利用LM85芯片为处理器提供独立式扇速控制

Application Brief Autonomous Fan Control For Processor Systems Using the LM85
美国国家半导体公司　Emmy Denton
为了减低系统的维护成本，许多嵌入式微处理机系统都装设了硬件监视器，以提供基本的系统诊断功能。该项功能可以确保我们在发生问题时，通知到工程人员前来解决问题，或者是更换正确的元件。系统诊断功能包括检测供应的电源是否出现过压/欠压情况、系统散热扇是否出现故障以及系统元件是否过度受热等。

由于处理器及其他元件在运行时会产生热能，因此许多处理系统都需要加设散热风扇，但散热风扇会产生令用户感到烦厌的噪音。目前有许多方法可以控制噪音音量，而最明显的方法是控制扇速。

LM85 硬件监视器可提供3组脉冲宽度调制 (PWM) 输出，以便控制散热扇驱动电路。此外，LM85 芯片也可监视5个不同的电源供应的电压、4个散热扇转速计的输出信号，以及一组处理器的电压稳压器模块 VID 输出。

脉冲宽度调制 (PWM) 输出可以根据3个不同的温度区做自动的调整。其中两个区的温度是由两个已连接远程热感二极管的晶体管负责感测，而第三区的温度则是 LM85 芯片所在位置的温度。

有关系统可以通过查询功能直接向 LM85 芯片的状态寄存器探询，以确定出错的地方。LM85 芯片设有储存测量数值的高低限值寄存器。某一量度数值可与高低限值加以比较，一经核对比较之后，状态寄存器内的有关数据便会自动设定或清除。

图 1 显示系统内 LM85 芯片的典型电路。LM85 芯片利用与 SMBus 2.0 接口兼容的简单双线串行接口与系统进行通信。有一点须注意，其中一个远程热感二极管内置于处理器的芯片内。这款二极管是所有 CMOS 工艺技术都会采用的寄生 PNP。所不同的是这款二极管经过特别设计，可与 LM85 芯片搭配一起使用。这个二极管热传感器可以装设于任何 CMOS 特殊应用集成电路 (ASIC) 之内，经过调校之后便可配合 LM85 芯片一起运作。

如欲查询有关使用二极管热传感器时的误差来源的进一步资料，请参看标题为 高性能处理器系统的热能管理 的研讨会存档资料，

PWM 散热扇驱动电路采用简单的 2N2222 NPN 晶体管。由于 LM85 芯片可以提供4个转速计输入，但 PWM 输出则只有3个，因此 PWM3 只好由两个散热扇共用。

这款电路的唯一缺点是 2N2222 在饱和后会出现压降，令散热扇因为不能获得足 12 伏电压的支持而无法以最高速度运转。只要采用金属氧化半导体场效应晶体管 (MOSFET) 取代双极晶体管，压降情况便可获得改善，但这样会增加系统成本。另一个可行方法是装设一个稍大的散热扇，这个设计更有助减低散热扇发出的噪音。利用转速计输出监视扇速则会产生另一问题。若利用脉冲宽度调制 (PWM) 输出将散热扇的电源供应截断，转速计的信号则会被扭曲，尤其是当 PWM频率较高及/或占空比较低时。由于关闭 2N2222 时接地将会转往阻抗极高的负载，因此若 PWM 频率很高及/或占空比很低，转速计信号也会被扭曲。图 2 显示过高的 PWM 频率会引发甚么后果出现。图中上半部分的信号跟踪轨迹显示 PWM 2N2222 集极至散热扇的驱动路线。图中下半部分的信号跟踪轨迹显示散热扇转速计的输出。

LM85 芯片有两个方法可以解决这个问题。例如，若采用 30 Hz 的 PWM 频率，可准确量度的最低速度约为 2500 RPM。但只要采用 LM85 芯片的独特电路，这个最低速度可以大幅降低至 420 RPM 左右。

LM85 芯片的独立式扇速控制建基于量度温度与 PWM 输出之间的线性关系。图 3 显示用以控制扇速的寄存器。 "扇速温度极限" 是一个温度的设定点，每当温度触及这个设定点，PWM 输出便会开始上升。"温度范围" 是指可以达到 100% PWM 的预先设定温度范围。PWM 可以按照线性的规律变动，由设定为 "扇速温度极限" 的最低水平增加至 100% (即 "扇速温度极限" 加 "温度范围")。每当温度不断下降，以至温度读数比 "扇速温度极限 - 磁滞" 还要低时，PWM 输出便会下降至最低的设定点。最低的 PWM 可以设于任何水平。若已超过了 "绝对极限"，其他两个 PWM 输出会设定为 100% 占空比。每一 PWM 输出可分配至任何温度区，例如其中一个、两个、或全部三个温度区之中的最热一个。

"扇速温度极限 - 磁滞"
(0度至 15度)
(6Dh-6Eh)
"扇速温度极限"
(67h-69h)
"扇速温度极限" + "温度范围" (2度至 80度)
(5Fh-61h)
"绝对极限"
(6Ah-6Ch)
x 区最低 PWM 或关闭
PWM 占空度按照线性规律增加
PWM 占空度按照线性规律减少
x 区的 PWM 设定为 "最低扇速" (64h-66h)
x 区的 PWM 设定为 "最低扇速" (64h-66h)
x 区的 PWM 设定为 100%
各区的 PWM 设定为 100%