为何PC会需要温度感测器？

现在的PC和笔记型电脑所诉求的重点，不外是执行速度愈来愈快，功能愈来愈多。执行速度愈来愈快代表着单一晶片的工作频率愈来愈高，功率损耗也跟随着愈来愈大；而功能愈来愈多，意味着许多我们能够想到的功能的晶片，都被厂商放到主机板上面了。例如：三合一主机板已经将音效卡的晶片和简单功能的绘图卡晶片放入主机板了，LAN-on-board的诉求代表着未来的主机板已经能提供10/100MHz的网路功能，有些高阶主机板甚至直接将SCSI晶片也放入主机板中。

速度变快和功能变多的结果就是电源功率需求也变得愈来愈高，从最初的100W到现在的250W/350W。换句话说，整个电脑系统也愈来愈热，散热的需求也愈来愈普遍。在构思散热方案的同时，正确地侦测系统或单一晶片的温度也隔外地重要。否则，可能会产生散热系统在低温的时候启动，但却在高温的环境中关闭功能，那不仅达不到散热的效果，甚至会使系统不正常地损坏。

在PC中，哪些地方会用到温度感测器？

上文的讨论中，我们已经指出了PC散热的问题，那我们应该回过头来问一个简单的问题：究竟在PC中最主要的热量产生来源有哪些呢？了解热源和为什么会发热以后，我们便可以为它们找到解决方案。

CPU

现在无论是Intel的Pentium 3和Pentium 4，或是AMD的K7 CPU都已经超过1GHz。这代表着：如果没有良好的散热的解决方案，在短短数秒钟的时间，我们就可以用CPU来煎蛋和煎小香肠了。 (图一)就是没有散热装置的下场。 (详情请参考 http://www6.tomshardware.com/cpu/01q3/010917/index.html)

《图一 已经烧毁的AMD处理器》

绘图晶片或3D加速晶片

随着视觉效果的需求，绘图晶片和电脑游戏所倚赖的加速晶片变得功能强大、设计很复杂且执行频率也变很高，所以绘图晶片是主机板上产生热量的第二号人物。

电源供应器

自从交换式电源供应器的普及后，变压器已经不再是电源部份的主要热量产生来源，而是做大电流切换动作的Power MOSFET。

系统内部的热流(机壳内部)

我们一般人都会想到PC的机壳那么大，内部的温度再高也高不到那里去。可是正常商规的半导体元件都只保证可以在摄氏零度到七十度之间工作，若系统内部的散热不良或散热装置工作不佳的话，也会造成系统的不稳定或什至当机。

PCMCIA卡

由于PCMCIA控制晶片的负担并不大，所以不会发出许多热量，但真正的凶手是PCMCIA卡本身。理论上，包着铁壳的薄卡片是最容易散热的，但是因为PCMCIA卡是完全密合地插入笔记型电脑中，所以没有办法直接散热到外面空气中。

导热管(Heat Pipe)

本来导热管的发明就是要将热量从CPU带到电脑外部，但是导热管本身也会耗电，再加上出口地方的风扇没有转动的情形下，导热管就会变成另一号危险人物。由于它横跨的区域很大，所以伤害性相对也更大。

其他PC周边设备 - 如：光碟机、硬碟机、和喷墨／雷射印表机都是容易发热的装置。

减少热量产生和降低温度的方法

方法一：想办法减少在主机板上的每一颗晶片的功率损耗。

这可以从二个地方着手：第一、从晶片设计上动脑筋，也就是减少逻辑闸的总数目(Gate Count)。第二、从半导体制程(Process)上改善。然而，一旦功能确定以后，能够减少的逻辑闸数目便有限；换句话说，再笨的研发团队也不致于设计出比别人大20%以上的晶片。于是，我们只能尽可能往制程上努力。如果，我们可以不断地往次微米(Sub-micro)的制程进步，那晶片的工作电压便可以由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，那电源功率消耗至少可以减少二倍至三倍以上。

可是，由于改变的是半导体制程，所以研发的时程相对也拉长很多，并且证验费用和初期生产成本都会提高。

方法二：降低执行频率

在相同的数位电路中，电源消耗和工作频率是成正比的。所以，频率愈高则消耗的功率也愈高。如果，我们不要让晶片跑那么快的频率，那系统自然也不会产生那么多的热量。这完全不需要额外的成本就可以达到，是省成本的解决方案。但是，使用者会买这个等级的PC就是希望能够执行得够快，若降低频率来执行，不见得会被客户或使用者所接受。

