現(xiàn)在的PC和筆記本計算機追求執(zhí)行速度愈來愈快，功能愈來愈多。執(zhí)行速度愈來愈快代表著單一芯片的工作頻率愈來愈高，功率損耗也就愈來愈大；而功能愈來愈多，意味著許多我們能夠想到的功能的芯片，都被廠商放到主機板上面了。例如：三合一主機板已經(jīng)將聲卡的芯片和簡單功能的繪圖卡芯片放入主機板了，LAN-on-board的追求代表著未來的主機板已經(jīng)能提供10/100Mb/s的網(wǎng)絡功能，有些高階主機板甚至直接將SCSI芯片也放入主機板中。

　　速度變快和功能變多的結果就是電源功率需求也變得愈來愈高，從最初的100W到現(xiàn)在的250W/350W。換句話說，整個計算機系統(tǒng)會變得愈來愈熱，散熱的需求也就變得愈來愈重要。在構思散熱方案的同時，正確地偵測系統(tǒng)或單一芯片的溫度也格外地重要。

　　一、在PC中，哪些地方會用到溫度傳感器？

　　究竟在PC中最主要的熱量產(chǎn)生的來源有哪些呢？了解熱源和為什么會發(fā)熱以后，我們便可以為它們找到解決方案。

　　1、CPU-現(xiàn)在無論是Intel的Pentium4或是AMD的AthlonCPU都已經(jīng)超過1GHz。這代表著：如果沒有良好的散熱解決方案，在短短數(shù)秒鐘的時間，我們就可以用CPU來煎蛋和煎小香腸了。

　　2、繪圖芯片或3D加速芯片-隨著視覺效果的需求，繪圖芯片和計算機游戲所依賴的加速芯片變得功能強大、設計很復雜且執(zhí)行頻率也很高，所以繪圖芯片是主機板上產(chǎn)生熱量的第二號因素。

　　3、電源供應器-自從交換式電源供應器普及后，變壓器已經(jīng)不再是電源部份的主要熱量產(chǎn)生來源，而是做大電流切換動作的PowerMOSFET。

　　4、系統(tǒng)內部的熱流(機殼內部)-我們一般人都會想到PC的機殼那么大，內部的溫度再高也高不到那里去?？墒钦５某Ｒ?guī)的半導體組件都只保證可以在攝氏零度到七十度之間工作，若系統(tǒng)內部的散熱不良或散熱裝置工作不佳的話，也會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定或甚至死機。

　　5、PC存儲卡（PCMCIA）-由于PCMCIA控制芯片的負擔并不大，所以不會發(fā)出許多熱量，但真正的兇手是PCMCIA卡本身。理論上，包著鐵殼的薄卡片是最容易散熱的，但是因為PCMCIA卡是完全密合地插入筆記本計算機中，所以沒有辦法直接散熱到外面空氣中。

　　6、導熱管(HeatPipe)-本來導熱管的發(fā)明就是要將熱量從CPU帶到計算機外部，但是導熱管本身也會耗電，再加上出口地方的風扇沒有轉動的情形下，導熱管就會變成另一號危險因素。由于它橫跨的區(qū)域很大，所以傷害性相對也更大。

　　7、其它PC接口設備-如：光驅、硬盤機、和噴墨／激光打印機都是容易發(fā)熱的裝置。

　　二、減少熱量產(chǎn)生和降低溫度的方法

　　方法一：想辦法減少在主機板上的每一顆芯片的功率損耗。

　　這可以從兩個地方著手：第一、從芯片設計上動腦筋，也就是減少邏輯門的總數(shù)目(GateCount)。第二、從半導體制程(Process)上改善。然而，一旦功能確定以后，能夠減少的邏輯門數(shù)目便有限。如果，我們可以不斷地往次微米(Sub-micro)的制程進步，那芯片的工作電壓便可以由5伏特，降到3.3/3伏特，甚至可低到2.5伏特或者1.8伏特，那電源功率消耗至少可以減少二倍至三倍以上。

　　可是，由于改變的是半導體制程，所以研發(fā)的時程相對也拉長很多，并且證驗費用和初期生產(chǎn)成本都會提高。

　　方法二：降低執(zhí)行頻率。

　　在相同的數(shù)字電路中，電源消耗和工作頻率是成正比的。所以，頻率愈高則消耗的功率也愈高。如果我們不讓芯片達到那么快的頻率，那系統(tǒng)自然也不會產(chǎn)生那么多的熱量。這完全不需要額外的成本就可以達到，是省成本的解決方案。但是，使用者買這個等級的PC就是希望能夠執(zhí)行得夠快，若降低頻率來執(zhí)行，不會被客戶或使用者所接受。

