正确计算DAC功耗数据

2010-10-09 11:10:04来源: 电子设计技术

        随着便携式多媒体系统设计师将电池寿命推向极限,他们正把前所未有的时间花在研究不同硅供应商提供的功耗数据上。以牙还牙式的比较通常是困难的,因为变量实在是太多了,而且竞争器件之间的关键差异常常远不是那么明显。

        音频输入和输出子系统尤其困难,因为它们同时包含模拟和数字电路,而且通常需要几个不同的电源电压。其结果是,制造商针对这些器件提供的数据常常与实际使用案例不相关,在有些情况下甚至完全起误导作用。不过,熟悉相关电路的基本知识、深入理解欧姆定律和拒绝相信制造商的面值数据,可以帮助设计工程师看穿这一令人糊涂的迷雾。 


        每个功耗数字到底包括了什么? 

        它可能看起来很明显,但理解每一个功耗数字包括了什么电路是计算系统总体功耗的关键。不过,如果仅凭一本数据手册来进行这项工作,那么常常是说比做容易。现在让我们思考一个便携式系统的音频输出。图1显示了所有主要的功能块。链上最后的几块(如数字信号增强、DAC、模拟混音和放大)通常集成在一个器件中,泛称为“音频DAC”。

  不过,当这类器件的数据手册列明“DAC功耗”或“DAC电源电流”时,它绝对仅指的是DAC本身,不会包括放大器和其它电路。那么
如果说“回放到耳机”又如何呢?那会包括片上信号增强功能(如限幅、3D信号增强或均衡)吗?很有可能不会,因为硅供应商很少有勇气使他们的器件在与竞争对手比较时看起来更差。有些硅供应商甚至详细说明DAC电源电流不包括数字音频接口。很明显,这与任何实际的使用案例没有任何类似之处,因为接口必须上电才能接收用于回放的音频数据。

  让事情变得进一步复杂的是,这些器件的系统架构也是不同的。例如,音量控制既可以用软件在CPU上实现,也可以在音频芯片的数字部分实现,或采用音频芯片中的模拟增益可编程放大器实现。一个有益的明智的检查是确定需要什么样的功能,检查这些音频功能在哪个物理器件中实现,以及确保每个功能的功耗都已计算在内。

  扬声器和耳机的功耗通常占据总体功耗的一大块。由于这一功率实际上并不是在IC中消耗,因此它几乎从不包含在IC数据手册中。幸运的是,它可以很容易地从P = V2RMS / Z公式中计算出来,这里VRMS是整个扬声器的RMS电压,Z是其阻抗(如是立体声扬声器,别忘记把这一数字乘以2!)。困难的地方是选择一个实际的VRMS。尽管最大的VRMS可以轻易地从放大器输出的摆幅中计算出来,但在现实中VRMS取决于终端用户的音量设置。即便在最大音量情况下,同一段音乐的高音和低音通道上的VRMS也是不同的,因此假定一个满刻度信号几乎是不可能的。

  为了在不同的音频器件之间进行一个有意义的比较,就需要一个共同的基准。例如,日本JEITA CP-2905B标准规定,带耳机输出的系统的电池寿命应当在16Ω负载上驱动0.2mW (每通道0.1mW)时进行测量。


  该信号是什么?

  驱动扬声器和耳机的放大器是另一个特别耗电的器件。目前业界的常见做法是列明它们的静态功耗,也即绝对安静地播放(在数字域的表示是一串零)。不过,只要有一个实际的信号通过该系统,放大器(以及负载)上的功耗就会增加。

  无疑,放大器电源电流应该可以用一个非零信号来表达,但应该用一个什么样的信号呢?一些标准(如JEITA CP-2905B)经常使用一个1kHz正弦波,因为它很容易生成。不过,它和现实世界中的用户听到的任何声音或音乐几乎没有雷同之处。粉红噪声(如同IEC 60268-5标准针对扬声器定义的那样)可能与放大器电源电流更接近,尽管从根本上来说没有一种信号能够映射无限变化的音乐。

        在比较放大器时,另外一个值得牢记的地方是,它们的功率效率取决于信号幅度。精确的关系取决于放大器(见图2)。例如,在静态条件下,D类放大器因为开关损失可能要比等效的线性放大器消耗更多的功率。同样地,由于线性放大器在高音量时效率更高,它们在满刻度处的效率可以接近D类放大器。

  不过,这些信号幅度的极端部分在很大程度上是不相关的,因为决定电池寿命的战役主要在信号幅度的中部打响,现实世界中的放大器主要在这里花费大多数时间。D类放大器正是在这里赢得了业内的普遍认可,因为它的功率转换效率要远远高于线性放大器。


  数字电路又如何?

