【文章內(nèi)容簡介】 （ ） 其中 C 表示電路負(fù) 載大小， U 表示供電電壓， f 為工作頻率?？梢?f 與芯片的動態(tài)功耗成正比，頻率越 高則消耗的功率也 越 高。而處理器 (CPU)性能 為 主頻 IPC 的乘積 ，IPC 就是每個時(shí)鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行的指令數(shù) (IPC: Instruction Per Clock)。由上可知，高溫會影響 CPU 的工作頻率 ,從而導(dǎo)致 CPU 性能的下降。 曾有一研究 Intel P4 核心溫度對 CPU 性能的影響，選用的測試軟件是 CPU RightMark 2 RC3。這項(xiàng)基準(zhǔn)可以實(shí)時(shí)顯示 CPU 性能并可以記錄下性能數(shù)據(jù)變化曲線即使當(dāng)性能在試驗(yàn)過程中是呈下降趨勢的。在 CPU RightMark 軟件中的曲線圖變化太過迅速，為了使用 CPU RightMark 來監(jiān)測 Pentium 4 處理器的性能的衰減過程，必須快速的升高 CPU 溫度，但是不能超過臨界點(diǎn)。 CPU 風(fēng)扇 不能直接 摘除，否則溫度會飛快的上升并超過臨界值，而熱量控制電路將立即削減 CPU 的性能，于是我們設(shè)計(jì)出另一種方案來 “ 加熱 ” CPU： 將 CPU 風(fēng)扇關(guān)閉。這樣一來， CPU 的溫度上升速度足夠滿足 RightMark 顯示基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)，但是又不至于快的使系統(tǒng)馬上死機(jī)。結(jié)果得到了 圖 所示 的性能變化曲線圖。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 CPU 溫度與性能之間的關(guān)系 由上面的曲線圖看出，在一定溫度下， CPU 性能不會隨 CPU 溫度的下降而降低，而超過一定溫度時(shí)熱量控制電路開始降低 CPU 的性能，但是之后某段時(shí)間當(dāng)溫度繼續(xù)上升，但 CPU 性能卻保持在同一個數(shù)值。之后，我們重新開動 CPU 風(fēng)扇來降溫以避免CPU 宕機(jī)，而 CPU 性能隨之回升到其最初的級別。由此，當(dāng) CPU 溫度超過一定時(shí)，熱量控制電路會犧牲 CPU性能而保護(hù) CPU 不被燒壞。而 CPU風(fēng)扇的散熱性能好壞對 CPU性能有著直接影響。 電子器件的工作溫度直接決定其使用壽命和穩(wěn)定性。要讓 CPU 的工作溫度保持在合理的范 圍內(nèi)，出了保證 CPU 工作環(huán)境的溫度在合理范圍內(nèi)之外，還必須要對其進(jìn)行散熱處理。尤其對 CPU 而言，如果用戶進(jìn)行了超頻，要保證其穩(wěn)定地工作 更必須有效地散熱。 通常，散熱性能不好的原因涉及到很多因素。 例如散熱器本身 散熱效率不夠 ，散熱片和風(fēng)扇上灰塵太多影響散熱效率，風(fēng)扇老化或者轉(zhuǎn)數(shù)不夠，導(dǎo)熱硅脂變干、老化或者涂抹太厚，機(jī)箱風(fēng)道不暢通，機(jī)箱內(nèi)部熱氣不能時(shí)排出至機(jī)箱外等等方面。 通常，在開機(jī)那一刻，風(fēng)扇會全速運(yùn)轉(zhuǎn)，接著減速到正常速度（在 BIOS 里可設(shè)置），風(fēng)扇會維持這種狀態(tài)直到 CPU 溫度達(dá)到預(yù)警溫度才會全速運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢钥吹?，這種模式不利于 CPU 充分發(fā)揮效率，于是，提出了微調(diào)控 CPU 風(fēng)扇，提高 CPU 效率性能。由此，可看出 CPU 風(fēng)扇的散熱性能好壞對 CPU 的性能有著很大的影響。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 3 CPU FAN的組成及特點(diǎn) CPU FAN概述 隨著 CPU 技術(shù)的發(fā)展，更多的晶體管和更高的主頻，以及納米級的工藝，都造成了 CPU 功率的飆升 。 更高的功率，就需要更好的散熱設(shè)備。一般來說，我們可以采用風(fēng)冷、水冷、半導(dǎo)體制冷和氟（氮）制冷等多種方法來降溫，但由于這些方法實(shí)現(xiàn)成本比較高，而且還可能對電腦的安全構(gòu)成威脅，因此這幾種方式在國內(nèi)并不是 十分流行。與這些方法相比，另外一種最實(shí)效、最方便、最常用的方法就是使用風(fēng)扇和散熱片。說到 CPU 的風(fēng)扇和散熱片，其實(shí)就是利用它們快速將 CPU 的熱量傳導(dǎo)出來并吹到附近的空氣中去，降溫效果的好壞直接與 CPU 散熱風(fēng)扇、散熱片的品質(zhì)有關(guān)。 CPU 風(fēng)扇 (英文為 CPU FAN)的主要性能從以下幾個方面體現(xiàn)：轉(zhuǎn)速、扇葉形狀、扇葉角度和軸承系統(tǒng)。一般情況下，在散熱器的說明書上都標(biāo)明風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。