由於科技的進步，半導體製程的改善，越來越多的微處理器具備強大的運算能力，在此同時，系統所需要的電力也不斷地增加。由於電源使用的效率及用量會直接影響系統所產生的熱，因此在系統的電源設計上，就必須兼顧如何管理電源及轉換的效率；另外熱的處理也相當的重要，尤其在筆記型電腦如此小的空間需求及強大運算能力下，系統隨時會需要幾十瓦甚至上百瓦的電功率，而在攝氏好幾十度甚至上百度的溫度下工作，任何的疏忽都能造成系統的損壞或燒毀。所以電源管理及熱處理是非常重要的。

溫度量測

精確的溫度量測有助於系統設計及電源管理上的準確，並減少系統發生故障的機率。進一步藉由精確的溫度量測，我們可以計算系統所需的散熱風量，較少的散熱風量等於是較低的風扇轉速，較少噪音及較少的電源消耗。目前業界所用量測系統溫度的機制通常有熱敏電阻、電阻式、熱電耦、矽半導體等方式。其中各項比較如(表一)：

表一　不同量測系統溫度機制之比較

溫度計種類項目	熱電耦	白金電阻式	熱敏電阻	半導體
範圍	-184℃~+2300℃	-200℃~+850℃	0℃~+100℃	-55℃~+150℃
電性	電壓訊號小	電壓訊號極小	電阻對溫度敏感	電壓訊號小
準確性	優	最優	普通	好
外加電路	需溫度補償	需外加電流	需外加電流	需外加電流

如果我們要將其應用在所設計的系統中，最為容易且符合要求的就是熱敏電阻及半導體的溫度量測方式；但如果要達到高準確度的要求，那半導體溫度量測方式會是最理想的一種。此種量測技術，是利用連接的電晶體當感應器，藉由流經此電晶體連成的二極體接面電流所產生的電位差，來推導出半導體接面的溫度。我們可由以下的方程式中計算出溫度：

《公式一》

以目前的技術已經可以做出±1℃、甚至更精確的溫度量測積體電路。為何要如此精確呢？以目前微處理器發展的速度，我們可回顧以前到現在其所需的消耗功率窺得，在相同的製程條件下，運作時脈越高則越耗電，也就是產生更多的熱，如(圖一)；以一般條件下的系統熱阻換算，扣除溫度感測積體電路的誤差外，每增加３℃就增加1W的散熱需求，因此在相同散熱要求下，能減少溫度誤差，就可增加系統的散熱負擔，也就是說在相同的系統散熱設計下，我們可增加高一等級的微處理器工作時脈。

現今，微處理器大都內建感溫二極體，甚至有些整合3D繪圖功能的高階北橋晶片，也內建有感溫二極體，藉由外加的積體電路，我們可以精準地量測到其內部晶片的正確溫度，以GMT的G781為例：其準確性為±1℃（60℃～100℃）之溫度量測微處理器，並針對P4微處理器做最佳化，並內建數位比較器，設定溫度高低極限以判定警報之發生，另有一過溫保護訊號輸出，可用於系統過溫關閉或風扇開關控制，確保系統安全。

《圖一　不同系統運作時脈的耗電量》

如何散熱

根據熱力學第一定律，熱平衡定律，我們知道當甲物與乙物達到熱平衡時，兩物的溫度會相同。也就是不管甲物的溫度是否比乙物高，最終經過接觸或輻射的作用，熱會在兩物流動達到相同溫度，其中熱量轉換為：

(公式二)

(T平衡 -T甲) × Cp甲 × W甲 = ( T乙-T平衡) × Cp乙 × W乙 (T：溫度，Cp：比熱)

那如何應用在系統散熱呢？只要我們將甲物當成系統散熱器，而乙物當成把熱帶走的空氣，我們就可以利用前式得到系統降溫所需的空氣量與溫度間的關係。

《公式三》

由上式我們可以依據環境吸進之空氣溫度，系統工作溫度等相關訊息得知散熱所需要的空氣量。因此風扇的選擇就可依據先前數據得到初步的規劃。接下來我們還要根據系統機構設計推估，原則上要讓空氣流動盡量不受阻擾，確保氣流順暢而提升冷卻效率。

(圖二)一般可由風扇規格中得到：

《圖二　》

(圖二)說明了當流經系統的空氣壓力越大，則流過的氣體量越少；相反的氣體流量大時，風壓會是最小。理論上我們要得到更好的散熱，就是增加風量，但系統氣流路徑上必然會有阻抗，因此我們要再加上系統阻抗在圖二中，而得到(圖三)：

《圖三》

圖三中的兩線會相交於一點，此點即是系統工作點。因不同的風扇風量氣壓特性曲線不同，因此根據系統阻抗一起來作為選擇風扇的依據，當然越大的風量風扇其耗電也相對較大。

風扇轉速控制的必要性

早期風扇在電子產品的主要用途是散熱，因此轉速及風量是基本的衡量指標項目，至於效率及噪音則是被忽略的項目；前幾年還有些廠商在廣告中標榜他們的散熱風扇轉速有多高（rpm），然而近年來由於環保意識的抬頭，許多人開始發現散熱風扇的噪音，已經成為筆記型電腦系統中最主要的噪音來源，因為另一個噪音的主要來源－硬碟的噪音，已經大幅的降低了。