　　方法三：利用風扇帶走熱量。

　　用一臺電風扇來吹走熱氣，我們就可以為計算機解決散熱問題，這并不會額外增加多少成本，更重要的是不需要改變整個芯片的設計或制程。

　　然而，風扇的馬達也是相當耗電的，所以何時打開風扇及關掉風扇便是很重要的設計參數(shù)，否則我們是可以吹散熱氣，卻達不到省電的效果。

　　三、解決方案

　　雖然Intel極力想從CPU的設計和制程上的改善來減少熱的問題，但是在沒有散熱系統(tǒng)的情形下還是會燒毀?？梢姷梅椒ㄈ乾F(xiàn)階段不能被取代的解決方案，然而風扇的開關控制和意外防患更需要溫度傳感器的協(xié)助才能完成。筆者從現(xiàn)在的PC機種所使用的解決方案，選取最具代表性的幾個，供讀者參考：

　　*CPU-LM86(RemoteDiodeTempSensor)

　　一般的溫度傳感器(無論是熱敏電阻或IC溫度傳感器)都需要很長的時間才能夠將熱傳導到傳感器的核心部份。根據(jù)National內部的實驗結果，從CPU把熱傳導到空氣中，再從空氣中傳導到溫度傳感器中，這個過程至少需要20分鐘以上的時間。如果散熱片(HeatSink)沒裝好或風扇沒轉，不到二分鐘的時間，使用者的CPU可能就會燒毀。

　　所以，CPU廠商(Intel和AMD)將一顆3904埋入芯片中，我們稱這顆3904為遠程二極管（RemoteDiode），因為它離溫度傳感器本身很遠。于是在短短幾個毫秒(mini-second)中，溫度傳感器便能精確地偵測到CPU內部的溫度了?，F(xiàn)在的技術要能做到1℃的精確度已經(jīng)不是很難的事，而且會變成PC和筆記本計算機的一個重要的趨勢。

　　在LM86(圖1)的運用實例中，通常T_CRIT_A的輸出信號用來做過溫度保護的功能，我們稱之為熱保護（ThermalShutdown）。好處是當Windows或某一個應用程序造成系統(tǒng)死機時，LM86還能保護整個系統(tǒng)。而Alert這個輸出信號便可以做為軟件中斷，以達到ACPI規(guī)格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的RemoteDiode之外，本身內部還有一顆傳感器（sensor），可以感測LM86所在的溫度。所以，前面所提到的PC的系統(tǒng)溫度和筆記本計算機的導熱管，便可以使用LM86的本地傳感器來偵測，不需要再花額外的成本去買另外一顆溫度傳感器。

　　*繪圖芯片或3D加速芯片-LM26,LM88

　　通常繪圖芯片也是不能被降頻來執(zhí)行的，否則畫面會變成慢動作播放一般。那最好的方法還是加一散熱風扇。在這里就有兩個方式來激活和關閉風扇了，第一個是便宜的做法，用LM26來偵測溫度(如圖2)，等達到某一個界限時便激活風扇，若溫度降下來了，便自動關閉風扇。第二是采LM88來設計時髦的4段變速風扇控制器(如圖3)，讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉速。

　　*PowerMOSFET-LM26

　　無論是PC的電源供應器或者是筆記本計算機中的DC-DC轉換模塊，內部都會有一顆很燙的PowerMOSFET。雖然電源部份都有一個風扇隨時在轉動，但是我們必須設想一件事：萬一風扇壞掉了，或者內部電路有發(fā)生短路的時候，怎么辦？利用LM26的過溫度保護功能，在極限溫度時能夠自動關閉電源而達到關閉（Shutdown）或甚至恢復（Recovery）的功能。

　　*PCMCIA-LM88

　　LM88本身并不被設計來做為風扇的4段變速控制器，而是能同時偵測二個待測物。一般筆記本計算機的PCMCIA插槽都有兩個，所以LM88是用來偵測PCMCIA的最佳選擇。由于LM88不需要用軟件來控制，所以我們不用擔心Windows死機或藍屏幕(BlueScreen)的問題。

　　四、如何使用LM86、LM26和LM88這三顆芯片？

　　單就上一節(jié)的內容，雖然我們了解到這些解決方案可以幫助我解決過熱的問題，但許多讀者想問如何把這些芯片用到PC系統(tǒng)中？接著，我們來討論一些如何使用這些芯片的技巧：

