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[導(dǎo)讀]隨著便攜式多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將電池壽命推向極限,他們正把前所未有的時(shí)間花在研究不同硅供應(yīng)商提供的功耗數(shù)據(jù)上。以牙還牙式的比較通常是困難的,因?yàn)樽兞繉?shí)在是太多了,而且競爭器件之間的關(guān)鍵差異常常遠(yuǎn)不是那么明顯。

隨著便攜式多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將電池壽命推向極限,他們正把前所未有的時(shí)間花在研究不同硅供應(yīng)商提供的功耗數(shù)據(jù)上。以牙還牙式的比較通常是困難的,因?yàn)樽兞繉?shí)在是太多了,而且競爭器件之間的關(guān)鍵差異常常遠(yuǎn)不是那么明顯。



音頻輸入和輸出子系統(tǒng)尤其困難,因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)包含模擬和數(shù)字電路,而且通常需要幾個(gè)不同的電源電壓。其結(jié)果是,制造商針對這些器件提供的數(shù)據(jù)常常與實(shí)際使用案例不相關(guān),在有些情況下甚至完全起誤導(dǎo)作用。不過,熟悉相關(guān)電路的基本知識、深入理解歐姆定律和拒絕相信制造商的面值數(shù)據(jù),可以幫助設(shè)計(jì)工程師看穿這一令人糊涂的迷霧。

每個(gè)功耗數(shù)字到底包括了什么?

它可能看起來很明顯,但理解每一個(gè)功耗數(shù)字包括了什么電路是計(jì)算系統(tǒng)總體功耗的關(guān)鍵。不過,如果僅憑一本數(shù)據(jù)手冊來進(jìn)行這項(xiàng)工作,那么常常是說比做容易?,F(xiàn)在讓我們思考一個(gè)便攜式系統(tǒng)的音頻輸出。圖1顯示了所有主要的功能塊。鏈上最后的幾塊(如數(shù)字信號增強(qiáng)、DAC、模擬混音和放大)通常集成在一個(gè)器件中,泛稱為“音頻DAC”。

不過,當(dāng)這類器件的數(shù)據(jù)手冊列明“DAC功耗”或“DAC電源電流”時(shí),它絕對僅指的是DAC本身,不會包括放大器和其它電路。那么如果說“回放到耳機(jī)”又如何呢?那會包括片上信號增強(qiáng)功能(如限幅、3D信號增強(qiáng)或均衡)嗎?很有可能不會,因?yàn)楣韫?yīng)商很少有勇氣使他們的器件在與競爭對手比較時(shí)看起來更差。有些硅供應(yīng)商甚至詳細(xì)說明DAC電源電流不包括數(shù)字音頻接口。很明顯,這與任何實(shí)際的使用案例沒有任何類似之處,因?yàn)榻涌诒仨毶想姴拍芙邮沼糜诨胤诺囊纛l數(shù)據(jù)。

讓事情變得進(jìn)一步復(fù)雜的是,這些器件的系統(tǒng)架構(gòu)也是不同的。例如,音量控制既可以用軟件在CPU上實(shí)現(xiàn),也可以在音頻芯片的數(shù)字部分實(shí)現(xiàn),或采用音頻芯片中的模擬增益可編程放大器實(shí)現(xiàn)。一個(gè)有益的明智的檢查是確定需要什么樣的功能,檢查這些音頻功能在哪個(gè)物理器件中實(shí)現(xiàn),以及確保每個(gè)功能的功耗都已計(jì)算在內(nèi)。
  
揚(yáng)聲器和耳機(jī)的功耗通常占據(jù)總體功耗的一大塊。由于這一功率實(shí)際上并不是在IC中消耗,因此它幾乎從不包含在IC數(shù)據(jù)手冊中。幸運(yùn)的是,它可以很容易地從P = V2RMS / Z公式中計(jì)算出來,這里VRMS是整個(gè)揚(yáng)聲器的RMS電壓,Z是其阻抗(如是立體聲揚(yáng)聲器,別忘記把這一數(shù)字乘以2?。?。困難的地方是選擇一個(gè)實(shí)際的VRMS。盡管最大的VRMS可以輕易地從放大器輸出的擺幅中計(jì)算出來,但在現(xiàn)實(shí)中VRMS取決于終端用戶的音量設(shè)置。即便在最大音量情況下,同一段音樂的高音和低音通道上的VRMS也是不同的,因此假定一個(gè)滿刻度信號幾乎是不可能的。
  
為了在不同的音頻器件之間進(jìn)行一個(gè)有意義的比較,就需要一個(gè)共同的基準(zhǔn)。例如,日本JEITA CP-2905B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,帶耳機(jī)輸出的系統(tǒng)的電池壽命應(yīng)當(dāng)在16Ω負(fù)載上驅(qū)動(dòng)0.2mW (每通道0.1mW)時(shí)進(jìn)行測量。
  
該信號是什么?
  
驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器和耳機(jī)的放大器是另一個(gè)特別耗電的器件。目前業(yè)界的常見做法是列明它們的靜態(tài)功耗,也即絕對安靜地播放(在數(shù)字域的表示是一串零)。不過,只要有一個(gè)實(shí)際的信號通過該系統(tǒng),放大器(以及負(fù)載)上的功耗就會增加。
 
無疑,放大器電源電流應(yīng)該可以用一個(gè)非零信號來表達(dá),但應(yīng)該用一個(gè)什么樣的信號呢?一些標(biāo)準(zhǔn)(如JEITA CP-2905B)經(jīng)常使用一個(gè)1kHz正弦波,因?yàn)樗苋菀咨?。不過,它和現(xiàn)實(shí)世界中的用戶聽到的任何聲音或音樂幾乎沒有雷同之處。粉紅噪聲(如同IEC 60268-5標(biāo)準(zhǔn)針對揚(yáng)聲器定義的那樣)可能與放大器電源電流更接近,盡管從根本上來說沒有一種信號能夠映射無限變化的音樂。


  
在比較放大器時(shí),另外一個(gè)值得牢記的地方是,它們的功率效率取決于信號幅度。精確的關(guān)系取決于放大器(見圖2)。例如,在靜態(tài)條件下,D類放大器因?yàn)殚_關(guān)損失可能要比等效的線性放大器消耗更多的功率。同樣地,由于線性放大器在高音量時(shí)效率更高,它們在滿刻度處的效率可以接近D類放大器。
  
不過,這些信號幅度的極端部分在很大程度上是不相關(guān)的,因?yàn)闆Q定電池壽命的戰(zhàn)役主要在信號幅度的中部打響,現(xiàn)實(shí)世界中的放大器主要在這里花費(fèi)大多數(shù)時(shí)間。D類放大器正是在這里贏得了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可,因?yàn)樗墓β兽D(zhuǎn)換效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線性放大器。
  
數(shù)字電路又如何?
  
放大器并不是靜態(tài)功耗低于工作功耗的唯一電路,其它模擬電路(如混音器和增益可編程放大器)和數(shù)字CMOS電路也是這樣。對CMOS電路來說,功耗在很大程度上是1和0狀態(tài)位轉(zhuǎn)換頻率的函數(shù),因此一個(gè)僅由0狀態(tài)位(即靜態(tài))構(gòu)成的信號只需要極低的電源電流。為了得到有意義的數(shù)據(jù),所有的器件應(yīng)該處理一個(gè)真實(shí)的非零信號。
  
另一個(gè)要考慮的因素是數(shù)字音頻信號的采樣速率。大部分?jǐn)?shù)字和混合信號電路每樣本轉(zhuǎn)換一次,因此它們的平均功耗直接與每秒樣本數(shù)成正比。當(dāng)比較音頻DAC或ADC時(shí),應(yīng)該注意手冊上標(biāo)明的電源電流是不是采用相同的采樣速率作為基準(zhǔn)。

如果順著信號鏈再往上看,源音頻文件(如一個(gè)MP3文件的位速率)的編碼質(zhì)量可以影響解碼器的功耗。位速率和緩沖器大小決定了從存儲介質(zhì)中恢復(fù)數(shù)據(jù)的頻繁程度。這在基于硬盤的系統(tǒng)中尤其重要,因?yàn)槊恳淮未疟P讀取都會導(dǎo)致一個(gè)很大的尖峰電池電流。
  
很多音頻IC(如DAC或ADC)可以配置成主或從器件。在主模式,音頻IC驅(qū)動(dòng)數(shù)字音頻接口,因此比從模式需要更多的電流,毫不奇怪,它們在手冊上標(biāo)明的功耗通常都是在從模式下測得的。那么,這是否意味著從模式總是更受歡迎呢?當(dāng)然不是。畢竟,如果該音頻IC沒有驅(qū)動(dòng)接口,那么另一端的對應(yīng)器件就必須做這一工作,因此功耗僅僅只是從系統(tǒng)的這一端移到了另一端,并沒有消除掉。
  
