現(xiàn)在的PC和筆記本計(jì)算機(jī)追求執(zhí)行速度愈來(lái)愈快，功能愈來(lái)愈多。執(zhí)行速度愈來(lái)愈快代表著單一芯片的工作頻率愈來(lái)愈高，功率損耗也就愈來(lái)愈大；而功能愈來(lái)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(jī)板上面了。例如：三合一主機(jī)板已經(jīng)將聲卡的芯片和簡(jiǎn)單功能的繪圖卡芯片放入主機(jī)板了，LAN-on-board的追求代表著未來(lái)的主機(jī)板已經(jīng)能提供10/100Mb/s的網(wǎng)絡(luò)功能，有些高階主機(jī)板甚至直接將SCSI芯片也放入主機(jī)板中。

　　速度變快和功能變多的結(jié)果就是電源功率需求也變得愈來(lái)愈高，從最初的100W到現(xiàn)在的250W/350W。換句話說(shuō)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)變得愈來(lái)愈熱，散熱的需求也就變得愈來(lái)愈重要。在構(gòu)思散熱方案的同時(shí)，正確地偵測(cè)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(huì)用到溫度傳感器？

　　究竟在PC中最主要的熱量產(chǎn)生的來(lái)源有哪些呢？了解熱源和為什么會(huì)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(wú)論是Intel的Pentium4或是AMD的AthlonCPU都已經(jīng)超過(guò)1GHz。這代表著：如果沒(méi)有良好的散熱解決方案，在短短數(shù)秒鐘的時(shí)間，我們就可以用CPU來(lái)煎蛋和煎小香腸了。

　　2、繪圖芯片或3D加速芯片-隨著視覺(jué)效果的需求，繪圖芯片和計(jì)算機(jī)游戲所依賴的加速芯片變得功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)很復(fù)雜且執(zhí)行頻率也很高，所以繪圖芯片是主機(jī)板上產(chǎn)生熱量的第二號(hào)因素。

　　3、電源供應(yīng)器-自從交換式電源供應(yīng)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(lái)源，而是做大電流切換動(dòng)作的PowerMOSFET。

　　4、系統(tǒng)內(nèi)部的熱流(機(jī)殼內(nèi)部)-我們一般人都會(huì)想到PC的機(jī)殼那么大，內(nèi)部的溫度再高也高不到那里去?？墒钦５某Ｒ?guī)的半導(dǎo)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(nèi)部的散熱不良或散熱裝置工作不佳的話，也會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定或甚至死機(jī)。

　　5、PC存儲(chǔ)卡（PCMCIA）-由于PCMCIA控制芯片的負(fù)擔(dān)并不大，所以不會(huì)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?yàn)镻CMCIA卡是完全密合地插入筆記本計(jì)算機(jī)中，所以沒(méi)有辦法直接散熱到外面空氣中。

　　6、導(dǎo)熱管(HeatPipe)-本來(lái)導(dǎo)熱管的發(fā)明就是要將熱量從CPU帶到計(jì)算機(jī)外部，但是導(dǎo)熱管本身也會(huì)耗電，再加上出口地方的風(fēng)扇沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的情形下，導(dǎo)熱管就會(huì)變成另一號(hào)危險(xiǎn)因素。由于它橫跨的區(qū)域很大，所以傷害性相對(duì)也更大。

　　7、其它PC接口設(shè)備-如：光驅(qū)、硬盤(pán)機(jī)、和噴墨／激光打印機(jī)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(jī)板上的每一顆芯片的功率損耗。

　　這可以從兩個(gè)地方著手：第一、從芯片設(shè)計(jì)上動(dòng)腦筋，也就是減少邏輯門(mén)的總數(shù)目(GateCount)。第二、從半導(dǎo)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(mén)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(jìn)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(dǎo)體制程，所以研發(fā)的時(shí)程相對(duì)也拉長(zhǎng)很多，并且證驗(yàn)費(fèi)用和初期生產(chǎn)成本都會(huì)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(dá)到那么快的頻率，那系統(tǒng)自然也不會(huì)產(chǎn)生那么多的熱量。這完全不需要額外的成本就可以達(dá)到，是省成本的解決方案。但是，使用者買這個(gè)等級(jí)的PC就是希望能夠執(zhí)行得夠快，若降低頻率來(lái)執(zhí)行，不會(huì)被客戶或使用者所接受。

