Dlaczego szybszy zegar wymaga więcej mocy?

30

Jeśli przetaktujesz mikrokontroler, robi się gorąco.

Jeśli przetaktujesz mikrokontroler, potrzebuje on większego napięcia.

W jakiś abstrakcyjny sposób ma to sens: wykonuje więcej obliczeń, więc potrzebuje więcej energii (i będąc mniej niż doskonałym, część tej energii rozprasza się w postaci ciepła).

Jednak z poziomu zwykłego starego prawa Ohma elektryczności i magnetyzmu, co się dzieje?

Dlaczego częstotliwość zegara ma coś wspólnego z rozpraszaniem mocy lub napięciem?

O ile mi wiadomo, częstotliwość prądu przemiennego nie ma nic wspólnego z jego napięciem lub mocą, a zegar jest po prostu superpozycją prądu stałego i (kwadratowego) prądu przemiennego. Częstotliwość nie wpływa na prąd stały.

Czy istnieje jakieś równanie dotyczące częstotliwości i napięcia zegara lub częstotliwości i mocy zegara?

Mam na myśli, czy oscylator o dużej prędkości potrzebuje więcej napięcia lub mocy niż oscylator o niskiej prędkości?

frequency oscillator low-power

— Jack Schmidt
źródło

2

Dzięki za świetne odpowiedzi. Jednym krytycznym bitem, którego mi brakowało, jest to, że CMOS (1MHz w stylu Atmela) CMOS nie zużywa dużo prądu, kiedy nic nie robi. TTL ma tendencję do korzystania z prądu przez cały czas, i to właśnie wyobrażałem sobie. Naprawdę lubię odpowiedzi na ładowanie kondensatora; daje to o wiele wyraźniejszy powód, dla którego „obliczenia” powinny wymagać energii. Chciałbym zaakceptować wiele odpowiedzi.

— Jack Schmidt,

38

Na wymagane napięcie ma wpływ znacznie więcej niż prędkość zegara, ale masz rację, dla wyższych prędkości będziesz potrzebować ogólnie wyższych napięć.

Dlaczego wzrasta zużycie energii?

Jest to znacznie bardziej bałagan niż prosty obwód, ale można pomyśleć, że jest podobny do obwodu RC.

Równoważnik obwodu RC

W DC obwód RC nie zużywa energii. Przy częstotliwości nieskończoności, która jest nieosiągalna, ale zawsze można to rozwiązać teoretycznie, kondensator działa jak zwarcie i pozostaje rezystor. Oznacza to, że masz prosty ładunek. Gdy częstotliwość maleje, kondensator gromadzi i rozładowuje moc, powodując mniejszą ilość mocy rozproszonej ogólnie.

Co to jest mikrokontroler?

Wewnątrz składa się z wielu wielu tranzystorów MOSFET w konfiguracji, którą nazywamy CMOS .

Jeśli spróbujesz zmienić wartość bramki MOSFET, po prostu ładujesz lub rozładowujesz kondensator. Jest to koncepcja, którą trudno mi wyjaśnić uczniom. Tranzystor robi dużo, ale dla nas wygląda jak kondensator z bramki. Oznacza to, że w modelu CMOS zawsze będzie miał ładunek o pojemności.

Wikipedia ma obraz falownika CMOS, do którego będę się odwoływał.

Falownik CMOS ma wyjście oznaczone Q. Wewnątrz mikrokontrolera twoje wyjście będzie napędzać inne bramki logiczne CMOS. Kiedy wejście A zmienia się z wysokiego na niski, pojemność na Q musi zostać rozładowana przez tranzystor na dole. Za każdym razem, gdy ładujesz kondensator, widzisz zużycie energii. Możesz to zobaczyć na wikipedii pod przełączaniem zasilania i upływem .

Dlaczego napięcie musi wzrosnąć?

Wraz ze wzrostem napięcia łatwiej jest doprowadzić pojemność do progu logiki. Wiem, że to wydaje się uproszczona odpowiedź, ale jest taka prosta.

