSFET - LM26

無論是PC的電源供應器或者是筆記型電腦中的DC-DC轉換模組，內部都會有一顆很燙的Power MOSFET。雖然電源部份都有一個風扇隨時在轉動，但是我們必須設想一件事：萬一風扇壞掉了，或者內部電路有發生短路的時候，怎麼辦？利用LM26的過溫度保護功能，在極限溫度時能夠自動關閉電源而達到Shutdown或甚至Recovery的功能。

PCMCIA - LM88

LM88本身並不被設計來做為風扇的4段變速控制器，而是能同時偵測二個待測物。一般筆記型電腦的PCMCIA插槽都有二個，所以LM88是用來偵測PCMCIA的最佳選擇。由於LM88不需要用軟體來控制，所以我們不用擔心Windows當掉或藍螢幕(Blue Screen)的問題。

這些溫度感測器的詳細資料和應用範例，以及許多的技術資料，請參考 http://www.national.com。

結語

雖然溫度感測器在PC和筆記型電腦中毫不起眼，沒有工程師會去注意它的重要性，更不用說使用者能感覺到它的存在。但是，對整個系統這些重要晶片來說，它扮演著保護天使的角色，就像人們背後的天使一般默默守護著系統旳安全和穩定性。

(作者任職於美國國家半導體)