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温度传感器在笔记本电脑中的应用
摘要:
由于计算机效能不断的推陈出新,愈来愈多的功能被整合到计算机中。
因此,计算机的处理量与日俱增,这些资料包含多媒体数据及3D动画资料。
为了满足大量的数据处理需求,愈来愈多的芯片组被放入主机中,同时,CPU及芯片组的工作频率也不断提高。
更多的芯片组及更快的时钟频率意味着更多热量产生。
对于笔记本电脑,用户除了要求系统具有更好的效能外,在外观上,还要求轻、薄、小,这是设计人员所面临的另一挑战。
在有限的空间内,如何耗散系统所产生的热量是一个棘手问题。
如何兼顾系统效能、系统舒适度(包括笔记本电脑外壳的温度、风扇旋转所产生的噪音)、及系统运行时间,是笔记本电脑设计的一个重要课题。
关键词:
温度传感器,笔记本电脑,耗散热量,数字温度传感器,CPU,ADM1022,FAN,SMBus
引言
愈来愈多的功能被整合到计算机中。
因此,计算机的处理量与日俱增,这些资
料包含多媒体数据及3D动画资料。
为了满足大量的数据处理需求,愈来愈多的芯片组被放入主机中,同时,CPU及芯片组的工作频率也不断提高。
更多的芯片组及更快的时钟频率意味着更多热量的产生。
对于笔记本电脑,用户除了要求系统具有更好的效能外,在外观上,还要求轻、薄、小,这是设计人员所面临的另一挑战。
在有限的空间内,如何耗散系统所产生的热量是一个棘手问题。
如何兼顾系统效能、系统舒适度(包括笔记本电脑外壳的温度、风扇旋转所产生的噪音)、及系统运行时间,是笔记本电脑设计的一个重要课题。
一、笔记本电脑温度检测
1.1系统框图
图1为笔记本电脑的典型系统框图,CPU为系统中最大的热源,目前笔记本电脑普遍使用的IntelDothan处理器其瞬间最大功耗约为37W,AMDAthlon处理器其瞬间最大功耗约为35W至40W,Intel下一代Merom处理器的瞬间最大功耗将高达50W。
CPU是计算机中温度检测的重要目标。
目前,无论是Intel或AMD的CPU,CPU内部都含有提供远程温度检测用的二极管,以提供温度传感器,直接检测CPU内部管芯的温度,并对其进行精确的温度控制。
1.2温度检测对CPU优点
图形处理芯片(GPU)是除了CPU之外,系统中的另一个重要的热源。
由于液晶显示器分辨率的增高,图形处理芯片的数据处理量也大大增加,为了让图形处
理芯片可靠工作,目前普遍使用的图形处理芯片,也和CPU一样,均内含提供
远程温度检测的二极管,以便直接检测图形处理芯片内部管芯的温度,并对其进行温度控制。
笔记本电脑中,其它可能需要进行温度检测及控制的组件还包括DDR内存、硬盘和光驱。
温度检测的目地是让笔记本电脑的嵌入式微控制器能对笔记本电脑作适当的电源管理及热管理。
精确可靠的温度检测在笔记本电脑的应用上具有下列优点:
1.2.1精确的温度检测能让系统发挥最高的效能:
当组件实际温度并未到达系统降频的临界点时,因为温度传感器检测误差,可能使系统降频动作提早发生,这会使系统无法发挥最大的效能。
1.2.2精确的温度检测能降低系统噪音并延长计算机电池使用时间:
如果温度传感器的检测温度高于系统实际温度,将造成风扇提早运转,或风扇转速比实际需求高,这将造成系统不必要的风扇噪音及功耗。
1.2.3精确的温度检测能提高系统稳定性,增加产品竞争力:
如果温度传感器的检测温度低于系统实际温度,可能在系统实际温度已到达降频临界点时系统仍然保持较高的工作频率,从而造成系统瘫痪甚至损坏。
此外,精确的温度检测允许系统使用最小的散热模块,如此可以降低散热模块成本,增加产品竞争力。
二、笔记本电脑中常用传感器
笔记本电脑常用的温度传感器热敏电阻和集成温度传感器是笔记本电脑常用的两种温度传感器。
2.1热敏电阻介绍
热敏电阻按温度对电阻特性变化一般可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻。
正温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻的电阻特性会在特定温度发生急剧变化,适合用于定温度检测或限制在较小的温度范围内。
负温度系数热敏电阻主要为氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物的复合烧结体,这些金属氧化物材料都具有半导体性质,当温度较低时,半导体内的电子-空穴对儿数目较少,因此电阻较高。
当温度升高时,热敏电阻内的电子-空穴对儿数量增加,因此导电率增加,电阻值下降。
图2为典型负温度系数热敏电阻特性曲线,电阻和温度之间的关系式如下:
R0、R分别是环境温度为T0、T(K)绝对温度时的电阻值。
B是热敏电阻的常数,B常数通常介于2500K至5000K范围内。
图3为典型负温度系数热敏电阻的应用电路。
利用笔记本电脑嵌入式微控制器的模数转换器(ADC)所读到的电压值推算出NTC的电阻值,因而推算出环境温度。