　　方法三：利用風(fēng)扇帶走熱量。

　　用一臺(tái)電風(fēng)扇來(lái)吹走熱氣，我們就可以為計(jì)算機(jī)解決散熱問(wèn)題，這并不會(huì)額外增加多少成本，更重要的是不需要改變整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)或制程。

　　然而，風(fēng)扇的馬達(dá)也是相當(dāng)耗電的，所以何時(shí)打開(kāi)風(fēng)扇及關(guān)掉風(fēng)扇便是很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，否則我們是可以吹散熱氣，卻達(dá)不到省電的效果。

　　三、解決方案

　　雖然Intel極力想從CPU的設(shè)計(jì)和制程上的改善來(lái)減少熱的問(wèn)題，但是在沒(méi)有散熱系統(tǒng)的情形下還是會(huì)燒毀?？梢?jiàn)得方法三是現(xiàn)階段不能被取代的解決方案，然而風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)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(jī)種所使用的解決方案，選取最具代表性的幾個(gè)，供讀者參考：

　　*CPU-LM86(RemoteDiodeTempSensor)

　　一般的溫度傳感器(無(wú)論是熱敏電阻或IC溫度傳感器)都需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能夠?qū)醾鲗?dǎo)到傳感器的核心部份。根據(jù)National內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從CPU把熱傳導(dǎo)到空氣中，再?gòu)目諝庵袀鲗?dǎo)到溫度傳感器中，這個(gè)過(guò)程至少需要20分鐘以上的時(shí)間。如果散熱片(HeatSink)沒(méi)裝好或風(fēng)扇沒(méi)轉(zhuǎn)，不到二分鐘的時(shí)間，使用者的CPU可能就會(huì)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(yuǎn)程二極管（RemoteDiode），因?yàn)樗x溫度傳感器本身很遠(yuǎn)。于是在短短幾個(gè)毫秒(mini-second)中，溫度傳感器便能精確地偵測(cè)到CPU內(nèi)部的溫度了?，F(xiàn)在的技術(shù)要能做到1℃的精確度已經(jīng)不是很難的事，而且會(huì)變成PC和筆記本計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要的趨勢(shì)。

　　在LM86(圖1)的運(yùn)用實(shí)例中，通常T_CRIT_A的輸出信號(hào)用來(lái)做過(guò)溫度保護(hù)的功能，我們稱之為熱保護(hù)（ThermalShutdown）。好處是當(dāng)Windows或某一個(gè)應(yīng)用程序造成系統(tǒng)死機(jī)時(shí)，LM86還能保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。而Alert這個(gè)輸出信號(hào)便可以做為軟件中斷，以達(dá)到ACPI規(guī)格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的RemoteDiode之外，本身內(nèi)部還有一顆傳感器（sensor），可以感測(cè)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(jì)算機(jī)的導(dǎo)熱管，便可以使用LM86的本地傳感器來(lái)偵測(cè)，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(lái)執(zhí)行的，否則畫(huà)面會(huì)變成慢動(dòng)作播放一般。那最好的方法還是加一散熱風(fēng)扇。在這里就有兩個(gè)方式來(lái)激活和關(guān)閉風(fēng)扇了，第一個(gè)是便宜的做法，用LM26來(lái)偵測(cè)溫度(如圖2)，等達(dá)到某一個(gè)界限時(shí)便激活風(fēng)扇，若溫度降下來(lái)了，便自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)扇。第二是采LM88來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)髦的4段變速風(fēng)扇控制器(如圖3)，讓不同溫度的狀況能夠有不同的轉(zhuǎn)速。

　　*PowerMOSFET-LM26

　　無(wú)論是PC的電源供應(yīng)器或者是筆記本計(jì)算機(jī)中的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部都會(huì)有一顆很燙的PowerMOSFET。雖然電源部份都有一個(gè)風(fēng)扇隨時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)，但是我們必須設(shè)想一件事：萬(wàn)一風(fēng)扇壞掉了，或者內(nèi)部電路有發(fā)生短路的時(shí)候，怎么辦？利用LM26的過(guò)溫度保護(hù)功能，在極限溫度時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉電源而達(dá)到關(guān)閉（Shutdown）或甚至恢復(fù)（Recovery）的功能。

　　*PCMCIA-LM88

　　LM88本身并不被設(shè)計(jì)來(lái)做為風(fēng)扇的4段變速控制器，而是能同時(shí)偵測(cè)二個(gè)待測(cè)物。一般筆記本計(jì)算機(jī)的PCMCIA插槽都有兩個(gè)，所以LM88是用來(lái)偵測(cè)PCMCIA的最佳選擇。由于LM88不需要用軟件來(lái)控制，所以我們不用擔(dān)心Windows死機(jī)或藍(lán)屏幕(BlueScreen)的問(wèn)題。

