¿Por qué un reloj más rápido requiere más potencia?

El voltaje requerido se ve afectado significativamente más que la velocidad del reloj, pero usted es correcto, para velocidades más altas necesitará voltajes más altos en general.

¿Por qué aumenta el consumo de energía?

Esto es mucho más complicado que un circuito simple, pero puedes pensar que es similar a un circuito RC.

Circuito RC equivalente

En CC, un circuito RC no consume energía. A una frecuencia de infinito, que no es alcanzable, pero siempre puede resolver esto teóricamente, el condensador actúa como un cortocircuito y queda una resistencia. Esto significa que tienes una carga simple. A medida que disminuye la frecuencia, el condensador almacena y descarga la energía, lo que causa una menor cantidad de energía disipada en general.

¿Qué es un microcontrolador?

En su interior se compone de muchos MOSFET en una configuración que llamamos CMOS .

Si intenta cambiar el valor de la puerta de un MOSFET, solo está cargando o descargando un condensador. Este es un concepto que me cuesta mucho explicar a los estudiantes. El transistor hace mucho, pero para nosotros solo se ve como un condensador de la compuerta. Esto significa que en un modelo, el CMOS siempre tendrá una carga de capacitancia.

Wikipedia tiene una imagen de un inversor CMOS a la que haré referencia.

ElinversorCMOStieneunasalidaconlaetiquetaQ.Dentrodeunmicrocontrolador,susalidaimpulsaráotraspuertaslógicasCMOS.CuandosuentradaAcambiadealtaabaja,lacapacitanciaenQdebedescargarseatravésdeltransistorenlaparteinferior.Cadavezquecargueuncondensadorveráunusodeenergía.Puedeverestoen wikipedia bajo conmutación de potencia y fugas .

¿Por qué tiene que subir el voltaje?

A medida que aumenta el voltaje, facilita la conducción de la capacitancia hasta el umbral de su lógica. Sé que esto parece una respuesta simplista, pero es así de simple.

Cuando digo que es más fácil controlar la capacitancia, quiero decir que se moverá entre los umbrales más rápido, como dice la mazurnificación:

  

Con una mayor capacidad de alimentación de suministro del transistor MOS también aumenta (Vgs más grandes). Eso significa que la R real de RC disminuye y es por eso que la compuerta es más rápida.

En relación con el consumo de energía, debido a lo pequeños que son los transistores, hay una gran fuga a través de la capacitancia de la compuerta, Mark tuvo algo que agregar sobre esto:

  

mayor voltaje da como resultado una mayor corriente de fuga. En dispositivos de alto recuento de transistores, como una corriente de fuga de CPU de escritorio moderna, puede representar la mayor parte de la disipación de energía. a medida que se reduce el tamaño del proceso y aumentan los conteos de transistores, la corriente de fuga se convierte cada vez más en la estadística crítica de uso de energía.

En general, las puertas CMOS solo usan la corriente cuando cambian de estado. Entonces, cuanto más rápida es la velocidad del reloj, más a menudo se cambian las puertas, por lo que se cambia la corriente y se consume más energía.

Bueno, se trata de transiciones de nivel lógico.

Cuando cualquier bit de una salida cambia ... el valor eléctrico debe pasar de alto a bajo, o de bajo a alto. Esto extrae la energía de la fuente de alimentación, o descarga algo de energía nuevamente al plano de tierra. También genera un poco de calor residual debido a ineficiencias.

Si aumenta la velocidad del reloj, aumenta el número de estas transiciones por unidad de tiempo, por lo tanto, utiliza más poder para alimentar estas transiciones de nivel lógico.

El aumento de los requisitos de voltaje es un poco diferente. El tiempo que tarda una señal en pasar de bajo a alto se denomina tiempo de subida. Para operar de manera segura en cualquier frecuencia, la lógica debe poder realizar esta transición de manera consistente antes de que el siguiente reloj muestree el nuevo valor. En cierto punto, la lógica no podrá cumplir con los requisitos de tiempo de subida de una frecuencia particular. Aquí es donde ayudará a aumentar el voltaje, ya que disminuye el tiempo de aumento.

El calor es bastante simple. El chip está diseñado para manejar una cierta cantidad de calor generado por una cierta velocidad de reloj. Aumente el número de transiciones al aumentar la velocidad de reloj y obtendrá más calor residual. Cuando hace overclocking, puede superar fácilmente la capacidad del sistema de enfriamiento para eliminar ese calor.

Piense en un circuito RC básico donde R y C están en paralelo. Nuestro objetivo es tener un reloj en la salida de este circuito: una onda cuadrada de 0-5V 1KHz. Entonces, cuando queremos que el reloj sea alto, encendemos nuestra fuente de voltaje y se carga el condensador hasta que la salida está a 5 V, y cuando queremos 0 V, lo apagamos y dejamos que se descargue. El tiempo de carga / descarga está determinado por la constante RC del circuito. Hay un problema: el circuito no se carga lo suficientemente rápido para un reloj de 1 KHz. ¿Qué hago?

No podemos cambiar la constante RC del circuito, es fijo. Así que tenemos que cargar el condensador más rápido de alguna manera, pero aún tenemos el mismo voltaje cargado. Para hacer esto, necesitamos un circuito activo que controle la tensión de salida del circuito RC y varíe la corriente que entra en el condensador para cargarlo más rápido. Más actual significa más poder.

Cuando quiere un reloj más rápido, necesita cargar el capacitor más rápido. Usted carga un capacitor empujando corriente hacia él. Corriente * voltaje = potencia. ¡Necesitas más poder!

Todo en un sistema digital está vinculado al reloj y todo tiene capacidad. Si tiene 100 chips TTL en un reloj, tiene que conducir mucha corriente para cargarlos a todos, luego dibuje mucha corriente para bajarlos. La razón fundamental por la que no se cumple la ley de ohms es que se trata de dispositivos activos, no pasivos. Hacen un trabajo eléctrico para hacer que el reloj esté lo más cerca posible de una onda cuadrada perfecta.

  

Si sobrecargas un microcontrolador se calienta

Sí: un cambio más rápido significa más flujo de corriente y la potencia es voltaje * corriente. Incluso si el voltaje permanece igual, la corriente utilizada aumenta, por lo que más disipación de energía, más calor.

  

Si sobrecargas un microcontrolador, necesita más voltaje

Parcialmente cierto: necesita más potencia, no necesariamente más voltaje. El microcontrolador está convirtiendo de alguna manera el voltaje adicional a más corriente para satisfacer sus necesidades.

  

Por lo que sé, la frecuencia de CA no tiene nada que ver con su voltaje o potencia, y un reloj es simplemente una superposición de una CC y una CA (cuadrada). La frecuencia no afecta al CD.

Solo para una carga puramente resistiva. Hay muchos engaños con la alimentación de CA.

  

¿Existe alguna ecuación que relacione la frecuencia y el voltaje del reloj o la frecuencia y la potencia del reloj?

Probablemente no sea consistente, pero está relacionado con las ecuaciones simples Q = CV, V = I * R, P = I * V

Solo recuerda: Mayor frecuencia = > tiempo de subida más rápido = > debe llenar los condensadores más rápido = > más cargo = > más actual = > más poder .

Potencia = factor de conmutación * Capacitancia * (VDD ^ 2) * frecuencia.

Como el reloj rápido tiene un factor de conmutación más alto, y también una frecuencia más alta, por lo tanto, un mayor consumo dinámico de energía.