【文章內(nèi)容簡介】 （ ） 其中 C 表示電路負 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。這項基準可以實時顯示 CPU 性能并可以記錄下性能數(shù)據(jù)變化曲線即使當性能在試驗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。 CPU 風扇 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，于是我們設計出另一種方案來 “ 加熱 ” CPU： 將 CPU 風扇關閉。這樣一來， CPU 的溫度上升速度足夠滿足 RightMark 顯示基準測試數(shù)據(jù)，但是又不至于快的使系統(tǒng)馬上死機。結果得到了 圖 所示 的性能變化曲線圖。 武漢科技大學本科畢業(yè)設計 7 圖 CPU 溫度與性能之間的關系 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，而超過一定溫度時熱量控制電路開始降低 CPU 的性能，但是之后某段時間當溫度繼續(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 風扇來降溫以避免CPU 宕機，而 CPU 性能隨之回升到其最初的級別。由此，當 CPU 溫度超過一定時，熱量控制電路會犧牲 CPU性能而保護 CPU 不被燒壞。而 CPU風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，還必須要對其進行散熱處理。尤其對 CPU 而言，如果用戶進行了超頻，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 ，散熱片和風扇上灰塵太多影響散熱效率，風扇老化或者轉數(shù)不夠，導熱硅脂變干、老化或者涂抹太厚，機箱風道不暢通，機箱內(nèi)部熱氣不能時排出至機箱外等等方面。 通常，在開機那一刻，風扇會全速運轉，接著減速到正常速度（在 BIOS 里可設置），風扇會維持這種狀態(tài)直到 CPU 溫度達到預警溫度才會全速運轉。可以看到 ，這種模式不利于 CPU 充分發(fā)揮效率，于是，提出了微調控 CPU 風扇，提高 CPU 效率性能。由此，可看出 CPU 風扇的散熱性能好壞對 CPU 的性能有著很大的影響。 武漢科技大學本科畢業(yè)設計 8 3 CPU FAN的組成及特點 CPU FAN概述 隨著 CPU 技術的發(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備。一般來說，我們可以采用風冷、水冷、半導體制冷和氟（氮）制冷等多種方法來降溫，但由于這些方法實現(xiàn)成本比較高，而且還可能對電腦的安全構成威脅，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，另外一種最實效、最方便、最常用的方法就是使用風扇和散熱片。說到 CPU 的風扇和散熱片，其實就是利用它們快速將 CPU 的熱量傳導出來并吹到附近的空氣中去，降溫效果的好壞直接與 CPU 散熱風扇、散熱片的品質有關。 CPU 風扇 (英文為 CPU FAN)的主要性能從以下幾個方面體現(xiàn)：轉速、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明風扇的轉速。一般來說散熱器的散熱效果有 30%要取決于風扇的轉速。但風扇并不是轉速越高越好。正確的風扇轉速應該根據(jù) CPU 的發(fā)熱量決定，不同規(guī)格的電機 轉速選擇都應該有所區(qū)分，基本的原則就是：在產(chǎn)生同等風量的前提下，電機越大轉速就應該越低，噪音同樣也會較小，一般在 3500r/min 至 5200r/min 之間的轉速是比較合乎常規(guī)的。 功率越大，風扇風力越強勁，散熱效果也就越好。而風扇的功率與風扇的轉速又是有直接聯(lián)系的，也就是說風扇的轉速越高，風扇也就越強勁有力。目前一般電腦市場上出售的風扇都是直流 12V 的，功率則從 0 點幾瓦 到 2 點幾瓦 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，不能片面的強調大功率，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，反而可能會加重計算機的工作負荷，最終縮短 CPU 和風扇的壽命。因此，在選擇 CPU 功率大小的同時，應該量 “ 熱 ” 而行。 在以往， CPU 風扇有 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)送風扇轉速的信息。隨著技術發(fā)展， CPU 風扇加多了一個引腳，這根線就是 Intel 在 soket T 架構的原包風扇中采用的 PWM 智能溫控風扇的 PWM 信號線。分析可知，三芯風扇確實可以實現(xiàn)自動調整轉速的功能，但具備這個功能的是主板而不是風扇。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，此時風扇并不是工作在最高轉速下的，大約只有這個數(shù)值的 60%。比如一款最高轉速 4500r/min 的風扇，在系統(tǒng)溫度較低的情況下轉速只有 2700r/min，這樣的好處是減少噪音和延長風扇壽命。 隨著處理器的工作溫度的提高，并超過一定警戒線的時候，主板開始為風扇提速。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本科畢業(yè)設計 9 到 3600 轉 /4050 轉 /4500 轉。這個變化的過程中， CPU 風扇并不參與工作，而 是通過主板自動調整對風扇供電電壓來實現(xiàn)的。比如風扇標準的工作電壓是 12V，標準轉速為4500r/min，但一開始主板只給風扇提供 電壓，那風扇的轉速只有標準數(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)在風扇的轉速上就是越來越快，逐漸達到了最高速度。 所以總結來說，三芯風扇是不具備速度調整功能的。 而 四線 風扇的特殊之處 在于 可以控制轉速。和上面有所區(qū)別，四 線 風扇的工作方式就完全獨立了，首先風扇內(nèi)部會有一個單獨的供電管理芯片，它會通過增加的第四顆線纜，隨時監(jiān)控 處理器的溫度和轉速，然后回饋給 PWM 芯片，再由控制芯片調整轉速，這樣風扇就完成了自動調整 轉速的功能，中間不需要主板參與任何的工作，因此從根本上來說，四線 風扇控速技術是通過自身實現(xiàn)的，它應用單獨芯片進行監(jiān)控，風扇在變速的時候，無論從反應靈敏度還是準確性上來看，應該都有一定的提升。 CPU FAN組成及工作原理 CPU FAN電機 根據(jù)供電方式的不同，電機有直流電機和交流電機兩種類型。電腦中使用的風扇電機為直流電機，供電電壓為＋ 12V，轉速在 1000～ 10000r/min 之間。