DAC功耗數(shù)據(jù)計算 功耗數(shù)字到底包括什么?

隨著便攜式多媒體系統(tǒng)設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，在有些情況下甚至完全起誤導作用。不過，熟悉相關電路的基本知識、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雜的是，這些器件的系統(tǒng)架構也是不同的。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。例如，日本JEITA CP-2905B標準規(guī)定，帶耳機輸出的系統(tǒng)的電池壽命應當在16Ω負載上驅動0.2mW （每通道0.1mW）時進行測量。

該信號是什么？

驅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，放大器電源電流應該可以用一個非零信號來表達，但應該用一個什么樣的信號呢？一些標準（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標準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，因為它的功率轉換效率要遠遠高于線性放大器。