Kiedy mówię, że łatwiej jest napędzać pojemność, mam na myśli, że będzie ona szybciej przemieszczać się między progami, jak to ujęło mazurnifikacja:

Wraz ze wzrostem zdolności zasilania tranzystora MOS również wzrasta (większe Vgs). Oznacza to, że rzeczywiste R z RC maleje i dlatego brama jest szybsza.

W odniesieniu do zużycia energii, ze względu na to, jak małe są tranzystory, występuje duży wyciek przez pojemność bramki, Mark miał trochę do dodania:

wyższe napięcie powoduje wzrost prądu upływu. W urządzeniach o dużej liczbie tranzystorów, takich jak nowoczesny pulpit, prąd upływowy może stanowić większość rozpraszania mocy. wraz ze zmniejszaniem się wielkości procesu i wzrostem liczby tranzystorów prąd upływowy staje się coraz bardziej istotną statystyką zużycia energii.

— Kortuk
źródło

3

łączy rzeczy, które chciałbym dodać: wyższe napięcie skutkuje wyższym prądem upływowym. W urządzeniach o dużej liczbie tranzystorów, takich jak nowoczesny pulpit, prąd upływowy może stanowić większość rozpraszania mocy. wraz ze zmniejszaniem się wielkości procesu i wzrostem liczby tranzystorów prąd upływowy staje się coraz bardziej istotną statystyką zużycia energii.

— Mark

2

Po drugie, wyższe napięcie pozwala na szybsze przełączanie tranzystorów ze względu na sposób ładowania kondensatorów. Wiemy, że kondensator naładuje się do 63% napięcia wejściowego w 1 stałej czasowej, więc jeśli podnosimy napięcie wejściowe, wówczas 63% tego napięcia jest oczywiście wyższe, co oznacza, że tranzystor zajmie mniej czasu na naładowanie do napięcia ON dla tranzystora. Zatem wyższe napięcie nie ułatwia przełączania, ale jest szybsze.

— Mark

Miałem na myśli szybciej, kiedy powiedziałem łatwiej. Pozwól mi to poprawić i dodaj swoją dodatkową wycenę.

— Kortuk

2

Część o tym, dlaczego wzrost czasu przełączania zmniejsza napięcie jest nieprawidłowa. Próg bramki CMOS również będzie się zmieniać wraz z napięciem zasilania (i w rozsądnym zakresie zasilania będzie mniej więcej równy stałej części zasilania - na przykład 50%). Ponieważ procentowa zmiana napięcia nie zależy od zasilania (jeden RC zawsze będzie wynosił ~ 63% niezależnie od zasilania), to nie jest powód, dla którego zasilanie mierzy. Wraz ze wzrostem zdolności zasilania tranzystora MOS również wzrasta (większe Vgs). Oznacza to, że rzeczywiste R z RC maleje i dlatego brama jest szybsza.

— mazurnifikacja

@mazurnification, szczerze mówiąc, nie pamiętam dlaczego i wziąłem to, co ktoś powiedział, że wie. Uznałem, że ktoś wie lepiej, że przyjdą porzucić. Twoje wyjaśnienie ma dla mnie sens, a ja je zredagowałem.

— Kortuk

17

Zasadniczo bramki CMOS wykorzystują prąd tylko wtedy, gdy przełączają stany. Im większa jest prędkość zegara, tym częściej bramki się przełączają, a zatem więcej prądu jest przełączane i zużywa się więcej energii.

— tcrosley
źródło

Nie ma to sensu, jeśli się nad tym zastanowić. Rozważ dowolne obliczenia wymagające około 10 cykli zegara. Jeśli twoja częstotliwość robocza wynosi 10 Hz, zakończenie zajmuje sekundę, a ty zużyłeś tyle energii, ile potrzeba w tym procesie. Jeśli jednak częstotliwość taktowania wynosiła zaledwie 1 Hz, zajęłoby to 10 sekund (10 razy dłużej), ale przy każdym zegarze zużywałbyś tylko 1/10 ilości energii - zużycie energii jest wprost proporcjonalne do częstotliwości przełączania. Dlatego całkowity pobór mocy jest dokładnie taki sam.