一般來說散熱器的散熱效果有 30%要取決于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。但風(fēng)扇并不是轉(zhuǎn)速越高越好。正確的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速應(yīng)該根據(jù) CPU 的發(fā)熱量決定，不同規(guī)格的電機(jī) 轉(zhuǎn)速選擇都應(yīng)該有所區(qū)分，基本的原則就是：在產(chǎn)生同等風(fēng)量的前提下，電機(jī)越大轉(zhuǎn)速就應(yīng)該越低，噪音同樣也會較小，一般在 3500r/min 至 5200r/min 之間的轉(zhuǎn)速是比較合乎常規(guī)的。 功率越大，風(fēng)扇風(fēng)力越強(qiáng)勁，散熱效果也就越好。而風(fēng)扇的功率與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速又是有直接聯(lián)系的，也就是說風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)扇也就越強(qiáng)勁有力。目前一般電腦市場上出售的風(fēng)扇都是直流 12V 的，功率則從 0 點(diǎn)幾瓦 到 2 點(diǎn)幾瓦 不等，那么功率的大小就需要 CPU 發(fā)熱量來選擇了。另一方面，不能片面的強(qiáng)調(diào)大功率，只需要與 CPU 本身的功率要相匹配就好，如果功率過 大，不單冷卻效果沒有多大增強(qiáng)，反而可能會加重計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷，最終縮短 CPU 和風(fēng)扇的壽命。因此，在選擇 CPU 功率大小的同時(shí)，應(yīng)該量 “ 熱 ” 而行。 在以往， CPU 風(fēng)扇有 3 個引腳，分別為電源、地 和信號線。信號線是用來向主板發(fā)送風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的信息。隨著技術(shù)發(fā)展， CPU 風(fēng)扇加多了一個引腳，這根線就是 Intel 在 soket T 架構(gòu)的原包風(fēng)扇中采用的 PWM 智能溫控風(fēng)扇的 PWM 信號線。分析可知，三芯風(fēng)扇確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整轉(zhuǎn)速的功能，但具備這個功能的是主板而不是風(fēng)扇。它的具體工作步驟是這樣的：首先主板通過監(jiān)控芯片了解到當(dāng)前 CPU 的工作溫度，如果在一定正常范圍之內(nèi)，則不執(zhí)行任何操作，但需要注意的是，此時(shí)風(fēng)扇并不是工作在最高轉(zhuǎn)速下的，大約只有這個數(shù)值的 60%。比如一款最高轉(zhuǎn)速 4500r/min 的風(fēng)扇，在系統(tǒng)溫度較低的情況下轉(zhuǎn)速只有 2700r/min，這樣的好處是減少噪音和延長風(fēng)扇壽命。 隨著處理器的工作溫度的提高，并超過一定警戒線的時(shí)候，主板開始為風(fēng)扇提速。這個數(shù)值大約是以 10%的幅度提升的，也就是從 2700r/min 逐步增為 3150r/min，然后再武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 到 3600 轉(zhuǎn) /4050 轉(zhuǎn) /4500 轉(zhuǎn)。這個變化的過程中， CPU 風(fēng)扇并不參與工作，而 是通過主板自動調(diào)整對風(fēng)扇供電電壓來實(shí)現(xiàn)的。比如風(fēng)扇標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓是 12V，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為4500r/min，但一開始主板只給風(fēng)扇提供 電壓，那風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速只有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的 60%，即 2700r/min，之后主板隨著 CPU 的溫度提升，以 10%的幅 度增加電壓，表現(xiàn)在風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速上就是越來越快，逐漸達(dá)到了最高速度。 所以總結(jié)來說，三芯風(fēng)扇是不具備速度調(diào)整功能的。 而 四線 風(fēng)扇的特殊之處 在于 可以控制轉(zhuǎn)速。