由于計算機效能不斷的推陳出新，愈來愈多的功能被整合到計算機中。因此，計算機的處理量與日俱增，這些資料包含多媒體數據及 3D 動畫資料。為了滿足大量的數據處理需求， 愈來愈多的芯片組被放入主機中，同時，CPU 及芯片組的工作頻率也不斷提高。更多的芯片組及更快的時鐘頻率意味著更多熱量的產生。
對于筆記本電腦，用戶除了要求系統具有更好的效能外，在外觀上，還要求輕、薄、 小，這是設計人員所面臨的另一挑戰。在有限的空間內，如何耗散系統所產生的熱量是一個棘手問題。如何兼顧系統效能、系統舒適度 (包括筆記本電腦外殼的溫度、風扇旋轉所產生 的噪音)、及系統運行時間，是筆記本電腦設計的一個重要課題。
一、筆記本電腦中需要監測溫度的組件
圖 1 為筆記本電腦的典型系統框圖，CPU 為系統中最大的熱源，目前筆記本電腦普遍使用的 Intel Dothan 處理器其瞬間最大功耗約為 37W，AMD Athlon 處理器其瞬間最大功耗約為 35W 至 40W，Intel 下一代 Merom 處理器的瞬間最大功耗將高達 50W。CPU 是計算機中溫度檢測的重要目標。目前，無論是 Intel 或 AMD 的 CPU，CPU 內部都含有提供遠程溫度檢測用的二極管，以提供溫度傳感器，直接檢測 CPU 內部管芯的溫度，并對其進行精確的溫度控制。
圖形處理芯片 (GPU) 是除了 CPU 之外，系統中的另一個重要的熱源。由于液晶顯示器分辨率的增高，圖形處理芯片的數據處理量也大大增加，為了讓圖形處理芯片可靠工作，目前普遍使用的圖形處理芯片，也和 CPU 一樣，均內含提供遠程溫度檢測的二極管，以便直接檢測圖形處理芯片內部管芯的溫度，并對其進行溫度控制。筆記本電腦中，其它可能需要進行溫度檢測及控制的組件還包括 DDR 內存、硬盤和光驅。溫度檢測的目地是讓筆記本電腦的嵌入式微控制器能對筆記本電腦作適當的電源管理及熱管理。精確可靠的溫度檢測在筆記本電腦的應用上具有下列優點：
一. 精確的溫度檢測能讓系統發揮最高的效能：當組件實際溫度并未到達系統降頻的臨界點時，因為溫度傳感器檢測誤差，可能使系統降頻動作提早發生，這會使系統無法發揮最大的效能。
二. 精確的溫度檢測能降低系統噪音并延長計算機電池使用時間：如果溫度傳感器的檢測溫度高于系統實際溫度，將造成風扇提早運轉，或風扇轉速比實際需求高，這將造成系統不必要的風扇噪音及功耗。
三. 精確的溫度檢測能提高系統穩定性，增加產品競爭力：如果溫度傳感器的檢測溫度低于系統實際溫度，可能在系統實際溫度已到達降頻臨界點時系統仍然保持較高的工作頻率，從而造成系統癱瘓甚至損壞。此外，精確的溫度檢測允許系統使用最小的散熱模塊，如此可以降低散熱模塊成本，增加產品競爭力。
二、筆記本電腦常用的溫度傳感器
熱敏電阻和集成溫度傳感器是筆記本電腦常用的兩種溫度傳感器，以下我們將探討這兩種溫度傳感器的工作原理及使用。
熱敏電阻
熱敏電阻按溫度對電阻特性變化一般可分為正溫度系數熱敏電阻、負溫度系數熱敏電阻及臨界溫度系數熱敏電阻。正溫度系數熱敏電阻及臨界溫度系數熱敏電阻的電阻特性會在特定溫度發生急劇變化，適合用于定溫度檢測或限制在較小的溫度范圍內。負溫度系數熱敏電阻主要為氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物的復合燒結體，這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，當溫度較低時，半導體內的電子-空穴對兒數目較少，因此電阻較高。當溫度升高時，熱敏電阻內的電子-空穴對兒數量增加，因此導電率增加，電阻值下降。圖 2 為典型負溫度系數熱敏電阻特性曲線，電阻和溫度之間的關系式如下：
R0、R 分別是環境溫度為 T0、T(K) 絕對溫度時的電阻值。B 是熱敏電阻的常數，B 常數通常介于 2500K 至 5000K 范圍內。
圖 3 為典型負溫度系數熱敏電阻的應用電路。利用筆記本電腦嵌入式微控制器的模數轉換器 (ADC) 所讀到的電壓值推算出 NTC 的電阻值，因而推算出環境溫度。利用負溫度系數熱敏電阻測量溫度時誤差很大，誤差來源包括 NTC 本身的誤差、提升電阻的誤差、偏壓電源 (VCC) 的誤差、ADC 的誤差及測量噪聲所造成的誤差。從成本考慮，如果只考慮負溫度系數熱敏電阻本身的價格，這是一個廉價的解決方案。但若把偏壓電路和額外的 ADC 成本一并考慮進去，成本可能增加。
集成溫度傳感器
集成溫度傳感器是目前筆記本電腦普遍采用的溫度傳感器，具有精確度高、響應速度 快、體積小、功耗低、軟件界面控制方便等優點。圖 4 為典型集成溫度傳感器框圖。溫度檢測的主要機制為集成溫度傳感器內部的電流源和 ADC，集成溫度傳感器的工作原理是利用半導體 PN 結正向壓降在不同的溫度下具有不同導通壓降的特性進行溫度測量的。由半導體 PN 結伏-安特性曲線：