— sherrellbc

Tak naprawdę, więcej energii na czas jest zużywane przy wyższych częstotliwościach, ale ogólnie nie ma żadnej sieci.

— sherrellbc

@ sherrellbc Dla tego jednego obliczenia moc byłaby taka sama, niezależnie od tego, czy byłaby rozciągana w ciągu 10 sekund przy niższej częstotliwości, czy wykonywana w ciągu jednej sekundy przy wyższej częstotliwości. W rzeczywistości ta zasada służy do oszczędzania energii w urządzeniach zasilanych bateryjnie. Ale moc na jedną sekundę przy wysokiej częstotliwości jest 10 razy większa niż moc na sekundę przy niskiej częstotliwości - dlatego układ rozgrzewa się przy wyższej częstotliwości i wymaga 10-krotnie większej mocy do jego napędzania.

— tcrosley,

Właśnie o to mi chodziło. Pobór mocy za czas wzrasta i konsekwentnie urządzenie będzie się nagrzewać jak ta energia jest pusty. Stwierdziłem jedynie, że całkowity pobór mocy w porównaniu na poziomym podłożu (tj. Równoważne obliczenia wykonane na obu urządzeniach) będzie dokładnie taki sam. Urządzenie o wyższej częstotliwości będzie się bardziej nagrzewać, ponieważ ciepło ma mniej czasu na rozproszenie niż w tym drugim wolniej działającym urządzeniu. Przypuszczam, że w skrócie chodzi o to, że oba urządzenia zużywają dokładnie taką samą energię w różnych przedziałach czasowych.

— sherrellbc

11

Cóż, chodzi o przejścia na poziomie logicznym.

Kiedy zmienia się jakikolwiek bit wyjścia ... wartość elektryczna musi zmieniać się z wysokiej na niską lub z niskiej na wysoką. Odciąga to zasilanie z zasilacza lub zrzuca część energii z powrotem na płaszczyznę uziemienia. Generuje również trochę ciepła odpadowego z powodu nieefektywności.

Jeśli zwiększysz częstotliwość taktowania, zwiększysz liczbę tych przejść na jednostkę czasu, dlatego zużywasz więcej mocy do zasilania tych przejść na poziomie logicznym.

Zwiększone wymagania dotyczące napięcia są nieco inne. Czas przejścia sygnału z niskiego na wysoki nazywany jest czasem narastania. Aby bezpiecznie operować na dowolnej częstotliwości, logika musi być w stanie konsekwentnie dokonywać tego przejścia, zanim następny zegar spróbuje nowej wartości. W pewnym momencie logika nie będzie w stanie spełnić wymagań dotyczących czasu narastania dla określonej częstotliwości. W tym przypadku pomoże napięcie, ponieważ skraca czas narastania.

Ciepło jest dość proste. Chip jest zaprojektowany do obsługi określonej ilości ciepła generowanego przez określoną częstotliwość taktowania. Zwiększ liczbę przejść, zwiększając częstotliwość taktowania, a dostaniesz więcej ciepła odpadowego. Podczas podkręcania możesz łatwo wyprzedzić zdolność układu chłodzenia do usuwania tego ciepła.

— darron
źródło

7

Pomyśl o podstawowym obwodzie RC, w którym R i C są równoległe. Naszym celem jest posiadanie zegara na wyjściu tego obwodu - fali prostokątnej 0-5 V 1 KHz. Tak więc, gdy chcemy, aby zegar był wysoki, włączamy nasze źródło napięcia, które ładuje kondensator, aż do uzyskania napięcia wyjściowego 5 V, a gdy chcemy 0 V, wyłączamy go i pozwalamy mu się rozładować. Czas ładowania / rozładowania zależy od stałej RC obwodu. Jest problem - obwód nie ładuje się wystarczająco szybko dla zegara 1KHz. Co ja robię?

