개요: 냉각 팬은 고전력 칩(CPU, FPGA 및 GPU 등)과 시스템의 열 관리에 있어 중요한 부품이다. 그러나 팬을 사용하는 경우 때때로 사용자가 거부감을 느낄 수준까지 시스템의 소음 레벨이 올라갈 수가 있다. 온도를 측정하고 이에 따라 팬 속도를 조정하게 되면, 팬의 속도와 소음은 온도가 낮은 때는 최소화되지만 최악 상황에서는 시스템 손상을 방지하기 위해 증가하게 된다. 이 글에서는 냉각 팬의 속도를 자동으로 제어하기 위한 두 가지 기법에 대해 설명하고 있다.
고속으로 동작하는 칩들은 쉽게 뜨거워지는 경향이 있다. 빠를수록 더 뜨거워진다. 새 기술의 고속 디지털 칩은 동작 전압을 낮출 수 있는 보다 세밀한 공정을 사용하고 있으므로 얼마간 도움이 되기는 하지만, 트랜지스터의 개수가 늘어나는 속도가 동작 전압이 내려가는 속도보다 빠르다. 따라서 소비전력의 수준은 계속 올라가고 있다.
칩의 온도가 올라감에 따라 성능이 저하될 수가 있다. 파라미터가 달라지고, 최대 동작 주파수는 떨어지며, 타이밍이 규격을 벗어날 수가 있다. 사용자의 관점에서는 이런 현상이 일어나게 되면 제품이 더 이상 제대로 작동하지 않는 것이다. 따라서 고속 칩을 냉각하는 첫 번째 이유는 가능한 오랜 시간 동안 작동하고 또 가능한 최대의 환경 조건 범위에서 좋은 성능을 유지하기 위해서이다. 고속 칩이 파라미터 규격을 만족하는 최대의 허용 온도를 결정하는 요인에는 여러 가지가 있겠으나, 주로 공정과 칩의 설계 방식(칩이 얼마나 "한계에 가까운 상태로" 동작하느냐)에 따라 그 값이 달라진다. 최대 다이 온도 값은 일반적으로 +90°C ~ +130°C 범위에 있다.
성능의 열화가 시작되는 지점을 넘어가게 되면, 지나치게 높은 다이 온도에 의해 칩에 치명적인 손상이 발생하게 된다. 다이 온도의 최고 한계는 일반적으로 +120°C를 족히 넘으며 공정, 패키지 및 고온 상황의 지속 시간에 따라 달라진다. 따라서 고속 칩은 성능의 열화를 일으키고 복구 불가능한 손상을 유발할 수 있는 온도에 도달하는 것을 막기 위해 냉각시켜야 한다.
고속 칩에서는 냉각 기법을 한 가지만 사용하는 경우가 드물다. 고성능과 신뢰성의 지속을 유지하기 위해서는 일반적으로 여러 가지 기법을 결합해야 한다. 보통 방열판, 히트파이프, 냉각 팬과 클록 제한 등이 고속 칩의 냉각에 사용되고 있다. 마지막 두 가지 방법인 냉각 팬과 클록 제한의 경우에는 열 문제를 해결할 수 있겠지만 자체적으로 문제를 유발할 수 있다.
팬을 사용하면 고속 칩의 온도를 크게 낮출 수 있지만, 또한 많은 양의 가청 잡음(소음)이 발생하게 된다. 전속력으로 돌아가는 팬에서 나는 소음은 일부 소비자들로부터 불만을 살 수 있으며, 작업장 소음의 장기적 영향을 우려하는 정부 기관의 규제 대상이 되고 있다. 팬 소음은 온도에 따라 팬의 속도를 달리함으로써 크게 줄일 수 있다. 즉 온도가 낮을 때는 팬이 천천히(그리고 매우 조용하게) 돌게 하고, 온도가 올라가면 속도를 높이는 것이다.
클록 제한(전력 소모를 줄이기 위해 클록 속도를 줄이는 것)은 시스템의 성능을 감소시키는 방법으로 가능하다. 클록을 제한하게 되면 시스템의 기능 자체는 계속 유지되지만 그 속도는 떨어지게 된다. 분명한 것은, 고성능 시스템의 경우 절대적으로 필요한 경우에만 클록 제한을 실시해야 한다는 것이다. 즉 온도가 시스템의 기능을 상실하기 직전까지 올라갈 경우에 한하여 이 방법을 쓴다.