當(dāng)手冊上標(biāo)明是主模式下的功耗時(shí),必須注意負(fù)載電容,因?yàn)樗鼪Q定到底需要多少額外電流。如果手冊上的數(shù)字假定是在“最糟糕”的大負(fù)載電容下測得的,現(xiàn)實(shí)情況就可能比手冊上的規(guī)格好很多。可實(shí)際情況正好相反,IC供應(yīng)商可能通過采用不切實(shí)際的低負(fù)載電容人為地操弄這些功耗數(shù)字。
 
一些音頻器件有特殊的時(shí)鐘模式,它可消除對非常耗電的低抖動(dòng)PLL的需要,但這一模式只能在主模式下使用。例如,許多歐勝

音頻DAC和CODEC都具有一個(gè)“USB模式”,在該模式下音頻時(shí)鐘可直接從一個(gè)12MHz USB時(shí)鐘中生成。在這一情況下,集成時(shí)鐘節(jié)省的功率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在音頻IC中消耗的功率。
  
電源
  
除了最簡單的音頻IC,所有的音頻IC都使用一個(gè)以上電源軌。一個(gè)典型的電路包括至少一個(gè)模擬電源、一個(gè)針對音頻和控制接口的數(shù)字I/O電源、以及一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字核心電源。IC的總功耗是每個(gè)電源軌上消耗的功率的總和。
  
節(jié)省功率的一個(gè)最明顯辦法是針對每個(gè)電源使用盡可能低的電壓。對數(shù)字I/O電壓來說,下限可能由音頻IC必須連接的其它系統(tǒng)元器件決定。另一方面,數(shù)字核心電壓可以使用通常在數(shù)據(jù)手冊中“推薦工作條件”下列明的下限電壓。
  
一些數(shù)據(jù)手冊包含在給定工作模式下電源電流與電壓的關(guān)系曲線圖。如果數(shù)據(jù)手冊上沒有這種圖,你也可以進(jìn)行一些合理的邏輯推測。對CMOS IC這種數(shù)字邏輯來說,電流與施加的電壓成正比關(guān)系。這意味著降低電壓可得到雙倍好處,亦即電源電壓降低一半可導(dǎo)致這一電源電壓軌的功耗實(shí)際降低四分之三。
  
對模擬電路來說,事情會變得更復(fù)雜一些,因?yàn)槟M電路經(jīng)常含有恒流源。在將模擬電源電壓減半以后,該IC的模擬部分消耗的功率(不包括任何負(fù)載)通常在原消耗功率的四分之一到一半之間。
  
更清楚地理解手冊上的功耗數(shù)據(jù)
  
為了對不同的音頻IC消耗的功率做一個(gè)真實(shí)的和有意義的比較,不同音頻IC之間的測試條件必須是實(shí)際的和一致的,這包括提供給負(fù)載的功率、信號的本質(zhì)(如粉紅噪聲)、采樣速率和電源電壓。
  
此外,功能必須反映期望的實(shí)際應(yīng)用情形,IC上所有需要的功能必須全部使能,任何不需要的功能必須盡可能地關(guān)閉。待比較的音頻IC的數(shù)字接口應(yīng)當(dāng)全部工作在主模式,或全部工作在從模式,負(fù)載電容在每種情況下也應(yīng)當(dāng)是相同的。每個(gè)IC的主時(shí)鐘也應(yīng)該是相同的,如果某個(gè)PLL的時(shí)鐘源也需要來自該音頻時(shí)鐘,它的功耗也應(yīng)當(dāng)計(jì)算在內(nèi)。
  
當(dāng)然,在現(xiàn)實(shí)生活中,不同的供應(yīng)商傾向于為他們的音頻IC采用不同的測試條件。不過,如果了解哪些因素對功耗的影響最大,那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師就能夠快速找出一些關(guān)鍵指標(biāo),以及根據(jù)他們自己的實(shí)際應(yīng)用情況從供應(yīng)商的測試條件中推斷出一些重要數(shù)據(jù)來。這就使得他們能夠?qū)C功耗進(jìn)行一個(gè)深入的觀察,而這與經(jīng)常可在數(shù)據(jù)手冊前幾頁上找到的“標(biāo)題”規(guī)格相比要有意義得多。
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