W jaki sposób urządzenia / urządzenia pobierają więcej prądu w razie potrzeby?

Załóżmy, że mam komputer stacjonarny i postanawiam zrobić coś, co wymaga większej mocy obliczeniowej. W takim przypadku mój komputer pobierze więcej prądu, aby zwiększyć moc. Jak przeprowadzany jest ten wzrost prądu? Czy mój komputer otwiera więcej równoległych obwodów, więc zmniejsza się całkowita rezystancja? czy mają elektroniczny potencjometr lub coś zupełnie innego. Czy technika zastosowana w komputerze stacjonarnym jest taka sama, jak w przypadku zmiany temperatury piekarnika?

Każda pomoc jest mile widziana.

Postanawiam zrobić coś, co wymaga większej mocy obliczeniowej. W takim przypadku mój komputer pobierze więcej prądu, aby zwiększyć moc.

Odwrotnie: komputer zrobi więcej rzeczy, w wyniku czego zużyje więcej energii.

Czy mój komputer otwiera więcej równoległych obwodów, więc zmniejsza się całkowita rezystancja?

To z grubsza prawda. Poza tym, że komputery tak naprawdę nie działają przy ciągłym przepływie prądu, działają w impulsach napędzanych przez wewnętrzny zegar; każda czynność polega na pobraniu prądu w celu włączenia tranzystora lub zatopieniu prądu w celu jego ponownego wyłączenia. Razy miliard tranzystorów, miliard razy na sekundę. Więcej obliczeń wymaga więcej tranzystorów.

Na wysokim poziomie, tak, masz rację, że komputer otwiera więcej tranzystorów lub przynajmniej przełącza więcej tranzystorów, gdy zużywa więcej prądu. Na przykład, jeśli masz multiplikator sprzętowy i na ogół go nie używasz, tranzystory w multiplikatorze nie włączają się, a zatem nie pobierają dużego prądu. Jeśli kod zażąda teraz pomnożenia, tranzystory w nim zaczną się przełączać, co obniży rezystancję między VDD a masą. To przyciągnie więcej prądu. Pobór prądu obniży napięcie VDD. Teraz regulator napięcia przełączania wykryje spadek napięcia i uruchomi się przy wyższym cyklu pracy, aby umożliwić wysoką wydajność prądową i w przybliżeniu stałe napięcie.

Na wysokim poziomie obwody żądają większego prądu poprzez obniżenie ich rezystancji, ponieważ większość obwodów działa ze źródłem stałego napięcia.

Współczesne komputery używają bramek logicznych, które są zaprojektowane tak, aby zużywały bardzo mało energii, gdy są w stanie ustalonym, ale które wymagają dużej mocy, aby przełączyć je z jednego stanu do drugiego.

Jeśli komputer jest bezczynny, procesor będzie przez większość czasu w stanie uśpienia. Większość obwodów nic nie robi, a więc zużywa mało energii. To samo dotyczy innych komponentów, takich jak GPU karty graficznej.

Jeśli dasz temu coś do roboty, nagle wykona więcej pracy. Bramy włączają się i wyłączają częściej, więc pobierają większą moc.

Ponadto wiele komputerów, zwłaszcza laptopów, zaprojektowano tak, aby wyłączały całe części komputera, jeśli nie są używane. Na przykład kamera internetowa w laptopie będzie wyłączona, dopóki nie otworzysz aplikacji, która z niej korzysta.

Istnieje kilka mechanizmów poboru mocy na poziomie układu.

Po przełączeniu obwodów we wszystkich tranzystorach i interkonektach znajdują się wewnętrzne kondensatory pasożytnicze (wewnętrznie na chipach i zewnętrznie). Kondensatory te muszą być ładowane i rozładowywane, gdy węzły obwodu są przełączane z wyłączenia na włączenie (lub włączenie na wyłączenie). Kondensatory są małe, ale kiedy masz ich miliardy, przełącza się miliardy razy na sekundę, to sumuje się. (moc ta jest faktycznie rozpraszana przez rezystancję elementu obwodu, w tym rezystancję pasożytniczą w pasożytniczych kondensatorach)

Wszystkie elementy obwodu mają również rezystancję, więc przepływ prądu w dowolnym miejscu w obwodach wytwarza ciepło i zużywa energię. Gdy węzły obwodu zmieniają się, pasożytnicze kondensatory w urządzeniach po stronie obciążenia muszą zostać zmienione lub rozładowane, a to wymaga przepływu prądu, który z kolei wytwarza ciepło i zużywa energię.

Zużycie energii związane z tymi dwoma efektami różni się w zależności od liczby operacji przełączania węzłów wewnętrznych, co oznacza, że ​​zużycie energii zmienia się w zależności od aktywności (i szybkości zegara) procesora i innych elementów.