和上面有所區(qū)別，四 線 風(fēng)扇的工作方式就完全獨(dú)立了，首先風(fēng)扇內(nèi)部會有一個單獨(dú)的供電管理芯片，它會通過增加的第四顆線纜，隨時(shí)監(jiān)控 處理器的溫度和轉(zhuǎn)速，然后回饋給 PWM 芯片，再由控制芯片調(diào)整轉(zhuǎn)速，這樣風(fēng)扇就完成了自動調(diào)整 轉(zhuǎn)速的功能，中間不需要主板參與任何的工作，因此從根本上來說，四線 風(fēng)扇控速技術(shù)是通過自身實(shí)現(xiàn)的，它應(yīng)用單獨(dú)芯片進(jìn)行監(jiān)控，風(fēng)扇在變速的時(shí)候，無論從反應(yīng)靈敏度還是準(zhǔn)確性上來看，應(yīng)該都有一定的提升。 CPU FAN組成及工作原理 CPU FAN電機(jī) 根據(jù)供電方式的不同，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)兩種類型。電腦中使用的風(fēng)扇電機(jī)為直流電機(jī)，供電電壓為＋ 12V，轉(zhuǎn)速在 1000～ 10000r/min 之間。直流電機(jī)是 將直流電能轉(zhuǎn) 換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。它由定子、轉(zhuǎn)子和換向器三個部分組成，如圖 所示。 圖 有刷直流電機(jī)的構(gòu)造 定子（即主磁極）被固定在風(fēng)扇支架上，是電機(jī)的非旋轉(zhuǎn)部分。轉(zhuǎn)子中有兩組以上的線圈，由漆包線繞制而成，稱之為繞組。當(dāng)繞組中有電流通過時(shí)產(chǎn)生磁場，該磁場與定子的磁場產(chǎn)生力 的作用。由于定子是固定不動的，因此轉(zhuǎn)子在力的作用下轉(zhuǎn)動。換向器是直流電動機(jī)的一種特殊裝置，由許多換向片組成，每兩個相鄰的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度后，換向器將供電電壓接入另一對繞組，并在該繞組中繼續(xù)產(chǎn)生磁場?？梢姡捎趽Q向器的存在，使電樞線 圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，在這個電磁轉(zhuǎn)矩作武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 用下使電樞得以旋轉(zhuǎn) [2]。 如前所述，直流電機(jī)是利用碳刷實(shí)現(xiàn)換向的。由于碳刷存在摩擦，使得電刷乃至電機(jī)的壽命減短。同時(shí)，電刷在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生 火花，還會對周圍的電子線路形成干擾。為此，人們發(fā)明了一種無需碳刷的直流電機(jī)，通常也稱作無刷電機(jī)（ brushless motor）。目前為計(jì)算機(jī)配備的散熱風(fēng)扇大多是直流無刷電機(jī)。 無刷電機(jī)將繞組作為定子，而永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子（如圖 ），結(jié)構(gòu)上與有刷電機(jī)正好相反。無刷電機(jī)采用電子線路切換繞組的通電順序，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，推動轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 圖 直流無刷電機(jī)原理圖 無刷電機(jī)由于沒有碳刷，無需維護(hù)壽命長，速度調(diào)節(jié)精度高。因此，無刷電機(jī)正在迅速取代傳統(tǒng)的有刷電機(jī)，帶變頻技術(shù)的家用電器（如變頻空調(diào)、變頻電冰箱等）就是使用了無刷電機(jī)，目前 主板的 散熱風(fēng)扇中幾乎全部使用無刷電機(jī)。 霍爾傳感器 為了對風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，需要從風(fēng)扇電機(jī)向主板輸出速度信號，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇運(yùn)行情況的監(jiān)控。監(jiān)控電路用來顯示風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并可實(shí)現(xiàn)報(bào)警和電腦的自動停機(jī)，以防止因風(fēng)扇停轉(zhuǎn)而燒毀 CPU 或其它器件的情況出 現(xiàn)。現(xiàn)在變頻電機(jī)普遍采用集成功率器件來實(shí)現(xiàn)這一功能，使控制線路大為簡化。 為了實(shí)現(xiàn)精確控制效果，必須向集成功率器件輸入反映轉(zhuǎn)子位置的信號，因此變頻電機(jī)必須具有電機(jī)位置反饋機(jī)制。目前通常使用霍爾元件或和光電傳感器兩種手段進(jìn)行位置和轉(zhuǎn)速檢測。 霍爾器件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，霍爾效應(yīng)是美國科學(xué)家愛德文 霍爾于1879 年發(fā)現(xiàn)的。目前，使用霍爾效應(yīng)的磁傳感器產(chǎn)品已得到廣泛的應(yīng)用。