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?
źródło
Odpowiedzi:
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:
W odniesieniu do zużycia energii, ze względu na to, jak małe są tranzystory, występuje duży wyciek przez pojemność bramki, Mark miał trochę do dodania:
źródło
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.
źródło
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.
źródło
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.
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.
Częściowo prawda - potrzebuje więcej mocy, niekoniecznie więcej napięcia. Mikrokontroler przetwarza w pewien sposób dodatkowe napięcie na więcej prądu, aby zrealizować swoje potrzeby.
Tylko dla czysto rezystancyjnego obciążenia. Z zasilaniem prądu przemiennego dzieje się wiele sztuczek.
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 .
źródło
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.
źródło