集成溫度傳感器內部的電流源會送出二個不同的電流，ADC 在不同電流時讀出不同的二極管正向壓降。也就是當電流源送出高電流 IDH 時，ADC 讀數 VDH。IDH 和 VDH 的關系式為
由于 n、k 和 q 為常數，而 IDH 和 IDL 由溫度傳感器內部產生，因此由 VDH 和 VDL 的變化量我們就可以測出溫度。
遠程二極管測量回路雜散電阻的影響
實際應用中，用于遠程溫度檢測的二極管位于 CPU 或圖形處理芯片內部，二極管內阻及印刷電路板的寄生電阻會影響遠程溫度測量的準確度。假設遠程二極管測量回路的等效寄生電阻為 RP，當電流源送出高電流 IDH 時，ADC 實際讀到的電壓 VADC_H 為:
由 (11) 式所得到的結果，當 (IDH – IDL)?RP 愈大時，溫度檢測誤差愈大。在此，我們以 MAX6642 為例，k、q、n 由 CPU 內部溫度檢測二極管決定，n ≈ 1.0080，由 MAX6 642 的規格書可知：IDH =100uA、IDL =10uA，將這些參數代入 (11) 式，可得：
IDH、IDL 的單位為 mA，RP 的單位為歐姆。在這個例子中，1 歐姆的雜散電阻將造成 0.45oK 的溫度測量誤差。若 IDH =200uA，IDL =20uA，則 1 歐姆的雜散電阻將造成 0.9oK 的溫度測量誤差。RP 的大小與遠程檢測二極管和印刷電路板的布線有關，印刷電路板布線必須盡可能降低印刷電路板銅箔所產生的寄生電阻。通常，遠程二極管測量回路所造成的寄生電阻可能高達 3 至 4 歐姆。(IDH – IDL) 的大小則和集成溫度傳感器有關，不同的集成溫度傳感器具有不同的 (IDH – IDL) ，在集成溫度傳感器的選擇上，選擇小的 (IDH – IDL) 有助于降低寄生電阻造成的溫度測量誤差。
此外，由前面的分析結果得知，1mV 的電壓變化大約等效為 5oK 的溫度變化，因此， 印刷電路板的布線對溫度檢測的準確度有很大影響。一般溫度傳感器 IC 的電源輸入端均有一個 RC 低通濾波器，用以防止高頻噪聲的影響。在印刷電路板零件擺放時，RC 濾波器應該盡量放在靠近溫度傳感器 IC 電源輸入引腳的附近。另外，溫度傳感器 IC 應盡量放在靠近溫度檢測二極管的位置。對于差分(DXP、DXN) 連接遠程溫度二極管的布線一定要采用平行走線，同時這兩條平行布線要彼此靠近，并盡量遠離磁性組件、高壓信號，避免高速信號的干擾。不當的印刷電路板布線可能導致 30oK 以上的溫度檢測誤差。
三、應用實例
圖 5 為筆記本電腦普遍使用的一種溫度控制方案。溫度傳感器 IC 通過 SMBus 接口連接到筆記本電腦的嵌入式微控制器，由于溫度傳感器 IC 與嵌入式微控制器之間為數字接口， 因此溫度傳感器 IC 在位置上可以遠離嵌入式微控制器而不會有噪聲干擾問題。MAX6649 同時內置一個本地溫度傳感器和用于連接遠端二極管的差分接口。MAX6649 的 IDH =100u A，IDL =10uA，高精度、小電流的電流源可減小因雜散電阻所產生的測量誤差。差分輸入有助于降低噪聲干擾。圖 5 所示電路，溫度傳感器 IC 只負責溫度檢測，風扇轉速控制由嵌入式微控制器完成，由軟件實現。為了避免軟件控制的死機問題，MAX6649 還集成了保護功能，當溫度到達第一個高溫臨界點時，MAX6649 ALERT 可發出中斷請求，要求嵌入式微控制器進行相應的處理，例如對處理器進行降頻；如果上述對策仍無法有效抑制溫度的上升，當溫度達到第二高溫臨界點時，MAX6649 OVERT 可以用來控制系統的第二個風扇或對系統進行強制關機。圖 5 具有低成本、高精度、使用彈性大等優點，但在軟件的設計上需花費較多的功夫。
應用中需要檢測溫度的組件較多時，例如:測量CPU、GPU、芯片組和DDR的溫度時，可以選用MAX1989多路遠程溫度檢測器。還可以根據需要選擇舉有風扇轉速控制功能的溫度檢測及控制IC,如MAX6635，利用風扇轉速反饋信號，使溫度傳感器IC對風扇轉速構成閉環回路控制。此外，在高溫保護臨界點的設定上，不需要軟件設定，而是通過硬件設定，以增加高溫保護的可靠性。
四、結語
隨著筆記本電腦效能的不斷提升，溫度控制在筆記本電腦的設計中占有愈來愈重要的地位。精確的溫度控制不僅能讓系統的效能得到充分發揮，同時還能提高系統的穩定性、用戶的舒適度，并降低成本。希望藉由本篇文章的探討，能讓讀者對各種溫度傳感器的工作原理及應用有更深入的了解，使讀者在選擇筆記本電腦溫度控制方案時，能兼顧系統效能、系統穩定性、可靠性等，達到優化系統設計的目的。
參考文獻
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