Nie możemy zmienić stałej RC obwodu - jest ustalona. Musimy więc jakoś naładować kondensator szybciej, ale nadal mamy to samo naładowane napięcie. Aby to zrobić, potrzebujemy obwodu aktywnego, który monitoruje napięcie wyjściowe obwodu RC i zmienia prąd przepływający do kondensatora, aby szybciej go naładować. Więcej prądu oznacza więcej mocy.

Aby uzyskać szybszy zegar, należy szybciej naładować kondensator. Kondensator ładuje się, wpychając do niego prąd. Prąd * napięcie = moc. Potrzebujesz więcej mocy!

Wszystko w systemie cyfrowym jest powiązane z zegarem i wszystko ma pojemność. Jeśli masz 100 układów TTL na jednym zegarze, musi on pobierać dużo prądu, aby naładować je wszystkie, a następnie pobierać dużo prądu, aby je ściągnąć. Podstawowym powodem, dla którego prawo nie obowiązuje, jest to, że są to urządzenia aktywne, a nie pasywne. Wykonują prace elektryczne, aby zmusić zegar do zbliżenia się do idealnej fali kwadratowej, jak to możliwe.

Jeśli przetaktujesz mikrokontroler, robi się gorąco

Tak - szybsza zmiana oznacza większy przepływ prądu, a moc jest prądem napięciowym *. Nawet jeśli napięcie pozostanie takie samo, zastosowany prąd wzrośnie, więc więcej rozproszenia mocy, więcej ciepła.

Jeśli przetaktujesz mikrokontroler, wymaga on większego napięcia

Częściowo prawda - potrzebuje więcej mocy, niekoniecznie więcej napięcia. Mikrokontroler przetwarza w pewien sposób dodatkowe napięcie na więcej prądu, aby zrealizować swoje potrzeby.

O ile mi wiadomo, częstotliwość prądu przemiennego nie ma nic wspólnego z jego napięciem lub mocą, a zegar jest po prostu superpozycją prądu stałego i (kwadratowego) prądu przemiennego. Częstotliwość nie wpływa na prąd stały.

Tylko dla czysto rezystancyjnego obciążenia. Z zasilaniem prądu przemiennego dzieje się wiele sztuczek.

Czy istnieje jakieś równanie dotyczące częstotliwości i napięcia zegara lub częstotliwości i mocy zegara?

Prawdopodobnie nie jest to spójne, ale jest związane z prostymi równaniami Q = CV, V = I * R, P = I * V

Pamiętaj tylko: wyższa częstotliwość => szybszy czas narastania => musi szybciej napełnić kondensatory => więcej ładowania => więcej prądu => więcej mocy .

— AngryEE
źródło

Myślę, że dokładniej jest powiedzieć, że częściej je wypełniasz i opróżniasz, nie mówiąc, że robisz to szybciej. Dopiero gdy zbliżysz się do ich częstotliwości, zwiększysz napięcie.

— Kortuk

Myślę, że wiesz, co mówisz, ale chciałem wyrazić się jasno w komentarzu na temat tego, jak to porównywałeś.

— Kortuk

Przy wyższej częstotliwości MUSISZ to zrobić szybciej - nie możesz sobie pozwolić na powolną rampę, ponieważ twoja fala prostokątna może zmienić się w falę trójkąta, jeśli jest zbyt wolna. Robienie tego częściej również pogarsza, ale to jest prąd przemienny i to mnie myli :)

— AngryEE

1

Moc = współczynnik przełączania * Pojemność * (VDD ^ 2) * częstotliwość.

Ponieważ szybki zegar ma wyższy współczynnik przełączania, a także wyższą częstotliwość, a tym samym wyższy dynamiczny pobór mocy.

— Shankhadeep Mukerji
źródło