온도에 기반한 팬 속도 제어나 클록 제한을 위해서는 먼저 고속 칩의 온도를 측정해야 한다. 이 작업은 온도 센서를 대상 칩에 가까이 설치함으로써 이루어진다. 센서는 칩 바로 옆에 설치하거나, 어떤 경우에는 칩의 아래 혹은 방열판 위에 설치하게 된다. 이러한 방법으로 측정된 온도는 고속 칩의 온도에 대응하는 값이기는 하지만 실제의 값보다는 훨씬 (최고 30°C 가량) 낮을 수 있고, 측정된 온도와 다이 온도 간의 차이는 전력 소모가 증가할수록 커진다. 따라서 회로 기판 또는 방열판의 온도와 고속 칩의 다이 온도 간의 상관 관계를 정의하여야 한다.
고속 칩이 다수 있는 경우에는 보다 나은 방법이 가능하다. 많은 CPU, 그래픽 칩, FPGA 및 기타 고속 IC 등은 "열 감지 다이오드"를 갖고 있는데, 이는 다이오드 형으로 연결되어 있는 바이폴라 트랜지스터를 다이 위에 구현해 놓은 것이다. 이 열 감지 다이오드에 연결되어 있는 원격 다이오드 온도 센서를 사용하면 고속 IC 다이의 온도를 매우 우수한 정확도로 측정할 수 있다. 이렇게 하면 대상 IC 패키지의 외부에서의 온도 측정에 따른 큰 온도 변화를 극복할 수 있을 뿐 아니라 다이 온도 변화를 즉각적으로 반영할 수 없게 하는 긴 열적 시간 상수(수 초에서 수 분에 이름)의 영향도 없앨 수 있다.
팬 제어를 위해 설계자는 몇 가지 중요한 선택을 해야 한다. 첫 번째 선택은 팬의 속도를 제어하는 방법이다. BLDC (brushless DC) 팬의 속도를 조정하는 일반적인 방법은 팬의 전원 전압을 조정하는 것이다. 이 방법은 공칭값의 40% 정도의 전원 전압에 대해서는 효과적이다. 하지만 전원 전압을 선형 전달 소자를 사용하여 조절하는 경우에는 효율이 좋지 않다는 단점도 있다. 팬 용으로 스위치 모드 전원을 사용하면 효율이 올라갈 수는 있지만 비용과 부품 수가 증가하게 된다.
팬 속도 제어에 널리 쓰이는 또 하나의 기법은 30Hz 범위의 저주파 PWM 신호를 사용하여 팬의 전원을 공급하는 것이다. 이 신호의 듀티 사이클을 조정하여 팬의 속도를 조절하게 된다. 이 방법은 소형의 패스 트랜지스터를 사용할 수 있으므로 비용이 적게 든다. 이 방법이 효율적인 이유는 패스 트랜지스터가 스위치로서 사용되기 때문이다. 그러나 이 방법의 단점은 전원의 펄스 특성에 의해 팬의 잡음이 더 심하다는 것이다. PWM 파형의 날카로운 꺾임에 의해 팬의 기계적 구조가 움직이게 되는데(설계가 잘못된 오디오 스피커처럼), 이것이 쉽게 귀에 들리는 소음이 되는 것이다.
팬 제어를 위한 또 하나의 설계 방법은 팬 속도 측정을 제어의 한 부분으로 넣는 것이다. 많은 팬들이 전원선과 그라운드를 빼고 팬 제어 회로에 "타코미터" 신호를 제공하는 또 하나의 선을 제공하고 있다. 타코미터 출력은 팬이 한 번 회전할 때마다 특정 수의 펄스(예를 들어 한 회전 당 두 번)를 만들어낸다. 어떤 팬 제어 회로는 팬의 원하는 RPM을 만들어낼 수 있도록 전압 또는 PWM 듀티 사이클을 조정하는 데 이 타코미터 출력을 사용한다. 보다 단순한 방법은 모든 타코미터 신호를 무시하고 속도 피드백 없이 단순히 팬의 구동 전력을 조절하여 회전수를 올리거나 내리는 방법을 사용한다. 이러한 방법으로 속도 제어를 하면 정확도는 떨어지지만, 비용이 적게 들고 최소한 하나의 피드백 루프가 줄어들므로 제어 시스템의 설계가 단순화된다.