利用负温度系数热敏电阻测量温度时误差很大,误差来源包括NTC本身的误差、提升电阻的误差、偏压电源(VCC)的误差、ADC的误差及测量噪声所造成的误差。
从成本考虑,如果只考虑负温度系数热敏电阻本身的价格,这是一个廉价的解决方案。
但若把偏压电路和额外的ADC成本一并考虑进去,成本可能增加。
三、数字温度传感器
本文选择的是数字温度传感器,所用芯片为ADM1022。
目前,无论是Intel或AMD的CPU,其内部都含有提供远程温度检测用的二极管,集成数字温度传感器是计算机普遍采用的温度监控方式之一。
2.1数字温度传感器的结构与测量原理
2.1.1数字温度传感器的结构
数字温度传感器的主要构成:
一个双电流源、一个Δ-ΣA/D转换器、数字逻辑和一个通向数字器件的串行接口。
数字温度传感器中有两种传感器:
本地或远程温度传感器,它们均采用两个成比例的电流通过一个连接成二极管形式的NPN或PNP晶体管,用于测量所导致的VBE(发射极电压)变化,使用Δ-ΣA/D转换器对电压采样并将数值转换成数字格式。
图4为数字温度传感器的简化结构框图。
图4
2.1.2测量原理
远程温度测量时,其工作完全类似本地温度传感器,但在信号通路中需要包含一个低通滤波器,这是由于远程晶体管会从传感器与远程热晶体管的连线上拾取噪声,保护措施可以使用屏蔽双绞线缆线。
用远程感测晶体管所引起的一个主要误差源是IC与远程热晶体管的连线的串联电阻,此串联电阻会引起偏移电压,用户在进行印刷电路板布线时必须尽可能降低印刷电路板铜箔所产生的寄生电阻[1]。
数字温度传感器的测量原理是基于以下公式:
(一)由半导体PN结伏-安特性曲线公式:
计算出温度值,其中ID:
二极管的正向电流,
IS:
二极管的反向饱和电流,
VD:
二极管的正向压降。
n:
二极管的理想因素(一般约为1),
k:
波尔兹曼常数(1.38×10-23joules/K),
T:
绝对温度K,
q:
一个电子的电荷(1.6×10-19C)
(二)由于,
因此我们可以将式
(1)式简化为:
(三)数字温度传感器内部的电流源会送出二个不同的电流,ADC在不同电流时读出不同的二极管正向压降。
也就是当电流源送出高电流IDH时,ADC读数VDH。
IDH和VDH的关系式为:
当电流源送出低电流IDL时,ADC读数VDL。
IDL和VDL的关系式为:
将(3)式除以(4)式,可得到:
将(5)式二边取对数并作整理,我们可以得到:
由于n、k和q为常数,而IDH和IDL由温度传感器内部产生,因此由VDH和VDL
的变化量我们就可以测出温度。
2.1.3数字温度传感器的接口方式
数字温度传感器的接口通常采用
C或SMBus串行总线,SPI也是一种通用的总线方式。
选择何种总线通信很大程度上取决于所选微处理器或控制器上有哪些可用的接口。
SPI是一种四线制串行总线接口,为主/从结构,SPI的缺点是缺乏流控机制,无论主器件还是从器件均不对消息进行确认,主器件无法知道从器件是否繁忙,优点是没有系统开销,拥有较快的时钟速率,速率可从几兆赫兹到几十兆赫兹。
I2C总线和SMBus总线都是二线制串行总线接口,工作在主/从模式,有流控机制,因此有系统开销,允许多个主器件工作在同一总线上。
所以对于需要经常进行数据流传输的系统数据,SPI是首选,而对于系统管理活动,如读取温度传感器的读数和查询多个从器件的状态,或者需要多个主器件共存于同一系统总线上,这时
C或SMBus将是首选接口。
三、数字温度传感器在CPU测温中的应用
市面上生产数字温度传感器的厂商有很多,常见的有DALLAS公司生产的DS18XX系列,美信(MAXIM)公司的MAX16XX系列,美国半导体公司的LM7X系列等等,实际应用中除了上文提到的接口方式,精度等因素还要考虑设计环境及应用环境来决定使用哪种IC芯片节省成本。
目前,CPU内部都含有提供远程温度检测用的二极管,数字温度传感器通过远程的二极管来测量CPU的温度并对测量数据进行相应处理以实现对CPU和风扇相应的控制。
市面上配备远端输入且设计有专门的风扇(FAN)控制引脚的芯片也有不少,如美信(MAXIM)的MAX1669,1618,1668和AnalogDevices的ADM1021ADM1022等等,本文选择的是AnalogDevices公司的ADM1022。
3.1ADM1022介绍
ADM1022是一款16管脚带远程输入的双通道热敏二极管数字温度传感器,其工作电压范围为+3.0v~+5.5v,内部二极管测量误差最大为±2.0℃,远程二极管的测量最大误差为±3.0℃,接口为SMBus串行总线,测量范围为-40~+125℃。
图5即芯片ADM1022的外观及引脚配置。
图5
其中D1+、D1-即为远程传感器的正负输入引脚,和FAN_SPD/NTEST_IN可以用来控制风扇的开关与运行速度。
3.2场效应管的介绍
场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体三极管。
它具有输入电阻高(最高可达
