Neden daha hızlı bir saat daha fazla güç gerektiriyor?


30

Bir mikrodenetleyiciyi overclock ederseniz, ısınır.

Bir mikrodenetleyiciyi overclock ederseniz, daha fazla voltaj gerektirir.

Soyut bir şekilde mantıklı geliyor: daha fazla hesaplama yapıyor, bu yüzden daha fazla enerjiye ihtiyacı var (ve mükemmel olmaktan az, bu enerjinin bir kısmı ısı olarak dağılıyor).

Ancak, eski düz bir Ohm kanunu düzeyinde elektrik ve manyetizma ne oluyor?

Saat frekansının neden güç kaybı veya voltajla ilgisi var?

Bildiğim kadarıyla, AC frekansının voltajı veya gücü ile hiçbir ilgisi yoktur ve bir saat sadece bir DC ve bir (kare) AC'nin süper pozisyonudur. Frekans DC'yi etkilemez.

Saat frekansı ve voltajı veya saat frekansı ve gücü ile ilgili bir denklem var mı?

Yüksek hızlı osilatörün düşük hızlı olandan daha fazla voltaj veya güce ihtiyacı var mı?


2
Harika cevaplar için teşekkürler. Eksik olduğum kritik bir bit (1MHz Atmel tarzı) CMOS aslında hiçbir şey yapmadığında fazla akım kullanmıyor. TTL her zaman akımı kullanma eğilimindedir ve bu benim hayal ettiğim şeydir. Kapasitör şarj cevaplarını gerçekten seviyorum; Bu, "hesaplamaların" neden enerji gerektirmesi gerektiğine dair daha açık bir neden verir. Keşke birden fazla cevabı kabul edebilseydim.
Jack Schmidt,

Yanıtlar:


38

Gereken voltaj, saat hızından önemli ölçüde fazladır, ancak haklısınız, daha yüksek hızlar için genel olarak daha yüksek voltajlara ihtiyacınız olacak.

Güç tüketimi neden artıyor?

Bu basit bir devreden çok daha karışık, ancak RC devresine benzer olduğunu düşünebilirsiniz.

RC devresi eşdeğeri

DC'de bir RC devresi güç harcamaz. Elde edilemez olmayan bir sonsuzluk frekansında, ancak bunu her zaman teorik olarak çözebilirsiniz, kondansatör kısa gibi davranır ve bir dirençle kalırsınız. Bu, basit bir yükünüz olduğu anlamına gelir. Frekans azaldıkça, kondansatör enerji depolar ve deşarj eder, bu da genel olarak daha az miktarda elektrik harcar.

Mikrodenetleyici nedir?

İçinde CMOS olarak adlandırdığımız bir konfigürasyonda birçok MOSFET'ten oluşur .

Bir MOSFET'in kapısının değerini değiştirmeye çalışırsanız, sadece bir kondansatör şarj ediyor veya boşaltıyorsunuzdur. Bu, öğrencilere açıklamakta zorlandığım bir kavram. Transistör çok şey yapıyor, ama bize göre sadece geçitten bir kapasitör gibi görünüyor. Bu, bir modelde CMOS'un her zaman bir kapasitans yüküne sahip olacağı anlamına gelir.

Wikipedia referans alacağım bir CMOS invertör görüntüsüne sahip.

CMOS İnvertör Şeması

CMOS invertörde Q etiketli bir çıkış bulunur. Bir mikroişlemcinin içinde çıkışınız diğer CMOS mantık kapılarını sürecek. A girişiniz yüksekten düşüğe doğru değiştiğinde, Q üzerindeki kapasitans, transistörün altındaki boşalmalıdır. Bir kondansatör şarj ettiğinizde güç kullanımını görüyorsunuz. Bunu güç anahtarlaması ve sızıntı altında wikipedia'da görebilirsiniz .

Voltaj neden yükselmek zorunda?

