中心議題：

• 筆記本電腦中需要監測溫度的組件
• 筆記本電腦常用的溫度傳感器
• 遠程二極管測量回路雜散電阻的影響
• 應用實例

解決方案：

• 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
• 溫度檢測的目地是讓筆記本電腦的嵌入式微控製器能對筆記本電腦作適當的電源管理及熱管理

由於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鍾頻率意味著更多熱量的產生。

對於筆記本電腦，用戶除了要求係統具有更好的效能外
，在外觀上，還要求輕、薄、小，這是設計人員所麵臨的另一挑戰。在有限的空間內，如何耗散係統所產生的熱量是一個棘手問題。如何兼顧係統效能、係統舒適度 (包括筆記本電腦外殼的溫度
、風扇旋轉所產生的噪音)
、及係統運行時間
，是筆記本電腦設計的一個重要課題。

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係統框圖

，CPU為係統中最大的熱源，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，並對其進行精確的溫度控製。
 

圖形處理芯片 (GPU) 是除了CPUzhiwai，xitongzhongdelingyigezhongyaodereyuan。youyuyejingxianshiqifenbianlvdezenggao，tuxingchulixinpiandeshujuchuliliangyedadazengjia，weilerangtuxingchulixinpiankekaogongzuo
，muqianpubianshiyongdetuxingchulixinpian，yeheCPU一(yi)樣(yang)，均(jun)內(nei)含(han)提(ti)供(gong)遠(yuan)程(cheng)溫(wen)度(du)檢(jian)測(ce)的(de)二(er)極(ji)管(guan)，以(yi)便(bian)直(zhi)接(jie)檢(jian)測(ce)圖(tu)形(xing)處(chu)理(li)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)管(guan)芯(xin)的(de)溫(wen)度(du)

，並(bing)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)。筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)中(zhong)，其(qi)它(ta)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)檢(jian)測(ce)及(ji)控(kong)製(zhi)的(de)組(zu)件(jian)還(hai)包(bao)括(kuo)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製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係統發揮最高的效能：dangzujianshijiwendubingweidaodaxitongjiangpindelinjiedianshi，yinweiwenduchuanganqijiancewucha，kenengshixitongjiangpindongzuotizaofasheng，zhehuishixitongwufafahuizuidadexiaoneng。

二. 精確的溫度檢測能降低係統噪音並延長計算機電池使用時間：如ru果guo溫wen度du傳chuan感gan器qi的de檢jian測ce溫wen度du高gao於yu係xi統tong實shi際ji溫wen度du

，將jiang造zao成cheng風feng扇shan提ti早zao運yun轉zhuan
，或huo風feng扇shan轉zhuan速su比bi實shi際ji需xu求qiu高gao

，這zhe將jiang造zao成cheng係xi統tong不bu必bi要yao的de風feng扇shan噪zao音yin及ji功gong耗hao。

三. 精確的溫度檢測能提高係統穩定性

，增加產品競爭力：如(ru)果(guo)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)檢(jian)測(ce)溫(wen)度(du)低(di)於(yu)係(xi)統(tong)實(shi)際(ji)溫(wen)度(du)，可(ke)能(neng)在(zai)係(xi)統(tong)實(shi)際(ji)溫(wen)度(du)已(yi)到(dao)達(da)降(jiang)頻(pin)臨(lin)界(jie)點(dian)時(shi)係(xi)統(tong)仍(reng)然(ran)保(bao)持(chi)較(jiao)高(gao)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)，從(cong)而(er)造(zao)成(cheng)係(xi)統(tong)癱(tan)瘓(huan)甚(shen)至(zhi)損(sun)壞(huai)。此(ci)外(wai)，精(jing)確(que)的(de)溫(wen)度(du)檢(jian)測(ce)允(yun)許(xu)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)最(zui)小(xiao)的(de)散(san)熱(re)模(mo)塊(kuai)，如(ru)此(ci)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)散(san)熱(re)模(mo)塊(kuai)成(cheng)本(ben)，增(zeng)加(jia)產(chan)品(pin)競(jing)爭(zheng)力(li)。