　　*LM86-準確度為±1℃的溫度傳感器

　　首先，我們從LM86的技術規(guī)格資料看LM86所具有的特性。

　　表1:LM86技術規(guī)格表

　　電源供應電壓3.0V～3.6V

　　消耗電流0.8mA

　　溫度感測準確度±1℃＠60to100℃

　　工作溫度-55℃～+125℃

　　ADC分辨率11位

　　串行界面SMBus2.0

　　封裝SOP-8或MSOP-8

　　LM86所具有的主要特色是±1℃的準確度和可由數(shù)字界面讀寫內部寄存器(Register)，我們先來看看為何LM86能夠達到這些功能呢？在圖4中我們呈現(xiàn)了LM86內部結構，在左上方的溫度感測電路(TemperatureSensorCircuit)中National運用了她所特有的技術，可以增

　　強遠距二極管(RemoteDiode)感測的準確度。

　　另外，中央上方的Δ-ΣADC(模擬-數(shù)字轉換器)也是增加準確度的重要功臣，我們可以把它想象成在轉換時間，將信號取樣了數(shù)千次，再求得平均值般地將數(shù)字信號輸出，所以從模擬輸入端所帶進來的噪聲便因此而濾掉了。當我們取得了相當準確的數(shù)字信號后，無論我們對它們施予任何數(shù)字電路運算，都已經(jīng)不會再影響準確度了。

　　在LM86的8支腳中，電源(Power)和接地(Ground)是固定的，而D+/D-是接到CPU的遠距二極管，SMBData/SMBClock則接到系統(tǒng)的SMBus上。唯獨/Alert和/T_Crit_A比較有爭議性，第三節(jié)中所描述的應用例子是最常用的設計，值得我們注意的是這兩支腳都是集電極開路的，所以在外部電路上必須加上提升電阻(Pullupresistor)。

　　*LM26--精確度為±3℃的溫度調節(jié)器

　　相同地，我們也先瞧瞧LM26的技術規(guī)格，再進一步討論：

　　在電源部份，我們放寬了輸入電源的范圍從2.7V到5.5V，也就是說，這一顆芯片并不只是可以用在PC或是筆記本電腦中，它甚至可以用在任何消費性電子產(chǎn)品及可攜式產(chǎn)品上。由于它的功率損耗只有20uA，使用兩顆堿性電池(200mA-hr)就可以有一年以上的電池壽命。

　　表2:LM26技術規(guī)格表

　　電源供應電壓2.7V～5.5V

　　消耗電流20uA(最大40uA)

　　溫度感測準確度±3℃

　　磁現(xiàn)象的溫度區(qū)間2℃或10℃

　　工作溫度-55℃～+110℃

　　溫度設定點由供應廠商設定

　　串行界面無

　　封裝SOP-23

　　200mA-小時/20uA=10000小時=416天=1.14年

　　由于LM26并沒有串行界面和微處理機相連接，所以不需要任何的軟件支持。在設計時的考慮就更加簡單了，只要將電源和地線接上，給予HYST腳位高電位或是低電位，則只要溫度達到設定點時，/OS就會有輸出。唯一需要注意的是設定點溫度是由客戶通知供貨商(國家半導體)，再由供貨商在工廠中燒錄而成的。

　　圖５：LM26結構圖

　　*LM88--精確度為±3℃的溫度調節(jié)器

　　由于LM88和LM86、LM26的設計理念都完全不一樣，所以我們反過來先看LM88的結構圖(如圖6)。

　　在外接的遠距二極管方面有D0+、D-和D1+三支接腳，其實這代表著它可以同時接到兩顆遠距二極管，而且它們的D-是可以共同接在一起以節(jié)省腳位數(shù)的。此外，雖在LM88中放入Δ-ΣADC(模擬-數(shù)字轉換器)，但是沒有數(shù)字的串行界面，這代表著我們不需要透過微處理機或CPU來控制LM88。至于我們所提到的溫度設定點則和LM26一樣，必須要由供貨商來燒錄。

　　雖然在過去的PC和筆記本計算機中，溫度傳感器并不起眼，也沒有工程師會去注意它的重要性，更不用說使用者能感覺到它的存在。但是，對整個系統(tǒng)這些重要芯片來說，它是很重要的保護者，尤其是當系統(tǒng)愈來愈高速且愈來愈熱之后，它的重要性也會更加明顯，并且能左右系統(tǒng)的穩(wěn)定性。希望本文能夠帶給讀者一個清晰的印象，究竟溫度傳感器在PC系統(tǒng)中是扮演哪些角色？也希望工程師在驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性時，不妨考慮一下溫度傳感器的一些重要參數(shù)和功用。