Gerilim arttıkça, kapasitansı mantığınızın eşiğine getirmeyi kolaylaştırır. Bunun basit bir cevap gibi gözüktüğünü biliyorum, ama bu kadar basit.

Kapasitansı sürmenin daha kolay olduğunu söylediğimde mazurnifikasyonun belirttiği gibi eşikler arasında daha hızlı sürüleceğini söylüyorum:

Arttırılmış besleme ile MOS transistörün tahrik kabiliyeti de artar (daha büyük Vgs). Bu, RC'den gerçek R'nin azaldığı ve geçidin daha hızlı olmasının nedeni budur.

Güç tüketimi ile ilgili olarak, ne kadar küçük transistörlerin geçit kapasitansında büyük bir sızıntı olduğuna bağlı olarak, Mark'ın buna katması gereken bir şey vardı:

daha yüksek voltaj daha yüksek kaçak akım ile sonuçlanır. Yüksek transistör sayımında, modern bir masaüstü CPU kaçak akımı gibi cihazlar, güç tüketiminin çoğunluğunu oluşturabilir. Proses ebadı küçüldükçe ve transistörün yükselme sayımı arttıkça, kaçak akım gittikçe daha fazla kritik güç kullanım istatistiği haline gelir.


3
ekleyeceğim şeyleri bağlar: daha yüksek voltaj daha yüksek kaçak akımla sonuçlanır. Yüksek transistör sayımında, modern bir masaüstü CPU kaçak akımı gibi cihazlar, güç tüketiminin çoğunluğunu oluşturabilir. Proses ebadı küçüldükçe ve transistörün yükselme sayımı arttıkça, kaçak akım gittikçe daha fazla kritik güç kullanım istatistiği haline gelir.
Mark

2
İkincisi, daha yüksek voltaj, transistörlerin, kondansatörlerin ne kadar şarj olmasından dolayı daha hızlı geçiş yapmasını sağlar. Bir kondansatörün 1 voltajda giriş voltajının% 63'ünü şarj edeceğini biliyoruz, bununla birlikte giriş voltajını yükseltirsek, bu voltajın% 63'ü açıkça daha yüksektir, yani transistörün ON voltajına şarj edilmesi daha az zaman alır. transistör için. Bu yüzden yüksek voltaj geçişi kolaylaştırmaz, fakat daha hızlı hale getirir.
Mark

Daha kolay derken daha hızlı demek istedim. Bunu düzelteyim ve teklifini ekleyeyim.
Kortuk

2
Gerilim artışının neden anahtarlama süresini azalttığı ile ilgili kısım doğru değildir. CMOS geçidinin eşiği de besleme gerilimi ile değişecektir (ve makul tedarik aralığı içerisinde arzın sabit kısmına eşit ya da daha az eşit olacaktır - örneğin% 50). Gerilimin yüzde değişimi, kaynağa bağlı olmadığından (bir RC, kaynağa bakılmaksızın her zaman ~% 63 olacaktır), kaynağın ölçüm yapmasının nedeni bu değildir. Arttırılmış besleme ile MOS transistörün tahrik kabiliyeti de artar (daha büyük Vgs). Bu, RC'den gerçek R'nin azaldığı ve geçidin daha hızlı olmasının nedeni budur.
mazurnification

@mazurnification, dürüstçe nedenini hatırlayamadım ve birinin bildiklerini söylediklerini aldım. Birisinin onu bırakacağını daha iyi bildiğini anladım. Açıklamanız bana mantıklı geliyor ve ben bunu düzenlemiştim.
Kortuk

17

Genel olarak, CMOS geçitleri sadece durum değiştirdiklerinde akım kullanırlar. Bu nedenle, saat hızı ne kadar yüksek olursa, kapılar o kadar sık ​​değişiyor, böylece daha fazla akım değişiyor ve daha fazla güç tüketiliyor.


