如何正确理解音频元件数据手册中的功耗数据

文章摘要：消费者期望便携式多媒体播放器(PMP)系统提供更多更好的功能，因此系统设计师必须开发出越来越复杂的系统，这其中的挑战是，尽管对系统性能的要求越来越复杂，但消费者仍希望不断延长电池使用时间。 这意味着系统功耗对设计师来说一个至关重要的设计指标，他们将需要花费很多时间去仔细研究不同芯片供应商提供的产品数据手册。这个任务的工作量很大，因为数据手册中存在有很多影响功耗的变量，而且在很多情况下，制造商不会提供产品之间的相似比较。事实上，音频输入和输出子系统的设计特别棘手，因为它们包含了模拟和数字电路，而且一般采用多个独立的电源。 容易曲解的数据 对音频子系统电路进行更深入分析有助于理解音频IC制造商数据

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消费者期望便携式多媒体播放器(PMP)系统提供更多更好的功能，因此系统设计师必须开发出越来越复杂的系统，这其中的挑战是，尽管对系统性能的要求越来越复杂，但消费者仍希望不断延长电池使用时间。

这意味着系统功耗对设计师来说一个至关重要的设计指标，他们将需要花费很多时间去仔细研究不同芯片供应商提供的产品数据手册。这个任务的工作量很大，因为数据手册中存在有很多影响功耗的变量，而且在很多情况下，制造商不会提供产品之间的相似比较。事实上，音频输入和输出子系统的设计特别棘手，因为它们包含了模拟和数字电路，而且一般采用多个独立的电源。

容易曲解的数据

对音频子系统电路进行更深入分析有助于理解音频IC制造商数据手册中的功耗数据的真实含义。图1给出了便携式系统音频输出部分涉及的主要功能模块。通常，这条信号链上的最后几个模块(数字信号增强、数模转换、模拟混音和放大电路）是集成在单个器件中，即“音频DAC”。数据手册会提供“DAC功耗”或“DAC供电电流”数据，确定这个数据是否包括放大器和其它与DAC相关的子电路的功率需求非常重要。如果没有包含，则需要单独计算。

同样，数据手册中的“耳机回放”功耗通常不包括片上增强电路，如限幅、3D信号增强和均衡电路。供应商提供的功耗数据通常都不包括这些电路，以使他们的器件看上去比竞争对手有更好的性能。一些制造商甚至在定义回放功耗时不包括数字音频接口，这与实际使用情况大相径庭，因为接口必须上电才能接收音频数据用于回放。

系统架构变化事实进一步增加了设计复杂性。例如，音量控制可以通过音频芯片数字部分CPU上的软件，或者音频芯片上的模拟可编程增益放大器来实现。根据经验，一个好的做法是明确设计系统的相关功能、确定由哪个物理器件负责该功能，并正确计算每个功能的功耗。

图1：音频回放的功能模块框图以及影响每个模块功耗的因素。

真实世界的负载和信号特性

数据手册中还有其它一些数据经常与实际情况不符。例如，回放时扬声器和耳机的功耗占整个系统功耗的很大一部分，但这些数据通常不包含在数据手册中。更常见的是，数据手册提供的是“静音”状态下的功耗数据，这种状态在数字域中用一长串零来表示。在这种状态下，负载上的电压为零，且没有任何负载电流。此外，静音状态下音频IC本身的功耗很少，这进一步降低了对外宣称的功耗，有时功耗甚至是在没有连接负载的情况下来测量的。

为得到有意义的数据，系统必须连接负载。在消费电子领域，小型扬声器的阻抗一般为8欧姆，耳机的阻抗为16欧姆或32欧姆。此外，实际的测试信号还必须得到充分驱动，以便通过电路中的所有相关元件到达负载。

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1kHz正弦波很容易产生，也经常被用作测试信号，但这种信号并不能反映通常表征音乐或语音的频率混合或幅度随时间变化的特性。也许最有用的信号是针对扬声器的IEC 60268-5(以前的IEC 268-5)标准规定的信号。这个标准使用所谓的“粉色”噪声，该噪声是运行在整个音频频带上的各种频率的加权混合。“振幅因数”，即峰值与长期RMS幅度之间的差异，在“粉色”噪声中得到了很好定义，它反映了实际信号在大声和静音之间的变化情况。

定义信号幅度

无论采用哪一种测试信号，其幅值都将对功耗产生很大影响，这是另一个容易引起混淆的地方，因为定义信号幅值的方法有许多种。例如，“dBV”相对于均方根1V，而"dBFS"相对于“满刻度”，对于任何给定的音频分量都是这样的。使用不同参考的分贝数或没有明确规定参考的定义都很难进行有意义的比较。由于人们最终关心的是向负载提供的功率，所以用瓦或毫瓦定义给定负载阻抗上的信号幅度具有重要意义。

由于任何给定的放大器的效率会随信号幅度改变而改变，所以需要在信号的整个动态范围内考虑放大器功耗，如图2所示。举例来说，G类放大器会根据信号幅度选择使用不同的供电电压，且效率在转换点附近通常不连续。

图2：耳机放大器的效率(以欧胜微电子的WM8?03音频编解码器为例)。