Tranzystory i inne elementy wewnątrz układów scalonych również mają prąd upływowy. Tworzy to wyjściowe (statyczne) zużycie energii, które nadal występuje, gdy procesor jest nieaktywny. Wiele nowoczesnych systemów małej mocy wyłącza zasilanie całych podsystemów procesora i innych układów podczas stanu uśpienia lub nieaktywności, aby zminimalizować to statyczne zużycie energii.

Istnieją inne mechanizmy zużycia energii w komputerach (moc spoczynkowa zasilacza itp.), Ale powinny one pomóc ci zrozumieć, dlaczego zużycie energii jest zmienne i dlaczego nadal występuje pewien pobór mocy, gdy nie wykonuje się żadnej pracy.

Różne układy scalone w komputerze będą miały inny bieżący pobór. Oto niektóre dane z Atmega328P, prostego 8-bitowego mikrokontrolera 16 MHz używanego w Arduino Uno i innych podobnych płytach.

Różne układy scalone w komputerze będą miały inny bieżący pobór. Oto niektóre dane z Atmega328P, prostego 8-bitowego mikrokontrolera 16 MHz używanego w Arduino Uno i innych podobnych płytach.

Przykład: Oblicz oczekiwany pobór prądu w trybie bezczynności z włączonymi TIMER1, ADC i SPI przy VCC = 2,0 V i F = 1 MHz. Z tabeli Dodatkowe zużycie prądu (procent) w trybie aktywnym i bezczynności w poprzedniej sekcji, w trzeciej kolumnie, widzimy, że musimy dodać 14,5% dla TIMER1, 22,1% dla ADC i 15,7% dla modułu SPI. Po odczytaniu wartości prądu bezczynności zasilania z niską częstotliwością (0,1-1,0 MHz) stwierdzamy, że pobór prądu bezczynności wynosi ~ 0,045 mA przy VCC = 2,0 V i F = 1 MHz. Całkowity pobór prądu w trybie bezczynności z włączonymi TIMER1, ADC i SPI daje: ICCałkowity ≃ 0,045 mA⋅ (1 + 0,145 + 0,221 + 0,157) ≃ 0,069 mA

(Pomaga otworzyć arkusz danych, aby przejrzeć różne tabele).

W przypadku komputera pracującego z częstotliwością 3,2 GHz (200 razy szybciej) i być może napięciem logicznym rdzenia 1,8 V (i 4 lub 8 rdzeni do wielowątkowości), napięciem we / wy 3,3 V, rozmową z pamięcią i układami wideo oraz kontrolerem dysku twardego i USB w przypadku kontrolerów i kontrolera Ethernet lub bezprzewodowego obliczenia byłyby podobne, przy czym każdy układ dodawałby własną sumę do sumy. Możesz zobaczyć, dlaczego procesor komputera ma duży radiator na górze z wentylatorem nadmuchującym nad nim powietrze.

Dzieje się tak, że komputer nie zwiększa poboru mocy, a raczej zużywa więcej dostępnej energii. Każda część komputera ma małe tranzystory, które działają jak przełączniki. Aby utrzymać je otwarte lub zmienić ich stan, potrzebna jest odrobina mocy.

Przy dodawaniu lepszych lub bardziej złożonych komponentów rośnie wymagana energia do przełączania tych tranzystorów, ponieważ jest ich więcej. Oczywiście jest więcej czynników, takich jak rozmiar tranzystora, upływ itp., Ale na najbardziej podstawowym poziomie tak się dzieje.

Istnieje również limit ilości dostarczanej energii, zwykle określany przez zasilacz. Wyobraź to sobie analogicznie: gdy jeździsz na rowerze, musisz włożyć w to pewną ilość energii. Teraz dostajesz nowy rower z lepszymi kołami, ale to wymaga, abyś włożył w niego więcej siły. To nie koła „proszą” o więcej mocy. Po prostu trzeba się ruszać i iść dalej. Oczywiście istnieje również limit ilości energii, którą można w nią włożyć, zanim okaże się, że jest jej za dużo. Jeśli będziesz kontynuować, odczuwasz ból mięśni.

Jeśli komputer pobiera zbyt dużą moc, staje się niestabilny, podobnie jak nie będziesz w stanie korzystać z roweru, który kosztuje zbyt dużo energii, aby się z nim obchodzić. Krótko mówiąc, to nie komputer decyduje o tym, ile mocy powinien pobrać, ale elementy, które wyciągają tę moc z zasilacza i dostarczają tyle, ile mogą.

Narysujmy obraz (schemat połączeń, schemat) do zilustrowania

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Wraz ze wzrostem prądu obciążenia zmienia się napięcie linii elektroenergetycznej z 99,999 woltów na 99,998 woltów.

Zwróć uwagę, że bardzo niska Rezystancja linii energetycznej jest przyczyną prawie stałego napięcia linii energetycznej.