일부 시스템에서는 팬 속도의 변경에 제한을 가하는 것이 중요하다. 이것은 시스템이 사용자의 가까이에 설치되어 있을 경우 매우 중요하다. 어떤 환경에서는 온도가 변동할 때 팬을 단순히 켜고 끄거나 속도를 즉시 변경하는 것이 가능하다. 그러나 사용자가 가까이 있는 경우에는 팬 소음의 갑작스런 변동이 너무 귀에 거슬리거나 불쾌하게 느껴질 수 있다. 팬의 구동 신호의 변화율을 용인 가능한 수준으로 제한하게 되면(예: 초당 1%) 팬 제어의 결과로 발생하는 가청 소음을 최소화할 수 있다. 즉 팬 속도는 계속 변화하지만 특별히 주의를 끄는 일은 없다.
또 하나의 중요한 설계 변수는 팬 제어의 프로파일이다. 일반적으로 팬은 특정 온도 한계까지는 꺼져 있다가, 이 경계를 일단 넘게 되면 낮은 속도로(예를 들어 전속력의 40%로) 회전하기 시작한다. 온도가 상승함에 따라, 팬의 구동 출력은 100%에 이를 때까지 온도에 비례하여 선형적으로 상승하게 된다. 최상의 기울기는 시스템 요구사항에 따라 달라지게 된다. 기울기를 보다 가파르게 하면 칩의 온도 변화에 보다 즉각적으로 반응하게 되는 것이지만, 매 순간의 발열 변화에 따라 팬 속도가 더 자주 변하게 된다. 최고 성능이 목적인 경우에는 다이 온도가 클록 제한을 야기할 만큼 올라가기 전에 팬이 전속력에 도달하도록 시작 온도와 기울기를 정해야 한다.
팬 제어 회로는 여러 가지 방법으로 구현할 수 있다. 다이온도를 검출하고 온도 데이터를 마이크로컨트롤러로 전송하기 위해, 최대 다섯 개의 센싱 채널을 갖는 다양한 원격 온도 센서들이 시중에 나와 있다. 팬 타코미터 모니터링을 위한 복수의 채널을 갖는 팬 속도 레귤레이터는 외부 마이크로컨트롤러의 명령에 따라 RPM 또는 전원 전압을 신뢰성 있게 제공할 수 있다. 저비용의 간단한 회로 구현을 위해서는 온도 센싱과 자동 팬 제어 회로가 하나의 패키지로 되어 있는 칩이 있다. 또한 센서/컨트롤러는 일반적으로 과열 검출 기능을 내장하여 클록 제한과 시스템 셧다운을 통해 고속 칩이 과열에 의해 치명적인 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.
이러한 IC의 예로 그림 1과 그림 2에서는 각각 DC 드라이브와 PWM 드라이브가 나와있다. 그림 1에 IC는 원격 온도를 감지하고 해당 온도에 따라 팬 속도를 제어하고 내장된 전력 트랜지스터를 통해 팬에 대한 DC 전원 전압을 생성한다. 그림 2도 비슷한 기능의 IC이지만 외부의 통과 트랜지스터를 통해 PWM 파형으로 팬을 구동한다. 두 IC 모두 과열 출력을 모니터링하는 과열 방지 기능이 내장되어 있어 고속 칩이 너무 뜨거워지면 시스템을 셧다운한다.
그림 1. 선형 (DC-출력) 온도 센서 및 자동 팬 속도 컨트롤러. 팬 속도는 고속 칩의 온도에 따라 자동으로 제어된다. 팬으로부터의 타코미터 피드백으로 팬 컨트롤러는 팬 속도를 직접 조정할 수 있다. 또한 시스템 셧다운 출력으로 고속 칩을 과열로부터 보호한다.
그림 2. PWM 출력 온도 센서 및 자동 팬 속도 컨트롤러. 팬 속도는 온도에 따라 자동으로 제어된다. 클록 스로틀 (throttle) 및 시스템 셧다운 출력으로 고속 칩을 과열로부터 보호한다. CRIT0 및 CRIT1 핀은 전원이나 접지로 스트래핑되어 디폴트 셧다운 온도 임계값을 선택함으로써 시스템 소프트웨어가 정지된 경우에도 보호 기능을 제공한다.
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