　　四、如何使用LM86、LM26和LM88這三顆芯片？

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

　　*LM86-準(zhǔn)確度為±1℃的溫度傳感器

　　首先，我們從LM86的技術(shù)規(guī)格資料看LM86所具有的特性。

　　表1:LM86技術(shù)規(guī)格表

　　電源供應(yīng)電壓3.0V～3.6V

　　消耗電流0.8mA

　　溫度感測(cè)準(zhǔn)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(zhǔn)確度和可由數(shù)字界面讀寫(xiě)內(nèi)部寄存器(Register)，我們先來(lái)看看為何LM86能夠達(dá)到這些功能呢？在圖4中我們呈現(xiàn)了LM86內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在左上方的溫度感測(cè)電路(TemperatureSensorCircuit)中National運(yùn)用了她所特有的技術(shù)，可以增

　　強(qiáng)遠(yuǎn)距二極管(RemoteDiode)感測(cè)的準(zhǔn)確度。

　　另外，中央上方的Δ-ΣADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)也是增加準(zhǔn)確度的重要功臣，我們可以把它想象成在轉(zhuǎn)換時(shí)間，將信號(hào)取樣了數(shù)千次，再求得平均值般地將數(shù)字信號(hào)輸出，所以從模擬輸入端所帶進(jìn)來(lái)的噪聲便因此而濾掉了。當(dāng)我們?nèi)〉昧讼喈?dāng)準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)后，無(wú)論我們對(duì)它們施予任何數(shù)字電路運(yùn)算，都已經(jīng)不會(huì)再影響準(zhǔn)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(yuǎn)距二極管，SMBData/SMBClock則接到系統(tǒng)的SMBus上。唯獨(dú)/Alert和/T_Crit_A比較有爭(zhēng)議性，第三節(jié)中所描述的應(yīng)用例子是最常用的設(shè)計(jì)，值得我們注意的是這兩支腳都是集電極開(kāi)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(diào)節(jié)器

　　相同地，我們也先瞧瞧LM26的技術(shù)規(guī)格，再進(jìn)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(shuō)，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(fèi)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(shù)規(guī)格表

　　電源供應(yīng)電壓2.7V～5.5V

　　消耗電流20uA(最大40uA)

　　溫度感測(cè)準(zhǔn)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(shè)定點(diǎn)由供應(yīng)廠商設(shè)定

　　串行界面無(wú)

　　封裝SOP-23

　　200mA-小時(shí)/20uA=10000小時(shí)=416天=1.14年

　　由于LM26并沒(méi)有串行界面和微處理機(jī)相連接，所以不需要任何的軟件支持。在設(shè)計(jì)時(shí)的考慮就更加簡(jiǎn)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(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，/OS就會(huì)有輸出。唯一需要注意的是設(shè)定點(diǎn)溫度是由客戶通知供貨商(國(guó)家半導(dǎo)體)，再由供貨商在工廠中燒錄而成的。

　　圖５：LM26結(jié)構(gòu)圖

　　*LM88--精確度為±3℃的溫度調(diào)節(jié)器

　　由于LM88和LM86、LM26的設(shè)計(jì)理念都完全不一樣，所以我們反過(guò)來(lái)先看LM88的結(jié)構(gòu)圖(如圖6)。

　　在外接的遠(yuǎn)距二極管方面有D0+、D-和D1+三支接腳，其實(shí)這代表著它可以同時(shí)接到兩顆遠(yuǎn)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(zhuǎn)換器)，但是沒(méi)有數(shù)字的串行界面，這代表著我們不需要透過(guò)微處理機(jī)或CPU來(lái)控制LM88。至于我們所提到的溫度設(shè)定點(diǎn)則和LM26一樣，必須要由供貨商來(lái)燒錄。

　　雖然在過(guò)去的PC和筆記本計(jì)算機(jī)中，溫度傳感器并不起眼，也沒(méi)有工程師會(huì)去注意它的重要性，更不用說(shuō)使用者能感覺(jué)到它的存在。但是，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)這些重要芯片來(lái)說(shuō)，它是很重要的保護(hù)者，尤其是當(dāng)系統(tǒng)愈來(lái)愈高速且愈來(lái)愈熱之后，它的重要性也會(huì)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(gè)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(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，不妨考慮一下溫度傳感器的一些重要參數(shù)和功用。