由于科技的进步，半导体制程的改善，越来越多的微处理器具备强大的运算能力，在此同时，系统所需要的电力也不断地增加。由于电源使用的效率及用量会直接影响系统所产生的热，因此在系统的电源设计上，就必须兼顾如何管理电源及转换的效率；另外热的处理也相当的重要，尤其在笔记型电脑如此小的空间需求及强大运算能力下，系统随时会需要几十瓦甚至上百瓦的电功率，而在摄氏好几十度甚至上百度的温度下工作，任何的疏忽都能造成系统的损坏或烧毁。所以电源管理及热处理是非常重要的。

温度量测

精确的温度量测有助于系统设计及电源管理上的准确，并减少系统发生故障的机率。进一步藉由精确的温度量测，我们可以计算系统所需的散热风量，较少的散热风量等于是较低的风扇转速，较少噪音及较少的电源消耗。目前业界所用量测系统温度的机制通常有热敏电阻、电阻式、热电耦、矽半导体等方式。其中各项比较如(表一)：

表一　不同量测系统温度机制之比较

温度计种类项目	热电耦	白金电阻式	热敏电阻	半导体
范围	-184℃~+2300℃	-200℃~+850℃	0℃~+100℃	-55℃~+150℃
电性	电压讯号小	电压讯号极小	电阻对温度敏感	电压讯号小
准确性	优	最优	普通	好
外加电路	需温度补偿	需外加电流	需外加电流	需外加电流

如果我们要将其应用在所设计的系统中，最为容易且符合要求的就是热敏电阻及半导体的温度量测方式；但如果要达到高准确度的要求，那半导体温度量测方式会是最理想的一种。此种量测技术，是利用连接的电晶体当感应器，藉由流经此电晶体连成的二极体接面电流所产生的电位差，来推导出半导体接面的温度。我们可由以下的方程式中计算出温度：

《公式一》

以目前的技术已经可以做出±1℃、甚至更精确的温度量测积体电路。为何要如此精确呢？以目前微处理器发展的速度，我们可回顾以前到现在其所需的消耗功率窥得，在相同的制程条件下，运作时脉越高则越耗电，也就是产生更多的热，如(图一)；以一般条件下的系统热阻换算，扣除温度感测积体电路的误差外，每增加３℃就增加1W的散热需求，因此在相同散热要求下，能减少温度误差，就可增加系统的散热负担，也就是说在相同的系统散热设计下，我们可增加高一等级的微处理器工作时脉。

现今，微处理器大都内建感温二极体，甚至有些整合3D绘图功能的高阶北桥晶片，也内建有感温二极体，藉由外加的积体电路，我们可以精准地量测到其内部晶片的正确温度，以GMT的G781为例：其准确性为±1℃（60℃～100℃）之温度量测微处理器，并针对P4微处理器做最佳化，并内建数位比较器，设定温度高低极限以判定警报之发生，另有一过温保护讯号输出，可用于系统过温关闭或风扇开关控制，确保系统安全。

《图一 不同系统运作频率的耗电量》

如何散热

根据热力学第一定律，热平衡定律，我们知道当甲物与乙物达到热平衡时，两物的温度会相同。也就是不管甲物的温度是否比乙物高，最终经过接触或辐射的作用，热会在两物流动达到相同温度，其中热量转换为：

(公式二)

(T平衡 -T甲) × Cp甲 × W甲 = ( T乙-T平衡) × Cp乙 × W乙 (T：温度，Cp：比热)

那如何应用在系统散热呢？只要我们将甲物当成系统散热器，而乙物当成把热带走的空气，我们就可以利用前式得到系统降温所需的空气量与温度间的关系。

《公式三》

由上式我们可以依据环境吸进之空气温度，系统工作温度等相关讯息得知散热所需要的空气量。因此风扇的选择就可依据先前数据得到初步的规划。接下来我们还要根据系统机构设计推估，原则上要让空气流动尽量不受阻扰，确保气流顺畅而提升冷却效率。

(图二)一般可由风扇规格中得到：

《图二 》

(图二)说明了当流经系统的空气压力越大，则流过的气体量越少；相反的气体流量大时，风压会是最小。理论上我们要得到更好的散热，就是增加风量，但系统气流路径上必然会有阻抗，因此我们要再加上系统阻抗在图二中，而得到(图三)：

《图三》

图三中的两线会相交于一点，此点即是系统工作点。因不同的风扇风量气压特性曲线不同，因此根据系统阻抗一起来作为选择风扇的依据，当然越大的风量风扇其耗电也相对较大。

风扇转速控制的必要性

早期风扇在电子产品的主要用途是散热，因此转速及风量是基本的衡量指标项目，至于效率及噪音则是被忽略的项目；前几年还有些厂商在广告中标榜他们的散热风扇转速有多高（rpm），然而近年来由于环保意识的抬头，许多人开始发现散热风扇的噪音，已经成为笔记型电脑系统中最主要的噪音来源，因为另一个噪音的主要来源－硬碟的噪音，已经大幅的降低了。