方法三:用风扇带走热量。

我们在家里或办公室中，若天气实在太热了，最简单有效的方法就是装一台冷气机；没有钱的话，也可以买一台电风扇来吹走热气。利用这个概念，我们就可以为现在的电脑机种或什至旧电脑解决散热问题，这并不会额外增加多少成本，更重要的是不需要改变整个晶片的设计或制程。

然而，风扇的马达也是相当耗电的，所以何时打开风扇及关掉风扇便是很重要的设计参数，否则我们是可以吹散热气，却达不到省电的效果。

解决方案

虽然Intel极力想从CPU的设计和制程上的改善来减少热的问题，但是在没有散热系统的情形下还是会烧毁。可见得方法三是现阶段不能被取代的解决方案，然而风扇的开关控制和意外防患更需要温度感测器的协助才能完成。笔者从现在的PC机种所使用的解决方案，选取最具代表性的几个，供读者参考：

CPU - LM86(Remote Diode Temp Sensor)

一般的温度感测器(​​无论是热敏电阻或IC型温度感测器)都需要很长的时间才能够将热传导到感测器的核心部份。根据National内部的实验结果，从CPU把热传导到空气中，再从空气中传导到温度感测器中，这个过程至少需要20分钟以上的时间。如果，很不幸地散热片(Heat Sink)没装好或风扇没有转了，不到二分钟的时间，使用者的CPU就会和(图一)一样的下场。

所以，CPU厂商(Intel和AMD)将一颗3904埋入晶片中，我们称这颗3904为Remote Diode，因为它离温度感测器本身很远。于是在短短几个毫秒(mini-second)中，温度感测器便能精确地侦测到CPU内部的温度了。现在的技术要能做到1℃的精确度已经不是很难的事，而且会变成PC和笔记型电脑的一个重要的趋势。

在LM86(图二)的运用实例中，通常T_CRIT_A的输出信号会被拿来做为过温度保护的功能，我们称之为Thermal Shutdown。好处是当Windows或某一个应用程式造成系统当机时，LM86还能保护整个系统。而Alert这个输出信号便可以做为软体中断，以达到ACPI规格的要求。另外，LM86除了能接到CPU的Remote Diode之外，本身内部还有一颗sensor，可以感测LM86所在的温度。所以，前面所提到的PC的系统温度和笔记型电脑的导热管，便可以使用LM86的本地感测器来侦测，不需要再花额外的成本去买另外一颗温度感测器。

《图二 LM86结构图》

绘图晶片或3D加速晶片 - LM26, LM88

通常绘图晶片也是不能被降频来执行的，否则画面会变成慢动作拨放一般。那最好的方法还是加一颗散热风扇。在这里就有二个方式来启动和关闭风扇了，第一个是便宜的做法，用LM26来侦测温度(图三)，等达到某一个界限时便启动风扇，若温度降下来了，便自动关闭风扇。第二是采LM88来设计时髦的4段变速风扇控制器(图四)，让不同温度的状况能够有不同的转速。

《图三 LM26风扇控制电路》

《图四 LM88风扇4段变速控制电路》

Power MOSFET - LM26

无论是PC的电源供应器或者是笔记型电脑中的DC-DC转换模组，内部都会有一颗很烫的Power MOSFET。虽然电源部份都有一个风扇随时在转动，但是我们必须设想一件事：万一风扇坏掉了，或者内部电路有发生短路的时候，怎么办？利用LM26的过温度保护功能，在极限温度时能够自动关闭电源而达到Shutdown或什至Recovery的功能。

PCMCIA - LM88

LM88本身并不被设计来做为风扇的4段变速控制器，而是能同时侦测二个待测物。一般笔记型电脑的PCMCIA插槽都有二个，所以LM88是用来侦测PCMCIA的最佳选择。由于LM88不需要用软体来控制，所以我们不用担心Windows当掉或蓝萤幕(Blue Screen)的问题。

这些温度感测器的详细资料和应用范例，以及许多的技术资料，请参考 http://www.national.com。

结语

虽然温度感测器在PC和笔记型电脑中毫不起眼，没有工程师会去注意它的重要性，更不用说使用者能感觉到它的存在。但是，对整个系统这些重要晶片来说，它扮演着保护天使的角色，就像人们背后的天使一般默默守护着系统旳安全和稳定性。

(作者任职于美国国家半导体)