隨著便攜式多媒體系統(tǒng)設(shè)計師將電池壽命推向極限，他們正把前所未有的時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，因為變量實在是太多了，而且競爭器件之間的關(guān)鍵差異常常遠不是那么明顯。
音頻輸入和輸出子系統(tǒng)尤其困難，因為它們同時包含模擬和數(shù)字電路，而且通常需要幾個不同的電源電壓。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)計工程師看穿這一令人糊涂的迷霧。
每個功耗數(shù)字到底包括了什么?
它可能看起來很明顯，但理解每一個功耗數(shù)字包括了什么電路是計算系統(tǒng)總體功耗的關(guān)鍵。不過，如果僅憑一本數(shù)據(jù)手冊來進行這項工作，那么常常是說比做容易?，F(xiàn)在讓我們思考一個便攜式系統(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、DAC、模擬混音和放大)通常集成在一個器件中，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，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”又如何呢?那會包括片上信號增強功能(如限幅、3D信號增強或均衡)嗎?很有可能不會，因為硅供應(yīng)商很少有勇氣使他們的器件在與競爭對手比較時看起來更差。有些硅供應(yīng)商甚至詳細說明DAC電源電流不包括數(shù)字音頻接口。很明顯，這與任何實際的使用案例沒有任何類似之處，因為接口必須上電才能接收用于回放的音頻數(shù)據(jù)。
讓事情變得進一步復(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上實現(xiàn)，也可以在音頻芯片的數(shù)字部分實現(xiàn)，或采用音頻芯片中的模擬增益可編程放大器實現(xiàn)。一個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物理器件中實現(xiàn)，以及確保每個功能的功耗都已計算在內(nèi)。
揚聲器和耳機的功耗通常占據(jù)總體功耗的一大塊。由于這一功率實際上并不是在IC中消耗，因此它幾乎從不包含在IC數(shù)據(jù)手冊中。幸運的是，它可以很容易地從P = V2RMS / Z公式中計算出來，這里VRMS是整個揚聲器的RMS電壓，Z是其阻抗(如是立體聲揚聲器，別忘記把這一數(shù)字乘以2!)。困難的地方是選擇一個實際的VRMS。盡管最大的VRMS可以輕易地從放大器輸出的擺幅中計算出來，但在現(xiàn)實中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行一個有意義的比較，就需要一個共同的基準(zhǔn)。例如，日本JEITA CP-2905B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，帶耳機輸出的系統(tǒng)的電池壽命應(yīng)當(dāng)在16Ω負載上驅(qū)動0.2mW (每通道0.1mW)時進行測量。
該信號是什么?
驅(qū)動揚聲器和耳機的放大器是另一個特別耗電的器件。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，只要有一個實際的信號通過該系統(tǒng)，放大器(以及負載)上的功耗就會增加。
無疑，放大器電源電流應(yīng)該可以用一個非零信號來表達，但應(yīng)該用一個什么樣的信號呢?一些標(biāo)準(zhǔn)(如JEITA CP-2905B)經(jīng)常使用一個1kHz正弦波，因為它很容易生成。不過，它和現(xiàn)實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，另外一個值得牢記的地方是，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類放大器因為開關(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，因為決定電池壽命的戰(zhàn)役主要在信號幅度的中部打響，現(xiàn)實世界中的放大器主要在這里花費大多數(shù)時間。D類放大器正是在這里贏得了業(yè)內(nèi)的普遍認可，因為它的功率轉(zhuǎn)換效率要遠遠高于線性放大器。
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)該處理一個真實的非零信號。
另一個要考慮的因素是數(shù)字音頻信號的采樣速率。大部分數(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，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，因為每一次磁盤讀取都會導(dǎo)致一個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，必須注意負載電容，因為它決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”的大負載電容下測得的，現(xiàn)實情況就可能比手冊上的規(guī)格好很多?？蓪嶋H情況正好相反，IC供應(yīng)商可能通過采用不切實際的低負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鐘模式，它可消除對非常耗電的低抖動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“USB模式”，在該模式下音頻時鐘可直接從一個12MHz USB時鐘中生成。在這一情況下，集成時鐘節(jié)省的功率通常遠遠超過在音頻IC中消耗的功率。
電源
除了最簡單的音頻IC，所有的音頻IC都使用一個以上電源軌。一個典型的電路包括至少一個模擬電源、一個針對音頻和控制接口的數(shù)字I/O電源、以及一個獨立的數(shù)字核心電源。IC的總功耗是每個電源軌上消耗的功率的總和。
節(jié)省功率的一個最明顯辦法是針對每個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，因為模擬電路經(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消耗的功率做一個真實的和有意義的比較，不同音頻IC之間的測試條件必須是實際的和一致的，這包括提供給負載的功率、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，負載電容在每種情況下也應(yīng)當(dāng)是相同的。每個IC的主時鐘也應(yīng)該是相同的，如果某個PLL的時鐘源也需要來自該音頻時鐘，它的功耗也應(yīng)當(dāng)計算在內(nèi)。
當(dāng)然，在現(xiàn)實生活中，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功耗進行一個深入的觀察，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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