NTC溫度傳感器在筆(bǐ)記本電(diàn)腦的應用(yòng)--溫度傳感器與控制技(jì )術

       由于計算機效能(néng)不斷的推陳出新(xīn)，愈來愈多(duō)的功能(néng)被整合到計算機中(zhōng)。因此，計算機的處理(lǐ)量與日俱增，這些資料包含多(duō)媒體(tǐ)數據及3D動畫資料。為(wèi)了滿足大量的數據處理(lǐ)需求，愈來愈多(duō)的芯片組被放入主機中(zhōng)，同時，CPU及芯片組的工(gōng)作(zuò)頻率也不斷提高。更多(duō)的芯片組及更快的時鍾頻率意味着更多(duō)熱量的産(chǎn)生。

對于筆(bǐ)記本電(diàn)腦，用(yòng)戶除了要求系統具(jù)有(yǒu)更好的效能(néng)外，在外觀上，還要求輕、薄、小(xiǎo)，這是設計人員所面臨的另一挑戰。在有(yǒu)限的空間内，如何耗散系統所産(chǎn)生的熱量是一個棘手問題。如何兼顧系統效能(néng)、系統舒适度 (包括筆(bǐ)記本電(diàn)腦外殼的溫度、風扇旋轉所産(chǎn)生的噪音)、及系統運行時間，是筆(bǐ)記本電(diàn)腦設計的一個重要課題。

筆(bǐ)記本電(diàn)腦中(zhōng)需要監測溫度的組件 CPU為(wèi)系統中(zhōng)最大的熱源，目前筆(bǐ)記本電(diàn)腦普遍使用(yòng)的Intel Dothan處理(lǐ)器其瞬間最大功耗約為(wèi)37W，AMD ATHLON處理(lǐ)器其瞬間最大功耗約為(wèi)35W至40W，Intel下一代Merom處理(lǐ)器的瞬間最大功耗将高達50W。CPU是計算機中(zhōng)溫度檢測的重要目标。目前，無論是Intel或AMD的CPU，CPU内部都含有(yǒu)提供遠(yuǎn)程溫度檢測用(yòng)的二極管，以提供溫度傳感器，直接檢測CPU内部管芯的溫度，并對其進行精(jīng)确的溫度控制。

處理(lǐ)芯片 (GPU) 是除了CPU之外，系統中(zhōng)的另一個重要的熱源。由于液晶顯示器分(fēn)辨率的增高，圖形處理(lǐ)芯片的數據處理(lǐ)量也大大增加，為(wèi)了讓圖形處理(lǐ)芯片可(kě)靠工(gōng)作(zuò)，目前普遍使用(yòng)的圖形處理(lǐ)芯片，也和CPU一樣，均内含提供遠(yuǎn)程溫度檢測的二極管，以便直接檢測圖形處理(lǐ)芯片内部管芯的溫度，并對其進行溫度控制。筆(bǐ)記本電(diàn)腦中(zhōng)，其它可(kě)能(néng)需要進行溫度檢測及控制的組件還包括DDR内存、硬盤和光驅。溫度檢測的目地是讓筆(bǐ)記本電(diàn)腦的嵌入式微控制器能(néng)對筆(bǐ)記本電(diàn)腦作(zuò)适當的電(diàn)源管理(lǐ)及熱管理(lǐ)。

精(jīng)确可(kě)靠的溫度檢測在筆(bǐ)記本電(diàn)腦的應用(yòng)上具(jù)有(yǒu)下列優點：

一. 精(jīng)确的溫度檢測能(néng)讓系統發揮最高的效能(néng)：當組件實際溫度并未到達系統降頻的臨界點時，因為(wèi)溫度傳感器檢測誤差，可(kě)能(néng)使系統降頻動作(zuò)提早發生，這會使系統無法發揮最大的效能(néng)。

二. 精(jīng)确的溫度檢測能(néng)降低系統噪音并延長(cháng)計算機電(diàn)池使用(yòng)時間：如果溫度傳感器的檢測溫度高于系統實際溫度，将造成風扇提早運轉，或風扇轉速比實際需求高，這将造成系統不必要的風扇噪音及功耗。

三. 精(jīng)确的溫度檢測能(néng)提高系統穩定性，增加産(chǎn)品競争力：如果溫度傳感器的檢測溫度低于系統實際溫度，可(kě)能(néng)在系統實際溫度已到達降頻臨界點時系統仍然保持較高的工(gōng)作(zuò)頻率，從而造成系統癱瘓甚至損壞。此外，精(jīng)确的溫度檢測允許系統使用(yòng)最小(xiǎo)的散熱模塊，如此可(kě)以降低散熱模塊成本，增加産(chǎn)品競争力。

筆(bǐ)記本電(diàn)腦常用(yòng)的NTC溫度傳感器

熱敏電(diàn)阻和集成溫度傳感器是筆(bǐ)記本電(diàn)腦常用(yòng)的兩種溫度傳感器，以下我們将探讨這兩種溫度傳感器的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)及使用(yòng)。

