吴康

    本文主要对高速大功率芯片所采用的新型风扇冷却自动控制可靠性技术及应用作分析介绍。

    高速芯片冷却产生的问题

    风扇冷却技术是目前大功率高速(如CPU、FPGA和GPU)产品和系统散热降温中的重要技术与部件。但令人不满意的是，冷却风扇有时会带来令使人讨厌的音频噪声，尤其是高速旋转时更为突出。如今，可通过测量芯片温度并相应地调节风扇速度，使其在温度较低时可最大限度降低风扇速度和噪声，但在风扇速度降低最大时，会出现引发温度又上升的最坏情况。此时为防止芯片损坏，必然又要提高风扇速度。对这样的矛盾，采用何种速度自动控制技术实现风扇冷却方案是本文讨论的主题。在此，先要说明高速芯片为什么会逐渐变热?这是因为高速芯片运行速度越快就会越热。虽然新一代的高速数字芯片使用了更小尺寸的工艺并允许降低电源电压，这是有利的，但是晶体管数量的增加却比电源电压的降低要快，因此芯片功率损耗仍然很高，其温度随之迅速上升。

    首要问题的解决

    那末什么是首要问题?当芯片温度上升时，性能会受到影响。即，参数会改变、最大工作频率会降低，而且时常要超出规定指标。发生这些情况时，使用户所用的产品或系统不再能正常工作。因此，高速芯片冷却的首要问题，就是在很长的工作时间内和最宽的环境条件范围内能保持良好的性能。在满足参数指标的条件下，高速芯片的最大允许温度取决于工艺和芯片的设计方法以及其他一些因素。而目前芯片典型的最大温度范围是+90℃至+130℃，当工作超过性能指标的临界点时，就会开始恶化，即过高的芯片温度会给芯片造成灾难性的损害。大量芯片温度通常远高于+120℃，它是由工艺、封装和在高温条件下所处时间等因素而定。因此，高速芯片需要被冷却，使其能在无性能恶化或永久性无损坏的温度下长期工作。

    如何解决

    这实际上是风扇冷却自动控制技术与可靠性的分折与设计。如今高速芯片很少使用单一的冷却技术。实际上都是应用多种技术的结合以确保持续的高性能和可靠性。而散热片、热管、风扇和时钟节流是高速芯片量常用的冷却手段。其风扇和时钟节流是最能够帮助解决散热问题，但它们也会引入自身的问题。这是为什么?因为风扇能大幅度地降低高速芯片的温度，但它们也能产生大量的音频噪声。全速运转的冷却风扇所具噪声，即工作场所中时久的噪声效应会令很多使用者厌烦，这是设计技术迫切应解决的问题。那就是要根据温度来调节风扇速度能明显地降低风扇噪声，即当温度低时，风扇可缓慢运转(可非常安静)，当温度上升时，则风扇加速运转，实现速度的高稳定的自动控制。值此，分别就以下几种新型风扇冷却自动控制技术作介绍。

    关于时钟节流技术

    时钟节流的就是降低时钟速度来减少功耗，即通过降低系统性能发挥出冷却功能。当时钟节流时，系统仍继续工作，但是在系统运行速度被降低。很明显，在高性能系统中，这种时钟节流技术只有在特别状态下，即芯片温度升高将造成工作不正常或将停止工作时才会被应用。

    高速芯片的温度测量

    基于用温度来控制风扇速度或时钟节流技术均首先要测量高速芯片的温度，其测量方法这可通过放置一个温度传感器来实现。而温度传感器的放置可以是在芯片表面或靠近芯片相邻或靠芯片下面的电路板处，而在散热片上放置温度传感器是通常有效正确的办法。这种方式测量出的温度与高速芯片的温度相对应，但常常会偏低(有时误差达30℃)，并且测量温度和芯片温度之间的差异会随着功耗的增加而增大。因此，造成了电路板或散热片的温度与高速芯片的温度之间相差一个较大的温度梯度关系。

    温度测量精度的提高

    测量精度提高的解决方案是，有许多如CPU、图像芯片、FPGA等高速芯片及其它高速IC芯片，芯内均包含一个热二极管“感温结”，并位于芯片上，见图1左面所示的。而在MAX1669内置的远程结温传感器可直接与热二极管“感温结”相连(见图1所示)。这样就能够直接测出高速芯片的温度，其精确度很高。这不仅避免了在IC封装外测量温度时所遇到的较大数值温度梯度问题(或称非线性)，而且还消除了从几秒到几分钟的热时间常数问题，提高了对于芯片温度变化的响应速度。

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