Apple AirPods帶動TWS無線藍牙耳機商機，以主動降噪功能為核心的感測器、音效處理器技術，將持續提升消費者使用體驗，提供音質更好、使用續航力更高、充電更快速、設計更美觀的下世代無線耳機。
Apple在2016年的iPhone 7將手機上慣常使用的耳機孔取消，並同時發表無線耳機AirPods，從此帶動新一波無線藍牙耳機風潮，產業研究機構調查指出，2019年真正無線立體聲(TWS)藍牙耳機出貨量將達7,800萬組，成長率高達52.9%，Samsung、Sony、華為、小米等其他手機領導品牌也爭相推出無線藍牙耳機，2020年以後年出貨量將突破「億」級大關。
廣受好評的第一代AirPods在2019年初推出了第二代產品，不僅在續航力、切換速度、通話連線速度等效能上有所改善，藍牙5.0讓無線連接更為順暢，語音助理與無線充電功能的導入也讓TWS藍牙耳機的使用體驗更上層樓，除了運算晶片、記憶體、MEMS麥克風、藍牙晶片等關鍵零組件業者將爭取手機品牌大廠的商機之外；系統廠商也蠢蠢欲動，希望能搶占非原廠TWS藍牙耳機市場。本活動深入探討藍牙耳機技術發展趨勢，並挖掘相關零組件關鍵技術與系統設計要點。
無線耳機成明星級行動週邊
無線耳機對大多數消費者都不是陌生的產品，自從AirPods推出並帶動風潮之後，入耳式(Earbud)的無線耳機出貨量大增，預計2021年以後就會取代耳罩式無線耳機成為主流。英飛凌大中華區電源管理及多元電子事業處經理魏有成(圖1)表示，入耳式無線耳機出貨量與產業規模不斷成長，2019年市場規模已經逼近100億美元(圖2)，2020~2023年將持續成長。個別廠商表現還是以Apple最為突出，不過其他手機品牌廠、耳機廠、白牌廠從2018年以後積極投入，也持續擴大市占率，挑戰Apple的獨霸地位。
圖1 英飛凌大中華區電源管理及多元電子事業處經理魏有成表示，入耳式無線耳機2019年市場規模已經逼近100億美元。
圖2 2016~2023年入耳式無線耳機產業規模與平均單價趨勢
資料來源：SAR_Insight
而隨著TWS無線耳機越來越普及，更多功能被導入，魏有成認為，高訊噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)的麥克風就是關鍵零組件之一，未來一個耳機將用上二~三個麥克風晶片，並提供包括：主動式降噪(Active Noise Control, ANC)功能以提升聲音品質；而為了支援語音助理，也將導入語音助理指令(Directive Voice Assistant)；另外雙路立體聲錄音(Binaural Recording)可以將現場的聲音，透過高傳真的方式傳送給朋友，享受沉浸式的「聲」歷其境體驗；而外部感知(Transparent Hearing)技術則是不完全隔絕外部聲音，以免使用者太過投入無法察覺外部訊息。
MEMS麥克風是未來聲音感測的主流技術之一，魏有成說，英飛凌將持續發展高訊噪比的麥克風技術，從架構上來看，單背板(Single Backplate)SNR可以達到65dB，優點是成本較低；雙背板(Dual Backplate)SNR可以提升到70dB；該公司最新的架構使用密封雙模(Sealed Dual Membrane)可以再將SNR提升到75dB，以提高聲學過載點(AOP)。
ANC為無線耳機技術發展重點
TWS無線耳機最重要的功能就是聲音的表現，主動式降噪成為最主要的技術重點，而從技術原理來觀察，戴樂格(Dialog)半導體FAE經理許家偉(圖3)提到，主動式降噪技術早在20世紀初期1934年就被提出，主要原理就是在噪音的波形上，同等加上一個反向波，就可以有效消除噪音。但難度除了精準偵測噪音波形外，還需要音效處理晶片、麥克風擺放、機構設計加以配合。
圖3 戴樂格半導體FAE經理許家偉提到，TWS無線耳機主動式降噪ANC成為最主要的技術發展重點。
此外，由於ANC在抑制低頻噪音上較有成效，所以通常還會搭配被動降噪(Passive Cancellation)技術，如全罩式設計或海綿等機構降低高頻噪音。許家偉進一步解釋，近年數位主動降噪技術成為發展的重點，分為前饋(Feed-Forward)降噪和反饋(Feedback)降噪，兩者結合則組成混合(Hybrid)降噪。前饋降噪麥克風設置在耳罩外，主要抑制頻率範圍在50Hz~2kHz的環境噪音，反饋降噪麥克風設置在耳罩內，主要抑制幅度與相位匹配產生的雜訊，頻率範圍在20~800Hz之間。
以Dialog的音效編解碼器(Codec)解決方案為例，許家偉說明，應用於TWS無線耳機的編解碼器主要有三款，一款為不搭載ANC的編解碼器與兩款搭載ANC功能的編解碼器，ANC編解碼器又差別在單聲道與雙聲道。效能部分最大噪音消除達35dB，反應時間最低5ms，提供聲音調教與量產支援，單聲道Codec功耗約5.8mW、雙聲道Codec功耗約8.5mW，訊噪比動態範圍達115dB，取樣率達384kHz。
