为什么更快的时钟需要更多功率？

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如果您对微控制器进行超频，它会变热。

如果您对微控制器进行超频，则需要更多电压。

用某种抽象的方式讲是有意义的：它正在执行更多的计算，因此需要更多的能量（并且不够完美，其中一些能量会随着热量散发）。

但是，从一个简单的旧欧姆定律水平来看，电和磁是怎么回事？

为什么时钟频率与功耗或电压有关？

据我所知，交流电的频率与它的电压或功率无关，而时钟只是直流电和（方形）交流电的叠加。频率不影响直流。

是否存在一些有关时钟频率和电压或时钟频率和功率的方程式？

我的意思是，高速振荡器比低速振荡器需要更多的电压或功率吗？

frequency oscillator low-power

— 杰克·施密特
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感谢您的出色回答。我缺少的一个关键点是（1MHz Atmel风格）CMOS在不执行任何操作时实际上并没有消耗太多电流。TTL确实一直在使用电流，这比我想象的要多。我真的很喜欢电容器充电的答案；这给出了“计算”需要能量的更清楚的原因。我希望我可以接受多个答案。

— 杰克·施密特

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所需电压的影响远大于时钟速度，但是您是正确的，对于更高的速度，通常将需要更高的电压。

为什么功耗增加？

这比简单的电路要复杂得多，但是您可以认为它与RC电路相似。

等效电路

在直流电下，RC电路不消耗功率。在无穷大的频率上，这是无法实现的，但是从理论上讲，您始终可以解决这个问题，电容器起着短路的作用，而您剩下一个电阻。这意味着您的负载很简单。随着频率的降低，电容器会存储和放电功率，从而导致整体上消耗的功率减少。

什么是微控制器？

在内部，它由许多配置为CMOS的 MOSFET组成。

如果您尝试更改MOSFET栅极的值，则只是在对电容器充电或放电。这是我很难向学生解释的概念。晶体管的作用很多，但对我们而言，它就像是栅极上的电容器。这意味着在模型中，CMOS将始终具有电容负载。

维基百科上有我将参考的CMOS反相器的图像。

CMOS反相器的输出标记为Q。在微控制器内部，您的输出将驱动其他CMOS逻辑门。当输入A从高变低时，Q上的电容必须通过底部的晶体管放电。每次给电容器充电时，都会看到用电量。您可以在Wikipedia上的电源开关和泄漏下看到这一点。

为什么电压必须上升？

随着电压的增加，可以更容易地将电容驱动到逻辑阈值。我知道这似乎是一个简单的答案，但就是这么简单。

当我说驱动电容更容易时，我的意思是，就像在mazurnification中所说的那样，将在阈值之间更快地驱动电容：

随着增加的电源驱动能力，MOS晶体管也随之增加（更大的Vgs）。这意味着来自RC的实际R减小，这就是栅极更快的原因。

关于功耗，由于门极电容很小，所以通过栅极电容的泄漏很大，Mark为此需要补充一点：

较高的电压导致较高的泄漏电流。在像现代台式机这样的高晶体管数量的设备中，CPU的漏电流可占大部分功耗。随着制程规模的缩小和晶体管数量的增加，泄漏电流变得越来越重要。

— 科尔图克
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我会添加一些信息：较高的电压会导致较高的泄漏电流。在像现代台式机这样的高晶体管数量的设备中，CPU的漏电流可占大部分功耗。随着制程规模的缩小和晶体管数量的增加，泄漏电流变得越来越重要。

— 标记

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其次，由于电容器如何充电，较高的电压可使晶体管更快地切换。我们知道电容器会在1个时间常数内充电至输入电压的63％，如果我们提高输入电压，则该电压的63％显然会更高，这意味着晶体管将花费更少的时间充电至ON电压用于晶体管。因此，较高的电压并不会使开关更容易，而是会更快。

— 标记

我说轻松一点的意思是说更快。让我更正一下并添加您的额外报价。

— Kortuk

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关于为什么增加电压会减少开关时间的部分是不正确的。CMOS门的阈值也将随电源电压而变化（并且在合理的电源范围内或多或少等于电源的恒定部分，例如50％）。由于电压的百分比变化不取决于电源（无论电源如何，一个RC总是约63％），这不是电源进行计量的原因。随着增加的电源驱动能力，MOS晶体管也随之增加（更大的Vgs）。这意味着来自RC的实际R减小，这就是栅极更快的原因。

— mazurnification 2011年

@mazurnification，老实说，我不记得为什么，并接受了别人说的话。我发现有人更了解他们会放弃它。你的解释是有道理的，我和我在编辑它。

— Kortuk

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通常，CMOS门仅在切换状态时才使用电流。因此，时钟速度越快，栅极切换的频率就越高，因此切换的电流就越大，功耗就越大。

— 克罗斯利
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如果您考虑一下，这是没有意义的。考虑一个需要大约10个时钟周期才能完成的任意计算。如果您的工作频率为10Hz，则需要一秒钟才能完成，并且您已消耗掉了该过程中所需的大量能量。但是，如果您的时钟频率仅为1Hz，则将花费10秒（长10倍），但是在每个时钟上，您仅消耗1/10的能量-能耗与开关频率成正比。因此，总功耗完全相同。

