新一代的年輕消費者改變了他們數(shù)十年的視聽使用習(xí)慣，以前耳機(jī)只是在需要的時候才佩戴，而如今真無線（TWS）耳塞的推出改變了這種習(xí)慣：現(xiàn)在，用戶即使不聽也會一直戴耳塞，就像人們一直戴手表一樣，而且 TWS 耳塞非常舒適，方便且不引人注目。

行業(yè)分析師預(yù)計，到 2023 年，市場將以 27％的復(fù)合年增長率增長，屆時，TWS 有望在銷量上超過所有其他類型的無線和有線耳機(jī)。

面對如此快速的增長，耳塞制造商必將面臨激烈的競爭，消費類產(chǎn)品的選擇將受到音頻質(zhì)量，舒適度和可靠性等重要參數(shù)的影響。

另外一個至關(guān)重要的因素將是電池壽命，以維持更長的使用時間。減少耗電量的一種方法是確保耳塞從耳中取出后自動停止播放，并在插入耳中時再次開啟。

這需要短距離接近感測，在移動電話中，紅外（IR）接近感應(yīng)模塊檢測語音通話期間何時將電話握在用戶的臉部，從而可以關(guān)閉顯示器。下面的文章介紹了該技術(shù)如何適應(yīng)小空間的 TWS 耳塞，如何可靠地檢測出耳塞是在耳內(nèi)還是耳外。

紅外接近檢測的工作原理

紅外接近傳感器的基本操作如圖 1 所示。

圖 1：IR 接近傳感器檢測到附近物體反射的光

它包含兩個主要組件：

一種不可見的紅外發(fā)射源，它發(fā)出調(diào)制的光脈沖，理想情況下，發(fā)射的功率應(yīng)集中在狹窄的波段內(nèi)。

在與發(fā)射器的峰值強(qiáng)度匹配的波長處具有峰值靈敏度的光電二極管（光傳感器）。

通過嚴(yán)格控制系統(tǒng)的工作波長，并通過調(diào)制脈沖，可以使傳感器系統(tǒng)不受噪聲影響，噪聲主要包括來自外部的紅外能量源（例如陽光）的干擾以及內(nèi)部反射（串?dāng)_）從模塊外殼到光學(xué)系統(tǒng)的其他部分。當(dāng)發(fā)出的紅外光碰撞到范圍內(nèi)的目標(biāo)時，它會反射到光電二極管上，該光電二極管將測得的紅外能量轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，該數(shù)字值會隨著目標(biāo)的靠近而成比例增加。

在 TWS 耳塞中，通常將接近傳感器配置為在物體（在這種情況下，用戶的耳朵張開）在 3 毫米以內(nèi)時觸發(fā)檢測信號，而在最近的物體在 10 毫米以外的距離內(nèi)時釋放信號?？煽康慕咏葯z測需要足夠的信噪比（SNR）。為了確定 SNR，制造商需要計算檢測閾值和釋放閾值計數(shù)之間的差值除以基線抖動值（當(dāng)范圍內(nèi)無對象時）：

（平均檢測計數(shù)值）–（平均釋放計數(shù)值）

（抖動計數(shù)值）

通常，當(dāng)此比率》 4 時，SNR 被認(rèn)為是可以接受的。

為什么每個 mW 都很重要

接近傳感器可以通過檢測何時從耳中取出了耳塞從而進(jìn)入待機(jī)模式減小功耗，但傳感器本身會消耗能量：傳感器的大部分能源消耗都?xì)w因于紅外發(fā)射器。幸運的是，耳塞設(shè)計人員可以采用兩種技術(shù)中的一種來限制傳感器的功耗。首先是通過控制發(fā)射周期。在 ams 的集成式接近傳感器模塊 TMD2635 中，占空比配置易于控制（見圖 2）。

圖 2：TMD2635 中單個接近感應(yīng)事件的脈沖時序

發(fā)射極被脈沖化的次數(shù)（PPULSE）以及每個脈沖的有效驅(qū)動電流的持續(xù)時間（PPULSE_LEN）都可以調(diào)整，功耗與脈沖數(shù)和脈沖長度成正比。可以延長或縮短一次接近測量（PRATE）的總時間，這是控制占空比的主要方法。系統(tǒng)設(shè)計人員還可以在接近度測量周期之間引入等待時間（PWTIME）。

控制占空比的第二種方法是通過在應(yīng)用軟件級別生成的信號。在這里，可以對主機(jī)處理器進(jìn)行編程，以輪詢或中斷驅(qū)動的方式循環(huán)傳感器的有效 / 無效狀態(tài)。輪詢方法使主機(jī) MCU 可以精確控制系統(tǒng)時序，在此，接近傳感器通常處于靜態(tài)的低功耗狀態(tài)。主機(jī)微控制器會定期發(fā)出命令以喚醒，進(jìn)行接近度測量，然后返回到靜態(tài)狀態(tài)。在這種輪詢模式下，設(shè)計人員可配置最佳占空比，該占空比使用最小的功率，同時提供可接受的等待時間，即用戶插入 / 卸下耳塞與傳感器檢測事件之間的延遲。

