如何計(jì)算DAC功耗？每個(gè)功耗數(shù)字包括了什么

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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(guò)，熟悉相關(guān)電路的基本知識(shí)、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(lái)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(guò)，如果僅憑一本數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)工作，那么常常是說(shuō)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(hào)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(guò)，當(dāng)這類器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)列明“DAC功耗”或“DAC電源電流”時(shí)，它絕對(duì)僅指的是DAC本身，不會(huì)包括放大器和其它電路。那么

如果說(shuō)“回放到耳機(jī)”又如何呢？那會(huì)包括片上信號(hào)增強(qiáng)功能（如限幅、3D信號(hào)增強(qiáng)或均衡）嗎？很有可能不會(huì)，因?yàn)楣韫?yīng)商很少有勇氣使他們的器件在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手比較時(shí)看起來(lái)更差。有些硅供應(yīng)商甚至詳細(xì)說(shuō)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(méi)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(cè)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(lái)，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?。＠щy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(lái)，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(lè)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(hào)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(cè)量。

該信號(hào)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(jiàn)做法是列明它們的靜態(tài)功耗，也即絕對(duì)安靜地播放（在數(shù)字域的表示是一串零）。不過(guò)，只要有一個(gè)實(shí)際的信號(hào)通過(guò)該系統(tǒng)，放大器（以及負(fù)載）上的功耗就會(huì)增加。

無(wú)疑，放大器電源電流應(yīng)該可以用一個(gè)非零信號(hào)來(lái)表達(dá)，但應(yīng)該用一個(gè)什么樣的信號(hào)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(guò)，它和現(xiàn)實(shí)世界中的用戶聽(tīng)到的任何聲音或音樂(lè)幾乎沒(méi)有雷同之處。粉紅噪聲（如同IEC 60268-5標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)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(lái)說(shuō)沒(méi)有一種信號(hào)能夠映射無(wú)限變化的音樂(lè)。

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(hào)幅度。精確的關(guān)系取決于放大器（見(jiàn)圖2）。例如，在靜態(tài)條件下，D類放大器因?yàn)殚_(kāi)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?cè)跐M刻度處的效率可以接近D類放大器。

不過(guò)，這些信號(hào)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(hào)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(duì)CMOS電路來(lái)說(shuō)，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(hào)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(hào)。

另一個(gè)要考慮的因素是數(shù)字音頻信號(hào)的采樣速率。大部分?jǐn)?shù)字和混合信號(hào)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(cè)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(hào)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(chǔ)介質(zhì)中恢復(fù)數(shù)據(jù)的頻繁程度。這在基于硬盤(pán)的系統(tǒng)中尤其重要，因?yàn)槊恳淮未疟P(pán)讀取都會(huì)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?cè)谑謨?cè)上標(biāo)明的功耗通常都是在從模式下測(cè)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(méi)有驅(qū)動(dòng)接口，那么另一端的對(duì)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(méi)有消除掉。

當(dāng)手冊(cè)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(cè)上的數(shù)字假定是在“最糟糕”的大負(fù)載電容下測(cè)得的，現(xiàn)實(shí)情況就可能比手冊(cè)上的規(guī)格好很多?？蓪?shí)際情況正好相反，IC供應(yīng)商可能通過(guò)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(duì)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(guò)在音頻IC中消耗的功率。

電源

除了最簡(jiǎn)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(duì)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(duì)每個(gè)電源使用盡可能低的電壓。對(duì)數(shù)字I/O電壓來(lái)說(shuō)，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(cè)中“推薦工作條件”下列明的下限電壓。

一些數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)上沒(méi)有這種圖，你也可以進(jìn)行一些合理的邏輯推測(cè)。對(duì)CMOS IC這種數(shù)字邏輯來(lái)說(shuō)，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(duì)模擬電路來(lái)說(shuō)，事情會(huì)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(cè)上的功耗數(shù)據(jù)

為了對(duì)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(cè)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(hào)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(lái)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(cè)試條件。不過(guò)，如果了解哪些因素對(duì)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(cè)試條件中推斷出一些重要數(shù)據(jù)來(lái)。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)?？稍跀?shù)據(jù)手冊(cè)前幾頁(yè)上找到的“標(biāo)題”規(guī)格相比要有意義得多。

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