隨著電腦處理性能的不斷提高，其功耗也日益提高。在個人電腦（PC）和伺服器系統中，這會帶來一些散熱問題，而在要求高性能的攜帶型PC中，其功耗問題會導致複雜的散熱和電源管理問題。

設計攜帶型PC或筆記型電腦的散熱系統時，為了有效地利用電池資源，同時確保PC內非散熱區能夠在作業時保持其工作溫度的最大特性，必須考慮一系列的散熱問題。在正確的溫度限度內作業可延遲平均無故障工作時間（MTBF）。

從物理角度來看，一個重要的指標是散熱設計功耗（TDP），這是在最壞應用情況下的處理器功耗目標。透過使用TDP，系統工程師可設計出對處理器進行適當散熱的系統。在可攜帶型設備的例子中，機箱設計、散熱片和散熱管都由於成本和系統開發等角度再次提出新的設計問題。為了開發出好的散熱解決方案，必須將整個系統（包括最壞情況下的處理器功耗）作為一個大的散熱片（被動元件）來考慮。如果採用風扇散熱，設計工程師必須仔細考慮與元件放置及機箱設計相關的氣流和空氣動力學的影響，以使風扇的效率最佳。

最新的可攜式設備處理器提供三種溫度監測機制：

攜帶型和筆記型電腦系統中最熱的元件通常是處理器以及繪圖與記憶體控制器集線器（Graphics Memory Controller Hub；GMCH），所以保持這些積體電路（IC）的理想溫度是散熱控制中重要的第一步。透過整合在晶片內特別設計的電晶體直接監測晶片的溫度，可允許用一個智慧風扇速度控制器來直接監測晶片的溫度。由於可直接監測並且智慧地讓處理器的晶片溫度散熱，所以系統的工作溫度可更接近於要求維持的MTBF所需要的溫度。

內部熱敏二極體

晶片內熱敏二極體的溫度可以利用一個作業在恆定電流的二極體（或一個電晶體的基射極結電壓）的負溫度係數來監測。可以利用直接測量下式中的Vbe來獲取溫度值：

《公式一》

令人遺憾地，這種方法需要校準以消除Is絕對值的影響，因為Is隨不同電晶體而變化。一種更好的方法是當同一電晶體的集電極流過兩個不同的電流時測量其Vbe的變化，其結果如下列公式：

《公式二》

為了測量ΔVbe ，感測器在I和NI兩個工作電流之間切換。由此得到的波形通過一個低通濾波器（Low-pass Filter）濾除雜訊，然後經過斬波穩定放大器，它放大並整流波形以產生與ΔVbe成正比的直流（DC）電壓。此電壓值用類比/數位轉換器（ADC）測量，它以二進位形式提供溫度輸出。如果對16次重復測量結果取平均值，可進一步減小雜訊的影響。

《圖一　輸入信號調理》

(圖一)顯示了輸入信號調理電路，使用智慧風扇轉速控制器來測量外部電晶體的PNP溫度。如果微處理器（MPU）沒有內置電晶體，可使用一個集電極連接基極的分立電晶體。為了防止接地雜訊干擾測量，該溫度感測器的負端被D－輸入端的一個內部二極體偏置到高於地電位。如果該感測器在雜訊環境中作業，可以加一個典型值為2200pF的電容器C1作為雜訊濾波器。使用智慧風扇轉速控制器允許對風扇有效的智慧控制。風扇可根據熱負荷減速或者停止運轉，進而節省功耗並且降低音頻雜訊。