— sherrellbc 2014年

因此，确实，在更高的频率下，每单位时间消耗的功率更多，但总的来说，两种方法都没有网。

— sherrellbc 2014年

@sherrellbc对于该计算，无论是在较低频率下拉伸10秒钟还是在较高频率下执行一秒钟，功率都是相同的。实际上，该原理用于节省电池供电设备的功率。但是高频下一秒钟的功率是低频下一秒钟的功率的10倍-这就是为什么芯片在高频下发热的原因，并且需要10倍的功率来驱动它。

— tcrosley14年

那正是我的意思。单位时间所消耗的功率会增加，因此，随着该能量的消耗，设备将开始发热。我只是说，在水平地面上进行比较（即在两个设备上完成的等效计算）时，总功耗将完全相同。较高频率的设备将加热得更多，因为与后一种较慢的操作设备相比，热量散发的时间更少。简而言之，我想简单地说，这两个设备只是在不同的时间间隔内消耗完全相同的能量。

— sherrellbc 2014年

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好吧，这全都与逻辑级别转换有关。

当输出的任何一位发生变化时...电气值必须从高变低，或从低变高。这会从电源中拉出电源，或将一些电源转储回接地平面。由于效率低下，还会产生少量废热。

如果增加时钟速率，则会增加每单位时间这些转换的数量，因此将使用更多的功率来提供这些逻辑电平转换。

更高的电压要求略有不同。信号从低到高过渡所需的时间称为上升时间。为了在任何给定频率下安全工作，逻辑电路必须能够在下一个时钟采样新值之前始终进行此转换。在某个时候，逻辑将无法满足特定频率的上升时间要求。这是提高电压的地方，因为它减少了上升时间。

热很简单。该芯片旨在处理一定时钟速率下产生的一定量的热量。通过提高时钟速率来增加转换次数，您将获得更多的废热。超频时，您可以轻松地超过冷却系统的散热能力。

— 达伦
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考虑一个基本的RC电路，其中R和C并联。我们的目标是在该电路的输出端有一个时钟-0-5V 1KHz方波。因此，当我们希望时钟为高电平时，我们打开电压源并对其充电，直到输出为5V；而当我们希望为0V时，我们将其关闭并使其放电。充电/放电时间由电路的RC常数确定。有一个问题-电路无法为1KHz时钟足够快地充电。我该怎么办？

我们无法更改电路的RC常数-它是固定的。因此，我们必须以某种方式更快地给电容器充电，但仍然需要保持相同的充电电压。为此，我们需要一个有源电路来监视RC电路的输出电压，并改变流入电容器的电流以使其更快地充电。更大的电流意味着更大的功率。

当您想要更快的时钟时，您需要更快地给电容器充电。您可以通过向电容器中注入电流来对其进行充电。电流*电压=功率。您需要更多动力！

数字系统中的所有组件都与时钟相连，并且所有组件都具有电容。如果一个时钟上有100个TTL芯片，则它必须驱动大量电流才能对所有芯片充电，然后消耗大量电流才能将其下拉。 欧姆定律不成立的根本原因是因为它们是有源器件，而不是无源器件。 他们进行电气工作以迫使时钟尽可能接近完美的方波。

如果您对微控制器超频，它会变热

是的-更快的更改意味着更多的电流流动，而功率就是电压*电流。即使电压保持不变，使用的电流也会增加，因此更多的功耗和更多的热量。

如果您对微控制器进行超频，则需要更多电压

部分正确-它需要更多的功率，而不一定需要更多的电压。微控制器以某种方式将额外的电压转换为更多的电流以满足其需求。

据我所知，交流电的频率与它的电压或功率无关，而时钟只是直流电和（方形）交流电的叠加。频率不影响直流。

仅用于纯电阻负载。交流电源发生了很多麻烦。

是否存在一些有关时钟频率和电压或时钟频率和功率的方程式？

可能不是一个一致的方程，但与简单方程Q = CV，V = I * R，P = I * V有关

只需记住：更高的频率=>更快的上升时间=>必须更快地填充电容器=>更多的电荷=>更多的电流=> 更多的功率。

— 愤怒的EE
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我认为说您正在更频繁地填充和清空它们而不是看到您的处理速度更快是更准确的。只有当您接近它们的频率时，才增加电压。

— Kortuk

我想您知道您在说什么，但我只是想在评论中清楚说明您的比较方式。

— Kortuk

在较高的频率下，您必须更快地执行它-您不能承受缓慢的斜坡，因为如果太慢，方波可能会变成三角波。经常这样做也会使情况变得更糟，但这是交流电源，这使我感到困惑:)

— AngryEE 2010年

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功率=开关系数*电容*（VDD ^ 2）*频率。

由于快速时钟具有较高的开关因数以及较高的频率，因此具有较高的动态功耗。

— 尚卡迪普·穆克吉
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