Сергій Пахомов
Управління по постійному струму
Управління з використанням широтно-імпульсної модуляції напруги
Давно вже минули ті часи, коли в комп'ютерах використовувалося пасивне охолодження - такі комп'ютери були абсолютно безшумними, але малопродуктивними. У міру зростання продуктивності процесорів і інших компонентів ПК росло і їх енергоспоживання і, як наслідок, компоненти ПК ставали все більш «гарячими». Тому процесори стали оснащувати масивними радіаторами, а незабаром до них додалися і вентилятори, тобто пасивне охолодження процесорів вже не могло забезпечити необхідний тепловідвід для підтримки належної температури, через що стали використовувати повітряне охолодження. У міру зростання тактових частот процесорів збільшувалася ефективність тепловідведення, що досягалося за рахунок більш масивних радіаторів і більш швидких вентиляторів.
Підвищення максимальної швидкості обертання вентиляторів тягло за собою зростання рівня створюваного ними шуму. Відомо, що при збільшенні швидкості обертання вентилятора від значення N 1 до N 2 рівень створюваного ним шуму зростає від значення NL 1 до NL 2, причому:
Припустимо, потрібно збільшити швидкість обертання вентилятора на 10%. При цьому на 2 дБ збільшиться і рівень шуму, створюваного вентилятором. Залежність зміни рівня шуму вентилятора від нормалізованої швидкості обертання показана на рис. 1.
Мал. 1. Залежність зміни рівня шуму (DNL) вентилятора від нормалізованої швидкості обертання (N2 / N1)
Не менш гостро, ніж проблема охолодження процесорів, стоїть проблема зниження рівня шуму. Ідеї, закладені в технології енергозбереження і зниження тепловиділення, можна використовувати і для зниження рівня шуму систем охолодження. Оскільки тепловиділення (і, отже, температура) процесора залежить від його завантаження, а при використанні технологій енергозбереження - і від його поточної тактової частоти і напруги живлення, в періоди слабкої активності процесор остигає. Відповідно немає необхідності постійно охолоджувати процесор з однаковою інтенсивністю, тобто інтенсивність повітряного охолодження, яка визначається швидкістю обертання вентилятора кулера процесора, повинна залежати від поточної температури процесора.
Існує два основних способи динамічного управління швидкістю обертання вентиляторів, що реалізуються на сучасних материнських платах: управління по постійному струму і управління з використанням широтно-імпульсної модуляції напруги.
Управління по постійному струму
ри технології управління по постійному струму (Direct Current, DC) змінюється рівень постійної напруги, що подається на електромотор вентилятора. Діапазон зміни напруги становить від 6 до 12 В і залежить від конкретної материнської плати. Дана схема керування швидкістю обертання вентилятора досить проста: контролер на материнській платі, аналізуючи поточне значення температури процесора (через вбудований в процесор термодатчик), виставляє потрібне значення напруги живлення вентилятора. До певного значення температури процесора напруга живлення мінімально, і тому вентилятор обертається на мінімальних обертах і створює мінімальний рівень шуму. Як тільки температура процесора досягає деякого граничного значення, напруга живлення вентилятора починає динамічно змінюватися, аж до максимального значення в залежності від температури. Відповідно змінюються швидкість обертання вентилятора і рівень створюваного шуму (рис. 2).
Мал. 2. Реалізація динамічного управління швидкістю обертання вентилятора кулера процесора при зміні напруги живлення
Розглянута технологія реалізована на всіх сучасних материнських платах - як процесорів Intel, так і процесорів AMD. Для її реалізації необхідно встановити відповідну схему управління в BIOS материнської плати і використовувати трьохконтактний вентилятор (відзначимо, що більшість процесорних кулерів є саме трьохконтактного): два контакту - це напруга живлення вентилятора, а третій контакт - сигнал тахометра, що формується самим вентилятором і необхідний для визначення поточної швидкості обертання вентилятора. Сигнал тахометра являє собою прямокутні імпульси напруги, причому за один оборот вентилятора формується два імпульсу напруги. Знаючи частоту проходження імпульсів тахометра, можна визначити швидкість обертання вентилятора. Наприклад, якщо частота імпульсів тахометра дорівнює 100 Гц (100 імпульсів в секунду), то швидкість обертання вентилятора становить 50 об. / С, або 3000 об. / Хв.