Eğer düşünürseniz, bu mantıklı değil. Tamamlanması için yaklaşık 10 saat döngüsü gerektiren rasgele bir hesaplama yapın. Eğer çalışma frekansınız 10Hz ise, o zaman bitmesi bir saniye sürer ve bu durumda çok fazla enerji tüketmeniz gerekir. Bununla birlikte, saat frekansınız sadece 1Hz olsaydı, 10 saniye (10 kez daha uzun) sürerdi, ancak her saatte yalnızca 1/10 enerji tüketirdiniz - enerji tüketimi doğrudan anahtarlama frekansına bağlı. Bu nedenle, genel güç tüketimi kesinlikle aynıdır.
sherrellbc

Gerçekten de, zaman başına daha fazla güç, daha yüksek frekanslarda tüketiliyor, ancak genel olarak, hiçbir şekilde net de yok.
sherrellbc

@sherrellbc Bu bir hesaplama için, güç düşük bir frekansta 10 saniye boyunca uzatılmış veya bir saniyede daha yüksek bir frekansta çalıştırılmış olsa da aynı olacaktır. Aslında bu prensip, pille çalışan cihazlarda güç tasarrufu sağlamak için kullanılır. Ancak, bir saniye boyunca yüksek frekansta olan güç, bir saniyede düşük frekansta olan gücün 10 katıdır - bu yüzden çip daha yüksek frekansta ısınır, ve onu sürmek için 10 kat daha fazla güç gerektirir.
tcrosley

Bu tam olarak benim açımdandı. Zaman başına harcanan güç arttırılır ve sonuç olarak bu enerji harcandıkça cihaz ısınır. Ben sadece zemine kıyasla genel güç tüketiminin (her iki cihazda tamamlanan eşdeğer hesaplamanın) tam olarak aynı olacağını belirtmiştim. Yüksek frekanslı cihaz daha fazla ısınacaktır, çünkü ısının ikinci yavaş çalıştırma cihazında olduğundan daha az zaman harcanması daha azdır. Kısacası, mesele şu ki, her iki cihazın da sadece farklı zaman aralıklarında aynı enerjiyi kullanması gerektiğidir.
sherrellbc

11

Her şey mantıklı seviye geçişleriyle ilgili.

Bir çıkışın herhangi bir biti değiştiğinde ... elektriksel değer yüksek veya düşük veya düşük ila yüksek arasında değişmelidir. Bu, güç kaynağından gücü çeker veya bir miktar gücü tekrar yer düzlemine boşaltır. Ayrıca verimsizliklerden dolayı biraz atık ısı üretir.

Saat hızını artırırsanız, birim zaman başına bu geçişlerin sayısını artırırsınız, bu nedenle bu mantık düzeyi geçişlerini beslemek için daha fazla güç kullanırsınız.

Artan voltaj gereksinimleri biraz farklıdır. Düşükten yükseğe geçiş için bir sinyal alır zaman yükselme süresi denir. Herhangi bir frekansta güvenli bir şekilde çalışabilmesi için mantığın bir sonraki saatin yeni değeri örneklemeden önce bu geçişi tutarlı bir şekilde yapabilmesi gerekir. Belirli bir noktada, mantık, belirli bir frekansın yükselme zamanı gereksinimlerini karşılayamaz. Burası voltajın yükselmesinin yardımcı olacağı yerdir, yükselme süresini azaltır.

Isı oldukça basittir. Çip, belirli bir saat hızı tarafından üretilen belirli bir miktarda ısıyı işlemek için tasarlanmıştır. Saat hızını artırarak geçiş sayısını artırın ve daha fazla atık ısı elde edeceksiniz. Hızaşırtma sırasında, soğutma sisteminin bu ısıyı giderme kabiliyetini kolayca kaldırabilirsiniz.


7

R ve C'nin paralel olduğu temel bir RC devresini düşünün. Amacımız bu devrenin çıkışında bir saatin olması - 0-5V 1KHz kare dalga. Bu yüzden saatin yüksek olmasını istediğimizde gerilim kaynağımızı açıyoruz ve çıkış 5V olana kadar kapasitörü şarj ediyor, 0V istediğimizde onu kapatıp boşalmasını sağlıyoruz. Şarj / deşarj süresi devrenin RC sabitiyle belirlenir. Bir sorun var - devre 1KHz'lik bir saat için yeterince hızlı şarj olmuyor. Ben ne yaparım?