熱敏電(diàn)阻

熱敏電(diàn)阻按溫度對電(diàn)阻特性變化一般可(kě)分(fēn)為(wèi)正溫度系數熱敏電(diàn)阻、負溫度系數熱敏電(diàn)阻及臨界溫度系數熱敏電(diàn)阻。正溫度系數熱敏電(diàn)阻及臨界溫度系數熱敏電(diàn)阻的電(diàn)阻特性會在特定溫度發生急劇變化，适合用(yòng)于定溫度檢測或限制在較小(xiǎo)的溫度範圍内。負溫度系數熱敏電(diàn)阻主要為(wèi)氧化錳、氧化钴、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物(wù)的複合燒結體(tǐ)，這些金屬氧化物(wù)材料都具(jù)有(yǒu)半導體(tǐ)性質(zhì)，當溫度較低時，半導體(tǐ)内的電(diàn)子-空穴對兒數目較少，因此電(diàn)阻較高。當溫度升高時，熱敏電(diàn)阻内的電(diàn)子-空穴對兒數量增加，因此導電(diàn)率增加，電(diàn)阻值下降。圖2為(wèi)典型負溫度系數熱敏電(diàn)阻特性曲線(xiàn)，電(diàn)阻和溫度之間的關系式如下：

R0、R 分(fēn)别是環境溫度為(wèi)T0、T(K) 絕對溫度時的電(diàn)阻值。B是熱敏電(diàn)阻的常數，B常數通常介于2500K至5000K範圍内。

圖3為(wèi)典型負溫度系數熱敏電(diàn)阻的應用(yòng)電(diàn)路。利用(yòng)筆(bǐ)記本電(diàn)腦嵌入式微控制器的模數轉換器 (ADC) 所讀到的電(diàn)壓值推算出NTC的電(diàn)阻值，因而推算出環境溫度。利用(yòng)負溫度系數熱敏電(diàn)阻測量溫度時誤差很(hěn)大，誤差來源包括NTC本身的誤差、提升電(diàn)阻的誤差、偏壓電(diàn)源 (VCC) 的誤差、ADC的誤差及測量噪聲所造成的誤差。從成本考慮，如果隻考慮負溫度系數熱敏電(diàn)阻本身的價格，這是一個廉價的解決方案。但若把偏壓電(diàn)路和額外的ADC成本一并考慮進去，成本可(kě)能(néng)增加。

集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是目前筆(bǐ)記本電(diàn)腦普遍采用(yòng)的溫度傳感器，具(jù)有(yǒu)精(jīng)确度高、響應速度快、體(tǐ)積小(xiǎo)、功耗低、軟件界面控制方便等優點。圖4為(wèi)典型集成溫度傳感器框圖。溫度檢測的主要機制為(wèi)集成溫度傳感器内部的電(diàn)流源和ADC，集成溫度傳感器的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)是利用(yòng)半導體(tǐ)PN結正向壓降在不同的溫度下具(jù)有(yǒu)不同導通壓降的特性進行溫度測量的。由半導體(tǐ)PN結伏-安(ān)特性曲線(xiàn)：

ID：二極管的正向電(diàn)流，IS：二極管的反向飽和電(diàn)流，VD：二極管的正向壓降。

n：二極管的理(lǐ)想因素(一般約為(wèi)1)，k：波爾茲曼常數 (1.38×10-23 joules/K)。

T：絕對溫度K，q：一個電(diàn)子的電(diàn)荷 (1.6×10-19 C)

因為(wèi)，因此我們可(kě)以将式 (2) 簡化為(wèi)

集成溫度傳感器内部的電(diàn)流源會送出二個不同的電(diàn)流，ADC在不同電(diàn)流時讀出不同的二極管正向壓降。也就是當電(diàn)流源送出高電(diàn)流IDH時，ADC讀數VDH。IDH和VDH的關系式為(wèi)

當電(diàn)流源送出低電(diàn)流IDL時，ADC讀數VDL。IDL和VDL的關系式為(wèi)

将 (4) 式除以 (5) 式，可(kě)得到

将 (6) 式二邊取對數并作(zuò)整理(lǐ)，我們可(kě)以得到

由于n、k和q為(wèi)常數，而IDH和IDL由溫度傳感器内部産(chǎn)生，因此由VDH和VDL的變化量我們就可(kě)以測出溫度。

遠(yuǎn)程二極管測量回路雜散電(diàn)阻的影響

實際應用(yòng)中(zhōng)，用(yòng)于遠(yuǎn)程溫度檢測的二極管位于CPU或圖形處理(lǐ)芯片内部，二極管内阻及印刷電(diàn)路闆的寄生電(diàn)阻會影響遠(yuǎn)程溫度測量的準确度。假設遠(yuǎn)程二極管測量回路的等效寄生電(diàn)阻為(wèi)RP，當電(diàn)流源送出高電(diàn)流IDH時，ADC實際讀到的電(diàn)壓VADC_H為(wèi):