降低風扇噪音的方法不外乎兩種：一是降低風扇的轉速，二是改善風扇的軸承系統。風扇的主要用途為散熱，所以絕對不能因為降低噪音而犧牲散熱效果，而溫度偵測正是監測散熱效果最直接的方法，因此有些人開始採用溫度過高就啟動風扇，否則關閉風扇的ON/OFF控制方法，這樣可以降低風扇的平均噪音，又不犧牲散熱效果。然而，ON/OFF控制的結果卻是更為糟糕，因為風扇的平均噪音雖然降低了，開開關關的噪音卻比持續運轉的噪音更令人難以忍受。因此風扇固定轉速控制便成為了唯一的解決方案，有最低階的三段轉速控制（OFF／中速／高速），也有高階的無段轉速控制，可以在不犧牲散熱效果有條件下，將散熱風扇的噪音降至最低。

風扇轉速控制

經過上述的探討，我們進一步再來研究風扇轉速控制。一般用在筆記型電腦的風扇，大多使用5V電源無電刷式風扇，並分為兩線式或三線式；其中三線式具備風扇轉速訊號，每轉一圈訊號線送出一個、兩個或四個脈衝，因此可由計算得知風扇轉速；兩線式則必須使用電流感測的方式來得到轉速訊號，也就是在風扇電源負端串接小電阻到地，而根據電阻上電流的變化得知轉速。

如何控制轉速呢？目前用的方法不外乎開回路控制與閉回路控制，開回路控制的方法只是利用電壓調變的方式，改變風扇輸入電壓、或是利用PWM的方式來達到加速減速的目的，完全無法準確控制不同風扇的轉速；相同型式風扇的轉速誤差通常會超過10％以上，更不用說不同型式的風扇。另外一種就是閉回路轉速控制，簡單說就是將風扇轉速訊號加入控制回路當中，根據風扇的轉速動態調整風扇的輸入電源，以達到控制轉速之目的。

要如何植入此方式到系統設計當中呢？首先，必須找到一個準確計算時間的時脈，透過此時脈，我們可以利用風扇產生之轉速訊號得到一計數，再將此一計數換算成轉速；當我們設定轉速時，也可利用設定計數的方式來設定風扇轉速。舉例來說，可將控制的流程編寫成程式語言，燒錄至微控器（例如：鍵盤控制器）中，並加上數位類比轉換器，電源驅動器；一開始我們先設定一轉速對應的計數，此時當轉速訊號產生一上升脈衝時，計算時間時脈的脈衝到下一次上升脈衝時出現的次數換算轉速，接下來我們根據此換算的轉速，以數位類比轉換器送出一個電壓值，到風扇電源轉換器上調整電壓；若轉速不夠時，固定時機向上調高一定數值的電壓值至數位類比轉換器上，如果轉速太高，就向下調整一定數值的電壓值至數位類比轉換器上；最終風扇轉速會達到設定的轉速。

由於利用微控器產生此一控制回路相當容易，但必須面對此微控器程式運轉可能的停頓，造成的控制不穩定，甚至微控器停止以致於系統損壞的危險，或是直接使用現成的積體電路控制來達到相同的需求。以GMT 所生產的G760A為例，它可控制一顆風扇，且您只需外加一32.768kHz時脈，透過SMBus的傳輸，可設定風扇轉速、讀取風扇轉速、讀取風扇狀態。另外G768B除了可同時控制兩顆風扇外，還具備溫度感測功能，溫度監測強制開啟風扇功能，強制系統過溫關機功能。

如何結合溫度與風扇的控制達到散熱處理的電源管理

由前幾項的說明，我們可以更清楚瞭解整個散熱機制的要點，所以我們可假設在系統操作時會有的環境條件；首先當系統開機後，環境溫度在室溫25℃時，系統、空氣溫度也在此溫度；當系統工作開始，隨時間的增加，CPU溫度會漸漸增加，系統溫度也會開始慢慢增加；此時風扇無須運作，直到溫度到達系統工作溫度。

通常系統設計必須保證在四十度左右的環境下工作，所以此時風扇僅需低轉速就能有足夠散熱風量，兼顧了省電及低噪音的需求；尤其當使用者只需要簡單運算甚至不用多少CPU資源的條件下，降低CPU工作時脈、降低螢幕背光、降低風扇轉速，都能節省系統有限的電源。進一步當我們需要系統全速運轉，且環境溫度同時也不斷升高時，風扇轉速設定就可利用溫度極限設定之警報裝置，讓系統負責的機制（同常是鍵盤控制器）更改風扇轉速及新的溫度極限值，以涵蓋現在系統溫度，直到達成熱平衡。在某些特殊情況，系統溫度不斷升高，觸及風扇強制全速度轉動溫度仍無法達到降溫目的時，還必須設有強制關機功能。

（作者為致新科技產品應用部資深工程師）