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。
　　
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。
　　
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)位轉換頻率的函數(shù)，因此一個僅由0狀態(tài)位（即靜態(tài)）構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。當比較音頻DAC或ADC時，應該注意手冊上標明的電源電流是不是采用相同的采樣速率作為基準。

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中恢復數(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？當然不是。畢竟，如果該音頻IC沒有驅動接口，那么另一端的對應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。
　　
當手冊上標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（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閉。待比較的音頻IC的數(shù)字接口應當全部工作在主模式，或全部工作在從模式，負載電容在每種情況下也應當是相同的。每個IC的主時鐘也應該是相同的，如果某個PLL的時鐘源也需要來自該音頻時鐘，它的功耗也應當計算在內。
　　
當然，在現(xiàn)實生活中，不同的供應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)設計工程師就能夠快速找出一些關鍵指標，以及根據(jù)他們自己的實際應用情況從供應商的測試條件中推斷出一些重要數(shù)據(jù)來。這就使得他們能夠對IC功耗進行一個深入的觀察，而這與經(jīng)?？稍?strong>數(shù)據(jù)手冊前幾頁上找到的“標題”規(guī)格相比要有意義得多。