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係數熱敏電阻
、負fu溫wen度du係xi數shu熱re敏min電dian阻zu及ji臨lin界jie溫wen度du係xi數shu熱re敏min電dian阻zu。正zheng溫wen度du係xi數shu熱re敏min電dian阻zu及ji臨lin界jie溫wen度du係xi數shu熱re敏min電dian阻zu的de電dian阻zu特te性xing會hui在zai特te定ding溫wen度du發fa生sheng急ji劇ju變bian化hua，適shi合he用yong於yu定ding溫wen度du檢jian測ce或huo限xian製zhi在zai較jiao小xiao的de溫wen度du範fan圍wei內nei。負fu溫wen度du係xi數shu熱re敏min電dian阻zu主zhu要yao為wei氧yang化hua錳meng、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物的複合燒結體，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為典型負溫度係數熱敏電阻特性曲線
，電阻和溫度之間的關係式如下：

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常數通常介於2500K至5000K範圍內。

圖3為典型負溫度係數熱敏電阻的應用電路。利用筆記本電腦嵌入式微控製器的模數轉換器 (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。利用負溫度係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de誤wu差cha及ji測ce量liang噪zao聲sheng所suo造zao成cheng的de誤wu差cha。從cong成cheng本ben考kao慮lv
，如ru果guo隻zhi考kao慮lv負fu溫wen度du係xi數shu熱re敏min電dian阻zu本ben身shen的de價jia格ge

，這zhe是shi一yi個ge廉lian價jia的de解jie決jue方fang案an。但dan若ruo把ba偏pian壓ya電dian路lu和he額e外wai的deADC成本一並考慮進去，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
、軟件界麵控製方便等優點。圖4為典型集成溫度傳感器框圖。溫度檢測的主要機製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：
 

ID：二極管的正向電流，IS：二極管的反向飽和電流
，VD：二極管的正向壓降。

n：二極管的理想因素(一般約為1)，k：波爾茲曼常數 (1.38×10-23joules/K)。
T：絕對溫度K，q：一個電子的電荷 (1.6×10-19 C)

因為，因此我們可以將式 (2) 簡化為
 

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的關係式為 

當電流源送出低電流IDL時，ADC讀數VDL。IDL和VDL的關係式為
 

將 (4) 式除以 (5) 式，可得到
 

將 (6) 式二邊取對數並作整理，我們可以得到
 

由於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，用於遠程溫度檢測的二極管位於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:
 

當電流源送出低電流IDL時，ADC實際讀到的電壓VADC_L為
 

將 (8) 式和 (9) 式代入 (7) 式，我們可得到
 

 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MAX6642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de大da小xiao與yu遠yuan程cheng檢jian測ce二er極ji管guan和he印yin刷shua電dian路lu板ban的de布bu線xian有you關guan，印yin刷shua電dian路lu板ban布bu線xian必bi須xu盡jin可ke能neng降jiang低di印yin刷shua電dian路lu板ban銅tong箔bo所suo產chan生sheng的de寄ji生sheng電dian阻zu。通tong常chang
，遠yuan程cheng二er極ji管guan測ce量liang回hui路lu所suo造zao成cheng的de寄ji生sheng電dian阻zu可ke能neng高gao達da3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)有助於降低寄生電阻造成的溫度測量誤差。

此外，由前麵的分析結果得知，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。對於差分(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
，並盡量遠離磁性組件、高壓信號
，避免高速信號的幹擾。不當的印刷電路板布線可能導致30oK以上的溫度檢測誤差。
 

應用實例

圖5為筆記本電腦普遍使用的一種溫度控製方案。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製器

，由於溫度傳感器IC與嵌入式微控製器之間為數字接口
，因此溫度傳感器IC在位置上可以遠離嵌入式微控製器而不會有噪聲幹擾問題。MAX6649同時內置一個本地溫度傳感器和用於連接遠端二極管的差分接口。MAX6649的IDH=100uA
，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。差分輸入有助於降低噪聲幹擾。圖5所示電路

，溫度傳感器IC隻負責溫度檢測
，風扇轉速控製由嵌入式微控製器完成，由軟件實現。為了避免軟件控製的死機問題
，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，要求嵌入式微控製器進行相應的處理，例如對處理器進行降頻；如果上述對策仍無法有效抑製溫度的上升，當溫度達到第二高溫臨界點時，MAX6649 OVERT可以用來控製係統的第二個風扇或對係統進行強製關機。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。