  放大器并不是静态功耗低于工作功耗的唯一电路,其它模拟电路(如混音器和增益可编程放大器)和数字CMOS电路也是这样。对CMOS电路来说,功耗在很大程度上是1和0状态位转换频率的函数,因此一个仅由0状态位(即静态)构成的信号只需要极低的电源电流。为了得到有意义的数据,所有的器件应该处理一个真实的非零信号。

  另一个要考虑的因素是数字音频信号的采样速率。大部分数字和混合信号电路每样本转换一次,因此它们的平均功耗直接与每秒样本数成正比。当比较音频DAC或ADC时,应该注意手册上标明的电源电流是不是采用相同的采样速率作为基准。

    如果顺着信号链再往上看,源音频文件(如一个MP3文件的位速率)的编码质量可以影响解码器的功耗。位速率和缓冲器大小决定了从存储介质中恢复数据的频繁程度。这在基于硬盘的系统中尤其重要,因为每一次磁盘读取都会导致一个很大的尖峰电池电流。

  很多音频IC(如DAC或ADC)可以配置成主或从器件。在主模式,音频IC驱动数字音频接口,因此比从模式需要更多的电流,毫不奇怪,它们在手册上标明的功耗通常都是在从模式下测得的。那么,这是否意味着从模式总是更受欢迎呢?当然不是。毕竟,如果该音频IC没有驱动接口,那么另一端的对应器件就必须做这一工作,因此功耗仅仅只是从系统的这一端移到了另一端,并没有消除掉。

  当手册上标明是主模式下的功耗时,必须注意负载电容,因为它决定到底需要多少额外电流。如果手册上的数字假定是在“最糟糕”的大负载电容下测得的,现实情况就可能比手册上的规格好很多。可实际情况正好相反,IC供应商可能通过采用不切实际的低负载电容人为地操弄这些功耗数字。

  一些音频器件有特殊的时钟模式,它可消除对非常耗电的低抖动PLL的需要,但这一模式只能在主模式下使用。例如,许多欧胜
音频DAC和CODEC都具有一个“USB模式”,在该模式下音频时钟可直接从一个12MHz USB时钟中生成。在这一情况下,集成时钟节省的功率通常远远超过在音频IC中消耗的功率。

  电源

  除了最简单的音频IC,所有的音频IC都使用一个以上电源轨。一个典型的电路包括至少一个模拟电源、一个针对音频和控制接口的数字I/O电源、以及一个独立的数字核心电源。IC的总功耗是每个电源轨上消耗的功率的总和。

  节省功率的一个最明显办法是针对每个电源使用尽可能低的电压。对数字I/O电压来说,下限可能由音频IC必须连接的其它系统元器件决定。另一方面,数字核心电压可以使用通常在数据手册中“推荐工作条件”下列明的下限电压。

  一些数据手册包含在给定工作模式下电源电流与电压的关系曲线图。如果数据手册上没有这种图,你也可以进行一些合理的逻辑推测。对CMOS IC这种数字逻辑来说,电流与施加的电压成正比关系。这意味着降低电压可得到双倍好处,亦即电源电压降低一半可导致这一电源电压轨的功耗实际降低四分之三。

  对模拟电路来说,事情会变得更复杂一些,因为模拟电路经常含有恒流源。在将模拟电源电压减半以后,该IC的模拟部分消耗的功率(不包括任何负载)通常在原消耗功率的四分之一到一半之间。

  更清楚地理解手册上的功耗数据

  为了对不同的音频IC消耗的功率做一个真实的和有意义的比较,不同音频IC之间的测试条件必须是实际的和一致的,这包括提供给负载的功率、信号的本质(如粉红噪声)、采样速率和电源电压。

  此外,功能必须反映期望的实际应用情形,IC上所有需要的功能必须全部使能,任何不需要的功能必须尽可能地关闭。待比较的音频IC的数字接口应当全部工作在主模式,或全部工作在从模式,负载电容在每种情况下也应当是相同的。每个IC的主时钟也应该是相同的,如果某个PLL的时钟源也需要来自该音频时钟,它的功耗也应当计算在内。

  当然,在现实生活中,不同的供应商倾向于为他们的音频IC采用不同的测试条件。不过,如果了解哪些因素对功耗的影响最大,那么系统设计工程师就能够快速找出一些关键指标,以及根据他们自己的实际应用情况从供应商的测试条件中推断出一些重要数据来。这就使得他们能够对IC功耗进行一个深入的观察,而这与经常可在数据手册前几页上找到的“标题”规格相比要有意义得多。

关键字:电源设计  DAC功耗

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/1009/article_2616.html
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