《圖二　P4內部溫度檢測電路》

溫度監控器（PROCHOT信號）

第二種溫度監控電路獨立地內置於處理器的晶片中。由溫度決定檢測二極體對應某一溫度的輸出電流將與一個參考電流源相比較。此電流源出廠時經過校準並且被設置成當處理器達到最大允許工作溫度時可發出PROCHOT信號。該電流源的設置被鎖定，並且不能改變。從理論上說，PROCHOT信號似乎是控制處理器溫度的一個好方法，除了當處理器處於停止運作、休眠、深層休眠和更深層休眠低功耗狀態（內部時脈停止）時不發出PROCHOT信號以外。當處理器處於休眠模式時，仍然可能消耗正常負載下工作所需要的30％以上的功率。這是由於整合在晶片上的數百萬個電晶體的漏電流所造成的。其後果是如果處理器進入休眠模式，它仍有可能過熱，引起系統非正常關閉。

THERMTRIP信號

作為由過熱所引起的處理器損壞之最後一道防線，Intel提供了一種簡單的溫控跳閘開關。當處理器晶片溫度達到125℃～135℃時，所有的處理器時脈都暫停，並發出THERMTRIP信號。由於漏電流可能仍然高到足以增加晶片的溫度，所以Intel規定（見P4 M技術資料）供給處理器的Vcc電源必須在500ms之內關斷以避免永久性晶片損壞。THERMTRIP信號將一直保持一直到產生Reset信號被初始化。THERMTRIP信號獨立於處理器時脈，所以即使處理器處於停止運作、休眠、深層休眠和更深層休眠的低功耗狀態（內部時脈停止）時，也會發出THERMTRIP信號。

因此，不能依賴PROCHOT信號和THERMTRIP信號來管理PC的散熱性能，因為它們都可能無法（根據取決於系統的溫度狀況）可靠地防止處理器過熱。當系統不能被動地降低其自身溫度時，需要主動地將熱量從系統中去除。因此，儘管唯一穩當的方法是同時使用這三種過熱保護機制，但使用獨立的溫度監控器將可能是更好的解決方案，。

《圖三　採用智慧風扇轉速控制器構成的典型智慧溫度控制電路》

可將晶片內之熱敏二極體連接到一個智慧風扇控制器以提供智慧型散熱控制。智慧風扇轉速控制器利用晶片內熱敏二極體可自動確定處理器何時需要主動散熱，進而使用預設置的自動控制環路來接通風扇。與系統適當的散熱模式相配合，硬體監視器能夠使處理器溫度保持在低於最大作業溫度之下，以確保不發出PROCHOT信號，並且確保處理器以其最大時脈速率和計算能力運行。這種解決方案有幾個優點：一是達到最大處理性能，並且風扇只在必要的時候接通。這種解決方案可能延長所有受影響元件與溫度相關的MTBF。另一個優點在於由於風扇僅在必要時接通，會減少系統的音頻雜訊。

《圖四　智慧風扇轉速控制器的功能框圖》

MTBF

一台使用五年的PC完全可以應付文書處理及網頁瀏覽使用者的一般要求。所以，90年代PC經過改進的五年後，PC的性能並沒有很大改進。這個領域的技術可能已經達到穩定水準，除非市場上再出現其他的重大突破性創新。這樣的實際結果是最終用戶不再像十年前那樣不得不隨時升級他們的PC，也因此人們使用舊系統的時間更長，使得整體可靠性問題成為關注的焦點。產品的生命周期和可靠性也可能因此成為未來PC產品的重要特性。

當今半導體製造商普遍使用的溫度和可靠性模型是基於晶片製造協會（Sematech）可靠性技術咨詢委員會（Reliability Technology Advisory Board）白皮書—Intel和AMD於1999年撰寫的「基於新半導體技術可靠性評估的使用條件」。這其中規定使用Arrhenius公式來建立溫度影響可靠性方式的模型。它還規定半導體元件長期可靠性的衰減與溫度的增加成正比，它遵循按照化學反應動力學描述的冪指數公式：

《公式三》

處理器的故障率〔r(t)〕等於初始故障率（r0）乘以e的負指數常數，這個常數由給定處理過程的活化能（EA）除以波茲曼常數（k）和K氏絕對溫度（T）的結果構成。其中EA的值可由具體元件決定，進而利用對元件進行大量採樣，加速壽命測試和長期現場故障分析統計，而得到所有元件故障模式的複合活化能。幾乎沒有半導體製造商會公開其具體元件的複合活化能，因為這個值通常是估計而得出的，並且很可能產生誤解。