降低风扇噪音的方法不外乎两种：一是降低风扇的转速，二是改善风扇的轴承系统。风扇的主要用途为散热，所以绝对不能因为降低噪音而牺牲散热效果，而温度侦测正是监测散热效果最直接的方法，因此有些人开始采用温度过高就启动风扇，否则关闭风扇的ON/ OFF控制方法，这样可以降低风扇的平均噪音，又不牺牲散热效果。然而，ON/OFF控制的结果却是更为糟糕，因为风扇的平均噪音虽然降低了，开开关关的噪音却比持续运转的噪音更令人难以忍受。因此风扇固定转速控制便成为了唯一的解决方案，有最低阶的三段转速控制（OFF／中速／高速），也有高阶的无段转速控制，可以在不牺牲散热效果有条件下，将散热风扇的噪音降至最低。

风扇转速控制

经过上述的探讨，我们进一步再来研究风扇转速控制。一般用在笔记型电脑的风扇，大多使用5V电源无电刷式风扇，并分为两线式或三线式；其中三线式具备风扇转速讯号，每转一圈讯号线送出一个、两个或四个脉冲，因此可由计算得知风扇转速；两线式则必须使用电流感测的方式来得到转速讯号，也就是在风扇电源负端串接小电阻到地，而根据电阻上电流的变化得知转速。

如何控制转速呢？目前用的方法不外乎开回路控制与闭回路控制，开回路控制的方法只是利用电压调变的方式，改变风扇输入电压、或是利用PWM的方式来达到加速减速的目的，完全无法准确控制不同风扇的转速；相同型式风扇的转速误差通常会超过10％以上，更不用说不同型式的风扇。另外一种就是闭回路转速控制，简单说就是将风扇转速讯号加入控制回路当中，根据风扇的转速动态调整风扇的输入电源，以达到控制转速之目的。

要如何植入此方式到系统设计当中呢？首先，必须找到一个准确计算时间的时脉，透过此时脉，我们可以利用风扇产生之转速讯号得到一计数，再将此一计数换算成转速；当我们设定转速时，也可利用设定计数的方式来设定风扇转速。举例来说，可将控制的流程编写成程式语言，烧录至微控器（例如：键盘控制器）中，并加上数位类比转换器，电源驱动器；一开始我们先设定一转速对应的计数，此时当转速讯号产生一上升脉冲时，计算时间时脉的脉冲到下一次上升脉冲时出现的次数换算转速，接下来我们根据此换算的转速，以数位类比转换器送出一个电压值，到风扇电源转换器上调整电压；若转速不够时，固定时机向上调高一定数值的电压值至数位类比转换器上，如果转速太高，就向下调整一定数值的电压值至数位类比转换器上；最终风扇转速会达到设定的转速。

由于利用微控器产生此一控制回路相当容易，但必须面对此微控器程式运转可能的停顿，造成的控制不稳定，甚至微控器停止以致于系统损坏的危险，或是直接使用现成的积体电路控制来达到相同的需求。以GMT 所生产的G760A为例，它可控制一颗风扇，且您只需外加一32.768kHz时脉，透过SMBus的传输，可设定风扇转速、读取风扇转速、读取风扇状态。另外G768B除了可同时控制两颗风扇外，还具备温度感测功能，温度监测强制开启风扇功能，强制系统过温关机功能。

如何结合温度与风扇的控制达到散热处理的电源管理

由前几项的说明，我们可以更清楚了解整个散热机制的要点，所以我们可假设在系统操作时会有的环境条件；首先当系统开机后，环境温度在室温25℃时，系统、空气温度也在此温度；当系统工作开始，随时间的增加，CPU温度会渐渐增加，系统温度也会开始慢慢增加；此时风扇无须运作，直到温度到达系统工作温度。

通常系统设计必须保证在四十度左右的环境下工作，所以此时风扇仅需低转速就能有足够散热风量，兼顾了省电及低噪音的需求；尤其当使用者只需要简单运算甚至不用多少CPU资源的条件下，降低CPU工作时脉、降低萤幕背光、降低风扇转速，都能节省系统有限的电源。进一步当我们需要系统全速运转，且环境温度同时也不断升高时，风扇转速设定就可利用温度极限设定之警报装置，让系统负责的机制（同常是键盘控制器）更改风扇转速及新的温度极限值，以涵盖现在系统温度，直到达成热平衡。在某些特殊情况，系统温度不断升高，触及风扇强制全速度转动温度仍无法达到降温目的时，还必须设有强制关机功能。

（作者为致新科技产品应用部资深工程师）