Devrenin RC sabitini değiştiremeyiz - bu sabit. Bu yüzden kondansatörü bir şekilde daha hızlı şarj etmeliyiz, ancak yine de aynı voltajı doldurmalıyız. Bunu yapmak için, RC devresinin çıkış gerilimini izleyen ve daha hızlı şarj etmek için kapasitöre giden akımı değiştiren bir aktif devreye ihtiyacımız var. Daha fazla akım daha fazla güç demektir.

Daha hızlı bir saat istediğinizde, kapasitörü daha hızlı şarj etmeniz gerekir. Akımı iterek bir kapasitör şarj ediyorsunuz. Akım * voltaj = güç. Daha fazla güce ihtiyacın var!

Dijital bir sistemdeki her şey saate bağlanır ve her şeyin kapasitansı vardır. Bir saatte 100 TTL yonganız varsa, hepsini şarj etmek için çok fazla akım sürmek zorunda kalırsanız, aşağı çekmek için çok fazla akım çekmek gerekir. Ohm yasasının geçerli olmasının temel nedeni pasif değil aktif aygıtlar olmasıdır. Saatin olabildiğince mükemmel bir kare dalgaya yakın olmasını sağlamak için elektrik işleri yapıyorlar.

Bir mikrodenetleyiciyi overclock ederseniz ısınır

Evet - daha hızlı değişim, daha fazla akımın akması demektir ve güç voltaj * akımıdır. Gerilim aynı kalsa bile, kullanılan akım artar, dolayısıyla daha fazla güç tüketimi, daha fazla ısı.

Bir mikrodenetleyiciyi overclock ederseniz daha fazla voltaj gerektirir

Kısmen doğru - daha fazla voltaj gerektiriyor, mutlaka daha fazla voltaj gerektirmiyor. Mikrodenetleyici bir şekilde gereksinimlerini karşılamak için ekstra voltajı daha fazla akıma dönüştürüyor.

Bildiğim kadarıyla, AC frekansının voltajı veya gücü ile hiçbir ilgisi yoktur ve bir saat sadece bir DC ve bir (kare) AC'nin süper pozisyonudur. Frekans DC'yi etkilemez.

Sadece tamamen dirençli bir yük için. AC gücüyle birçok kandırmaca var.

Saat frekansı ve voltajı veya saat frekansı ve gücü ile ilgili bir denklem var mı?

Muhtemelen tutarlı bir tane değildir, fakat basit denklemlerle ilgilidir Q = CV, V = I * R, P = I * V

Unutmayın: Daha yüksek frekans => daha hızlı yükselme süresi => kapasitörleri daha hızlı doldurmalıdır => daha fazla şarj => daha fazla akım => daha fazla güç .


Daha hızlı doldurduğunuzu görmemek için onları daha sık doldurup boşaldığınızı söylemenin daha doğru olduğunu düşünüyorum. Sadece frekanslarına yaklaştığınızda voltaj artar.
Kortuk

Ne söylediğini bildiğini düşünüyorum, ama nasıl karşılaştırdığına dair bir yorumda açık olmak istedim.
Kortuk

Daha yüksek frekansta daha hızlı yapmak zorundasınız - yavaş bir rampa alamazsınız çünkü kare dalganız çok yavaşsa üçgen bir dalgaya dönüşebilir. Bunu daha sık yapmak da daha da kötüleşiyor, ancak bu AC gücü ve beni
şaşırtıyor

1

Güç = anahtarlama faktörü * Kapasite * (VDD ^ 2) * frekansı.

Hızlı saat daha yüksek anahtarlama faktörüne ve ayrıca daha yüksek frekansa sahip olduğu için daha yüksek dinamik güç tüketimi.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.