值得注意的是，一些半導體製造商承諾其處理器的正常工作年限假定為三年，而該處理器正確安裝並且在所建議的環境條件下作業，那麼，只要處理器在整個壽命期間內都維持在最大作業溫度下運作，它便最少可以正常運作三年（在此例中）。如果該處理器運作於較低的溫度之下，就統計的角度來說，它應該能正常運作更長的時間。雖然Arrhenius公式可以作為一種估算處理器運作時間的通用準則，但在不知道特定處理器的複合活化能之情況下，想要精確地預測處理器可能的壽命仍然非常困難。

結論

綜上所述，可以設置一個監測特殊用途積體電路（ASIC）的獨立系統，以便根據溫度來動態地控制風扇轉速。因此這是使系統維持在最佳的作業溫度，同時使風扇雜訊最小並且提高MTBF的重要方法。THERMTRIP和PROCHOT CPU功能補充了系統監測ASIC的功能，提供了可靠性更高的散熱管理解決方案。

（作者為ADI美商亞德諾溫度和系統監測部門應用工程師）

延 伸 閱 讀

設計工程師將越來越多地在設計中採用表面黏著元件，甚至包括電力元件。通常，通孔元件可以通過使用夾式或者螺栓式散熱器來散發多餘的熱量以保持低溫，而表面黏著元件不可能採用這樣的方法，它必須依靠在印刷電路板上的導熱印線或墊來散熱。相關介紹請見「 PCB表面黏著電源元件的散熱設計」一文。 以上的每一個轉變都可視為電源分配技術的一個新突破，讓系統的使用壽命和性能可以提高至前所未有的水準。 中間總線結構. 從系統設計的角度看，電源管理技術大約在五年前便進入一個轉捩點。你可在「電源分配結構的三大轉變為電源管理技術開創新局面」一文中得到進一步的介紹。 消費者在購買產品時，除了價格、體積等傳統的考慮要素外，是否擁有更卓越的功能已經成為了他們的重要選擇指標。終端廠商為了保持市場競爭力，不斷為設備加入差異化的週邊設計，這將為手機電源管理及音頻系統帶來全新的挑戰。就此，我們採訪了美國國家半導體公司的資深專家，共同探討這一領域的發展趨勢。在「新一代手機電源及音頻系統發展所面臨的挑戰及策略」一文為你做了相關的評析。

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AMD宣佈其Opteron伺服器處理器將加入PowerNow電源管理功能，協助客戶降低電力與空調成本。處理器因提高電源需求而提高了效能，但也產生了過多的熱量，特別是在資料中心內使用的伺服器上，過熱可能讓資料損失或毀損。為解決這個問題，AMD將筆記型電腦處理器上的省電技術導入Opteron處理器內相關介紹請見「AMD加入電源管理功能解決Opteron散熱問題」一文。 對於像PowerWise這樣的系統電源管理介面標準，目前大多數電源方案供應商更多冷眼旁觀。Donal認為此類標準還未得到業界的廣泛接受。在傳統的CRT彩色電視中，電路板尺寸和散熱問題容易解決，而且成本因素敏感，因此線性電源佔主導。你可在「高性能電源需求強勁市場前景持續看好」一文中得到進一步的介紹。 這種封裝工藝具有高速與電源管理電路的某些優異的機械特性，包括改進的同平面性與散熱性。由於QFN封裝不像傳統的SOIC與TSSOP封裝那樣具有翅形引線--這些引線有時可形成天線，會在高頻應用中產生噪音--因此其電氣性能比傳統的引線式封裝更優異。在「便攜式應用的高整合度電源管理元件應用」一文為你做了相關的評析。