在中斷驅(qū)動的方法中，MCU 喚醒傳感器，讀取其先前的樣本，然后使其自由運行。當(dāng)發(fā)生下一個數(shù)據(jù)事件時，傳感器向主機(jī)發(fā)出中斷信號，然后自動進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這種中斷驅(qū)動方法的優(yōu)點是設(shè)計人員可以選擇哪種類型的事件會產(chǎn)生中斷信號。這使系統(tǒng)可以將許多任務(wù)從主機(jī)固件分流到傳感器。由于主機(jī)中的 CPU 耗電，因此卸載可以節(jié)省電源。因此，當(dāng) TMD2635 執(zhí)行其“中斷后休眠”功能時，它將自動停用其內(nèi)部振蕩器，從而進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

TMD2635 的可編程閾值功能對于在鄰近數(shù)據(jù)事件落在高計數(shù)閾值和低計數(shù)閾值之間的預(yù)設(shè)范圍之外時觸發(fā)中斷特別有用，可將其設(shè)置為僅在計數(shù)反復(fù)多次超出閾值窗口之后才觸發(fā)，此功能和其他中斷過濾功能在 TMD2635 的硬件中實現(xiàn)，從而減輕了主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)。

值得注意的是，與輪詢相比，中斷驅(qū)動模式下的時序確定性較差，事件驅(qū)動的占空比將隨主機(jī)處理器響應(yīng)時間的變化以及鄰近事件數(shù)的變化而變化。除非進(jìn)行簡化的預(yù)設(shè)，否則這種可變性使準(zhǔn)確的功率計算變得困難，基準(zhǔn)測試通常是確定動態(tài)工作條件下功耗的最佳方法。

在中斷驅(qū)動模式下，傳感器大部分時間花費在自由運行的空閑模式下，通常消耗 30 μA 的平均電流，這比輪詢消耗的功率更多，輪詢通常僅在傳感器處于睡眠模式時消耗 0.7 μA 的電流。

在基于模塊的發(fā)射器 TMD2635 的接近檢測系統(tǒng)中，低功率垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）可以帶來進(jìn)一步的優(yōu)勢。大多數(shù)紅外接近傳感器都有一個 LED 發(fā)射器，但是 VCSEL 可以提供更高的電光轉(zhuǎn)換效率，通常比 LED 的效率高十倍。此外，由于光束非常窄，視角僅為 1°至 5°，因此所有發(fā)射器的光能都可以對準(zhǔn)目標(biāo)。結(jié)果是，與同等的基于 LED 的傳感器系統(tǒng)相比，其總功耗顯著降低，并且串?dāng)_干擾降低，SNR 更高。

節(jié)省空間

與較早的設(shè)備相比，最新的 IR 接近傳感器模塊集成了 VCSEL 技術(shù)，在功耗方面有了實質(zhì)性的改善。傳感器制造商還正在調(diào)整其產(chǎn)品設(shè)計，以適應(yīng) TWS 耳塞內(nèi)部的狹窄空間，同時保持高水平的光學(xué)性能。

圖 3 顯示了接近傳感器可以在 ams 開發(fā)的 TWS 耳塞參考設(shè)計中占據(jù)的空間很小。該設(shè)計中使用的 TMD2635 的封裝尺寸為 1mm x 2mm x 0.5mm（見圖 4）。

圖 3：基于 TMD2635 模塊的 TWS 耳機(jī)參考設(shè)計

圖 4：TMD2635 接近檢測模塊非常小，僅占 1mm3 的體積

制造如此小的設(shè)備的最大困難是光學(xué)設(shè)計：確保發(fā)射和反射的光束具有清晰的到達(dá)和離開目標(biāo)的路徑，同時限制串?dāng)_對光電二極管測量的影響。在 TMD2635 中，ams 通過將組件小型化，精確組裝和高性能光學(xué)堆疊相結(jié)合來實現(xiàn)這一目標(biāo)（見圖 5）。

圖 5：TMD2635 的側(cè)視圖

發(fā)射器和光電二極管上方的孔被對紅外光高度透明的聚碳酸酯材料覆蓋。該過孔可以是圓形的（直徑為 1.5 毫米）或橢圓形的（1 毫米 x 2 毫米），使設(shè)計人員在將傳感器放置在耳塞外殼內(nèi)時具有更大的靈活性。

結(jié)論

TMD2635 模塊中結(jié)合了可配置的電源管理技術(shù)，高效的 VCSEL 發(fā)射器和光學(xué)組件，現(xiàn)在為設(shè)計人員提供了一種方法，可以在耳塞內(nèi)部很小的空間內(nèi)更輕松地集成接近感應(yīng)，同時提供對耳機(jī)位置的可靠檢測。該模塊激光發(fā)射器的高光學(xué)效率和低休眠模式電流有助于將平均功耗保持在非常低的水平，從而幫助耳塞制造商延長產(chǎn)品使用時間，即使使用小至 25 mAh 的電池也是如此。