Управління з використанням широтно-імпульсної модуляції напруги
льтернатівной технологією динамічного управління швидкістю обертання вентилятора кулера процесора є широтно-імпульсна модуляція (Pulse Wide Modulation, PWM) напруги живлення вентилятора. Ідея тут теж проста: замість зміни амплітуди напруги живлення вентилятора напруга подають на вентилятор імпульсами певної тривалості. Амплітуда імпульсів напруги і частота їх проходження незмінні, і змінюється тільки їх тривалість, тобто фактично вентилятор періодично включають і вимикають. Підібравши частоту проходження імпульсів і їх тривалість, можна керувати швидкістю обертання вентилятора. Дійсно, оскільки вентилятор має певною інертністю, він не може миттєво ні розкрутитися, ні зупинитися (рис. 3).
Мал. 3. Реакція вентилятора на імпульс напруги
Якщо тривалість імпульсу напруги (T on) менше характерного часу розкрутки вентилятора (T on <T раскр), а тривалість проміжку часу, протягом якого на вентилятор не подається напруга (T off), менше характерного часу зупинки вентилятора (T off <T ост ), то при подачі на вентилятор послідовності таких імпульсів він буде обертатися з деякою середньою швидкістю, значення якої визначається співвідношенням часів T on і T off (рис. 4).
Мал. 4. Управління швидкістю обертання вентилятора при широтно-імпульсної модуляції напруги
Ставлення часу Ton до періоду проходження імпульсів (T on + T off), яка вимірюється у відсотках, тобто
називається скважностью імпульсів. Якщо, наприклад, шпаруватість становить 30%, то час, протягом якого на вентилятор подається напруга, становить 30% від періоду імпульсу.
Реалізації широтно-імпульсної модуляції напруги вентилятора здійснюється за допомогою PWM-контролера на материнській платі, причому даний тип управління підтримується тільки материнськими платами для процесорів Intel.
PWM-контроллер, в залежності від поточної температури процесора, формує послідовність імпульсів напруги з певною шпаруватістю, однак це - ще не імпульси напруги, які подаються на електродвигун вентилятора. Послідовність імпульсів, яка формується PWM-контролером, використовується для управління електронним ключем (транзистором), що відповідає за подачу напруги (12 В) на електродвигун. Спрощена схема керування швидкістю обертання кулера показана на рис. 5.
Мал. 5. Схема управління швидкістю обертання вентилятора
при використанні PWM-сигналу
Кулери, які підтримують PWM-керування, повинні бути чотирьохконтактного: два контакти необхідні для подачі напруги 12 В, третій контакт - це сигнал тахометра, що формується самим вентилятором і необхідний для визначення поточної швидкості обертання, а четвертий контакт використовується для зв'язку з PWM-контролером.
Як вже говорилося, при широтно-імпульсної модуляції напруги для зміни швидкості обертання вентилятора змінюється шпаруватість імпульсів, але не частота їх проходження. Типова мінімально можлива шпаруватість імпульсів становить 30%, а максимально можлива - 100%, що відповідає постійній напрузі на вентиляторі. Частота проходження PWM-імпульсів становить від 21 до 25 кГц (типове значення 23 кГц), тобто протягом однієї секунди вентилятор включається і відключається приблизно 23 тис. Раз! На рис. 6 показаний приклад осцилограми PWM-імпульсів з частотою проходження 25 кГц і шпаруватістю 78%.
Мал. 6. Осцилограма PWM-послідовності з шпаруватістю 78% при частоті проходження 25 кГц
Шпаруватість PWM-імпульсів визначається поточною температурою процесора. Якщо температура процесора нижче деякого порогового значення, то шпаруватість імпульсів мінімальна - отже, вентилятор буде обертатися на мінімальній швидкості і створювати мінімальний рівень шуму. При перевищенні температури процесора порогового значення шпаруватість імпульсів починає лінійно змінюватися в залежності від температури, збільшуючись аж до 100%. Відповідно і швидкість обертання вентилятора, так само як і рівень створюваного ним шуму, буде змінюватися в залежності від температури процесора (рис. 7).
Мал. 7. Залежність скважности PWM-імпульсів
від температури процесора
На закінчення відзначимо, що, як і в випадку з DC-технологією, для реалізації PWM-керування швидкістю обертання кулера необхідно активувати даний режим управління в BIOS материнської плати.
КомпьютерПресс 12'2005