當電(diàn)流源送出低電(diàn)流IDL時，ADC實際讀到的電(diàn)壓VADC_L為(wèi)

當 (IDH – IDL)․RP 愈大時，溫度檢測誤差愈大。在此，我們以MAX6642為(wèi)例，k、q、n由CPU内部溫度檢測二極管決定，n ≈ 1.0080，由MAX6642的規格書可(kě)知：IDH =100uA、IDL =10uA，将這些參數代入 (11) 式，可(kě)得：

IDH、IDL的單位為(wèi)mA，RP的單位為(wèi)歐姆。在這個例子中(zhōng)，1歐姆的雜散電(diàn)阻将造成0.45oK的溫度測量誤差。若IDH =200uA，IDL =20uA，則1歐姆的雜散電(diàn)阻将造成0.9oK的溫度測量誤差。RP的大小(xiǎo)與遠(yuǎn)程檢測二極管和印刷電(diàn)路闆的布線(xiàn)有(yǒu)關，印刷電(diàn)路闆布線(xiàn)必須盡可(kě)能(néng)降低印刷電(diàn)路闆銅箔所産(chǎn)生的寄生電(diàn)阻。通常，遠(yuǎn)程二極管測量回路所造成的寄生電(diàn)阻可(kě)能(néng)高達3至4歐姆。(IDH – IDL) 的大小(xiǎo)則和集成溫度傳感器有(yǒu)關，不同的集成溫度傳感器具(jù)有(yǒu)不同的 (IDH – IDL) ，在集成溫度傳感器的選擇上，選擇小(xiǎo)的 (IDH – IDL)有(yǒu)助于降低寄生電(diàn)阻造成的溫度測量誤差。

此外，由前面的分(fēn)析結果得知，1mV的電(diàn)壓變化大約等效為(wèi)5oK的溫度變化，因此，印刷電(diàn)路闆的布線(xiàn)對溫度檢測的準确度有(yǒu)很(hěn)大影響。一般溫度傳感器IC的電(diàn)源輸入端均有(yǒu)一個RC低通濾波器，用(yòng)以防止高頻噪聲的影響。在印刷電(diàn)路闆零件擺放時，RC濾波器應該盡量放在靠近溫度傳感器IC電(diàn)源輸入引腳的附近。另外，溫度傳感器IC應盡量放在靠近溫度檢測二極管的位置。對于差分(fēn)(DXP、DXN) 連接遠(yuǎn)程溫度二極管的布線(xiàn)一定要采用(yòng)平行走線(xiàn)，同時這兩條平行布線(xiàn)要彼此靠近，并盡量遠(yuǎn)離磁性組件、高壓信号，避免高速信号的幹擾。不當的印刷電(diàn)路闆布線(xiàn)可(kě)能(néng)導緻30oK以上的溫度檢測誤差。

應用(yòng)實例

圖5為(wèi)筆(bǐ)記本電(diàn)腦普遍使用(yòng)的一種溫度控制方案。溫度傳感器IC通過SMBus接口連接到筆(bǐ)記本電(diàn)腦的嵌入式微控制器，由于溫度傳感器IC與嵌入式微控制器之間為(wèi)數字接口，因此溫度傳感器IC在位置上可(kě)以遠(yuǎn)離嵌入式微控制器而不會有(yǒu)噪聲幹擾問題。MAX6649同時内置一個本地溫度傳感器和用(yòng)于連接遠(yuǎn)端二極管的差分(fēn)接口。MAX6649的IDH =100uA，IDL =10uA，高精(jīng)度、小(xiǎo)電(diàn)流的電(diàn)流源可(kě)減小(xiǎo)因雜散電(diàn)阻所産(chǎn)生的測量誤差。差分(fēn)輸入有(yǒu)助于降低噪聲幹擾。圖5所示電(diàn)路，溫度傳感器IC隻負責溫度檢測，風扇轉速控制由嵌入式微控制器完成，由軟件實現。為(wèi)了避免軟件控制的死機問題，MAX6649還集成了保護功能(néng)，當溫度到達第一個高溫臨界點時，MAX6649 ALERT可(kě)發出中(zhōng)斷請求，要求嵌入式微控制器進行相應的處理(lǐ)，例如對處理(lǐ)器進行降頻；如果上述對策仍無法有(yǒu)效抑制溫度的上升，當溫度達到第二高溫臨界點時，MAX6649 OVERT可(kě)以用(yòng)來控制系統的第二個風扇或對系統進行強制關機。圖5具(jù)有(yǒu)低成本、高精(jīng)度、使用(yòng)彈性大等優點，但在軟件的設計上需花(huā)費較多(duō)的功夫。