下圖為霍爾效應(yīng)原理圖。在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場 B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓 [3]（圖中的 Vh 稱為霍爾 電壓）。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 霍爾效應(yīng)原理圖 變頻電機(jī)利用霍爾器件測量轉(zhuǎn)子的相對位置，所獲得的信號輸入到控制芯片中，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，還可將該信號通過主板輸出，作為測速信號使用，可謂一箭雙雕。由于換向脈沖為方波信號，在主板上經(jīng)過簡單處理便可輸送給主板進(jìn)行顯示和控制。由于電機(jī)的相數(shù)一般在 2 個以上，換向信號的頻率為電機(jī)的轉(zhuǎn)速的若干倍，因此，如果利用換向脈沖作為測速信號，必須經(jīng)過除法運(yùn)算才能得到真實(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。 風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)子有永磁磁鐵，風(fēng)扇每轉(zhuǎn)一圈就有一次切割磁力線現(xiàn)象，那么這個磁力線被霍爾器件感應(yīng)到，就向 PC 主板發(fā)送一個電脈沖信號，主板按照記數(shù)器可以算出一分鐘轉(zhuǎn)多少圈。也就是說主板按照一秒鐘收到多少個電脈沖然后自動乘以 60 就可以得 出此電機(jī)一分鐘轉(zhuǎn)多少圈。這電脈沖信號就是原來三芯的信號線。而四線 多出的一根線就是 PWM 控制 方波，用于調(diào)頻。 直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電 機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù) (P)影響： pfn ??120 （ ） 在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制 (驅(qū)動器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回傳 至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。 圖 是直流無刷電機(jī)的控制原理圖。電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則根據(jù)需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 圖 直流無刷電機(jī)控制原理圖 電源部 分 可以直接以直流電輸入 (一般為 24V)或以交流電輸入 (110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器 (converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓換流器 (inverter)轉(zhuǎn)成 3 相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器 (inverter)一般由 6 個功率晶體管 (Q1～ Q6)分為上臂 (Q Q Q5)/下臂 (Q Q Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇縿t提供 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器 (inverter)換相的時(shí)機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器 (hallsensor)，作為速度之閉回路控制，同時(shí)也作 為相序控制的依據(jù)。但這只是用來 作為速度控制 并不能拿來 作 為定位控制。 要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù) hallsensor 感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟 (或關(guān)閉 )換流器 (inverter)中功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向 (或逆向 )旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí) /逆時(shí)轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到 hallsensor 感應(yīng)出另一組信號的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管 (或只開下臂功率晶體管 )；要電機(jī)轉(zhuǎn)子 反向則功率晶體管開啟順序相反。 基本上功率晶體管的開法可舉例如下： Q Q4 為