)、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点,因此得到广泛应用。
3.2.1场效应管的参数
场效应管的参数很多,包括直流参数、交流参数和极限参数,但一般使用时关注以下主要参数:
IDSS—饱和漏源电流。
是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流。
UP—夹断电压。
是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。
UT—开启电压。
是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。
gM—跨导。
是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。
gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。
BUDS—漏源击穿电压。
是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。
这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。
PDSM—最大耗散功率。
也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。
使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。
IDSM—最大漏源电流。
是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流。
场效应管的工作电流不应超过IDSM
3.2.2场效应管的作用
(1)场效应管可应用于放大。
由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。
(2)场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。
常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
(3)场效应管可以用作可变电阻。
(4)场效应管可以方便地用作恒流源。
(5)场效应管可以用作电子开关。
3.2控制电路及分析
图6远程监控温度及风扇控制电路
测量温度时,对所测温度做出判断,并根据温度的高低采取适当的操作。
在图6电路中,FAN_SPD/NTEST_IN引脚信号借助运放AD8519及R1、R2所组成的放大电路的放大以控制风扇速度,放大过的信号经过场效应管,由于其转移特性,信号电压越高,风扇转动就越快,随着温度下降,信号电压开始变小,使R3拉高MOS场效应管Q1的栅极,ID变小,风扇转速变慢,直到信号电压低于UT时(此时温度应正好降到限制范围内,温度点已经设定在传感器内部的温度限值寄存器里),栅极关闭,风扇停止。
引脚也控制风扇开关,但它与FAN_SPD/NTEST_IN引脚是相对独立的,即不管FAN_SPD/NTEST_IN的信号如何变化,只要
输出低电平(通过R4拉高MOS场效应管Q2的栅极),风扇就停止运行。
驱动电路中包含的2个MOS场效应管,其中NDT452P为P通道增强型MOS场效应管,NDT3055L为N通道增强型MOS场效应管,其转移特性如图7.
图7NDT452P及NDT3055L的转移特性
其中远程传感器一般要接滤波电容以消除噪声,本文由于ADM1022内部已经专门为远程传感器配备了fc为65Hz的低通滤波器,所以就不需要再另接滤波电容。
以上只是介绍了监控单个CPU温度监测,实际上计算机中除了CPU之外,图形处理芯片(GPU)也是系统中的另一个重要的热源,目前普遍使用的GPU,也和CPU一样,均内含提供远程温度检测的二极管,以便直接检测图形处理芯片内部管芯的温度,并对其进行温度控制。
计算机中,其它可能需要进行温度检测及控制的组件还包括DDR内存、硬盘和光驱,所以应用中往往需要测量多个本地和远程的极限电源电压和热区域温度,这时可以选择多通道的远端/本地传感器IC芯片即可,例如MAX1805、MAX1989等。
在图8电路中,MAX1805可以同时监控四个远程温度传感器[3]。
图8同时监控多个PN结温度的应用电路
参考文献
[1]陈星弼.晶体管原理与设计(第2版)[M].北京:
电子工业出版社,2006.
[2]丁镇生.传感及其遥控遥测技术应用[M].北京:
电子工业出版社,2002.
[3]何希才.传感器及其应用电路[M].北京:
电子工业出版社.
[4]夏继强.传感器实验与实践教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2001
[5]吴运昌.模拟集成电路原理与应用[M].广州.华南理工大学出版社,1995
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