直流電機是 將直流電能轉 換為機械能的旋轉機械。它由定子、轉子和換向器三個部分組成，如圖 所示。 圖 有刷直流電機的構造 定子（即主磁極）被固定在風扇支架上，是電機的非旋轉部分。轉子中有兩組以上的線圈，由漆包線繞制而成，稱之為繞組。當繞組中有電流通過時產(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，因此轉子在力的作用下轉動。換向器是直流電動機的一種特殊裝置，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，使轉動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接。當轉子轉過一定角度后，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?，由于換向器的存在，使電樞線 圈中受到的電磁轉矩保持不變，在這個電磁轉矩作武漢科技大學本科畢業(yè)設計 10 用下使電樞得以旋轉 [2]。 如前所述，直流電機是利用碳刷實現(xiàn)換向的。由于碳刷存在摩擦，使得電刷乃至電機的壽命減短。同時，電刷在高速運轉過程中會產(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，通常也稱作無刷電機（ brushless motor）。目前為計算機配備的散熱風扇大多是直流無刷電機。 無刷電機將繞組作為定子，而永久磁鐵作為轉子（如圖 ），結構上與有刷電機正好相反。無刷電機采用電子線路切換繞組的通電順序，產(chǎn)生旋轉磁場，推動轉子做旋轉運動。 圖 直流無刷電機原理圖 無刷電機由于沒有碳刷，無需維護壽命長，速度調節(jié)精度高。因此，無刷電機正在迅速取代傳統(tǒng)的有刷電機，帶變頻技術的家用電器（如變頻空調、變頻電冰箱等）就是使用了無刷電機，目前 主板的 散熱風扇中幾乎全部使用無刷電機。 霍爾傳感器 為了對風扇電機的運行狀況進行監(jiān)控，需要從風扇電機向主板輸出速度信號，實現(xiàn)風扇運行情況的監(jiān)控。監(jiān)控電路用來顯示風扇轉速，并可實現(xiàn)報警和電腦的自動停機，以防止因風扇停轉而燒毀 CPU 或其它器件的情況出 現(xiàn)?，F(xiàn)在變頻電機普遍采用集成功率器件來實現(xiàn)這一功能，使控制線路大為簡化。 為了實現(xiàn)精確控制效果，必須向集成功率器件輸入反映轉子位置的信號，因此變頻電機必須具有電機位置反饋機制。目前通常使用霍爾元件或和光電傳感器兩種手段進行位置和轉速檢測。 霍爾器件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，霍爾效應是美國科學家愛德文 霍爾于1879 年發(fā)現(xiàn)的。目前，使用霍爾效應的磁傳感器產(chǎn)品已得到廣泛的應用。下圖為霍爾效應原理圖。在一塊通電的半導體薄片上，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）。 武漢科技大學本科畢業(yè)設計 11 圖 霍爾效應原理圖 變頻電機利用霍爾器件測量轉子的相對位置，所獲得的信號輸入到控制芯片中，驅動電機旋轉。同時，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行顯示和控制。由于電機的相數(shù)一般在 2 個以上，換向信號的頻率為電機的轉速的若干倍，因此，如果利用換向脈沖作為測速信號，必須經(jīng)過除法運算才能得到真實的電機轉速。 風扇電機的轉子有永磁磁鐵，風扇每轉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 出此電機一分鐘轉多少圈。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，用于調頻。 直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電 機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(shù) (P)影響： pfn ??120 （ ） 在轉子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制 (驅動器 )，控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回傳 至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。 圖 是直流無刷電機的控制原理圖。電源部提供三相電源給電機，控制部則根據(jù)需求轉換輸入電源頻率。 武漢科技大學本科畢業(yè)設計 12 圖 直流無刷電機控制原理圖 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)轉換器 (converter)轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓換流器 (inverter)轉成 3 相電壓來驅動電機。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)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關?？刂撇縿t提供 PWM(脈沖寬度調制 )決定功率晶體管開關頻度及換流器 (inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩(wěn)定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應磁場的霍爾傳感器 (hallsensor)，作為速度之閉回路控制，同時也作 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。 要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據(jù) hallsensor 感應到的電機轉子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟 (或關閉 )換流器 (inverter)中功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向 (或逆向 )旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時 /逆時轉動。當電機轉子轉動到 hallsensor 感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管 (或只開下臂功率晶體管 )；要電機轉子 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