骨振動感測器導入前瞻功能
除了麥克風之外，TWS無線耳機也內建了其他感測器，意法半導體(ST)類比微機電與感測元件應用經理陳建成(圖4)表示，以AirPods為例，還有揚聲器、接近感測器(Proximity)、加速度計與音訊加速度計(Audio Accelerometer)等。另外，新式的骨振動(Bone Vibration Detection)感測器也逐漸被導入，除了增加新的功能之外，還可以透過感測器感測低頻噪音，協助ANC功能的強化。
圖4 ST類比微機電與感測元件應用經理陳建成表示，新款高階無線耳機將陸續導入骨振動感測器，強化收音與降噪功能。
對於感測器本身，陳建成則不諱言，感測準確性(Accuracy)則是最基本也最重要的指標，感測器準確性高可以降低後端演算法的負擔，同時也提升品質並降低耗電量，讓整體系統效能更好。要提升感測器的準確性，必須從最前端的電路設計開始著手，搭配生產後段的測試與校正(Calibration)。
ST的骨振動感測器是加速度計的一種，陳建成預期，2020年以後推出的新款高階TWS無線耳機將陸續導入該類感測器，強化耳機的收音與降噪功能，振動感測器只採集聲帶的振動訊息，並將其轉換成聲音訊號。好處是耳機接收到的兩路使用者聲音訊息(一路經過空氣傳播，一路經過骨振動傳播)，通過骨振動傳來的聲音沒有空氣中傳播的環境噪音，通過比對後分析出環境噪聲，可以達到比較好的語音通話效果。
耳機收納盒扮演最佳配角
AirPods受歡迎原因來自使用便利性，除了無線與聲音品質之外，盛群半導體產品二處經理廖智民(圖5)指出，耳機收納盒除了收納無線耳機之外，還負責充電盒內部電池充電，並將充電盒內部電池升壓，以較小電流(200mA以內)輸出為耳機充電，部分充電盒提供USB給外部設備供電，也肩負安全防護，防止內置鋰電池過充、過放、短路、過流等保護功能。
圖5 盛群半導體產品二處經理廖智民指出，未來TWS無線耳機應該都會採用耳機收納盒的設計架構。
未來TWS耳機應該都會採用耳機收納盒的設計，廖智民說，基本上，收納盒的功能包括：內建3.7V鋰聚合物電池、可偵測充電器(5V)是否接上、具降壓充電管理功能、偵測耳機是否收納、升壓為耳機充電、偵測耳機是否拿出收納盒(開蓋偵測與藍牙連接)、過電壓/過電流保護、電量指示等。盛群針對不同功能/成本需求，也發展三種收納盒架構參考設計，針對耳機不同的價格區間，提供功能豐富或成本較低的設計。
展望未來，廖智民總結，耳機充電盒應該會內建容量約500~700mAh的電池，而線性充電本身存在發熱問題，在電池盒內的實際應用電流無法超過1A，另外，若使用Buck架構須外掛電感，會大幅提高成本，恐怕多數廠商不會採用。而在電流輸出端，升壓IC工作耗電已達10uA以下，並設計耳機移除5V電池盒之後，就自動開啟藍牙IC連接手機，反之，偵測到耳機放進電池盒，連接5V電源之後，就關閉藍牙功能並為耳機充電。
無線耳機安規驗證輕忽不得
TWS無線耳機在使用時，由於長期與人體接觸，加上內建電池，所以安全性規範也越受重視，專精於電氣安全的UL電子科技產業部工程部專案經理施柏屹(圖6)說，國外已出現使用無線耳機時，因不明原因燃燒起火，導致消費者臉部灼傷的案例。目前已經出現的幾起案例，大部分都是電池過熱燃燒，原因與電池的過充或過放脫不了關係。
圖6 UL電子科技產業部工程部專案經理施柏屹說，使用溫度、防火性能、元件失效/異常測試、聲壓、電氣操作等都是測試重點。
目前TWS無線耳機在安規測試上有幾個重點，施柏屹表示，溫度部分如耳機配戴時間在1分鐘~8小時之內，最高溫度不能超過48℃；超過8小時，溫度則建議在43℃以內，以免出現低溫燙傷的風險。而無線耳機外殼需要具備防火阻燃能力，塑膠阻燃等級分為HB、V-2、V-1、V-0、5VB、5VA等，TWS無線耳機的阻燃等級建議為V-1或V-0，也就是對樣品進行兩次10秒的燃燒測試後，餘焰與餘燃可在60或30秒內熄滅。
而在TWS藍牙耳機的元件或系統失效/異常測試部分，包括測試單一元件是否失效？是否有過充電、短路、過溫的狀況。聲壓測試的部分則是要符合EN 50332規範之最大音壓測試，以避免消費者聽力受損，規範包括必須使用仿真人工頭進行量測(Head and Torso Simulator, HATS)。在播放標準音源下，其輸出之最大音壓必須低於100dBA；另外，必須使用標準模擬線路經由標準耳機來量測。對播放器而言，其最大輸出電壓必須低於150mV。對於頭戴式/耳戴式耳機而言，其WBC(Wideband Characteristic)電壓必須大於75mV。
另外，TWS藍牙耳機的電氣規格、鋰電池操作範圍、危險品運輸需符合UN38.3規範、防水/防塵等級驗證、禁用有毒物質RoHS與材料零組件的可回收率，都是業者需要注意的項目。
TWS無線藍牙耳機既不是新興產品也不具備高技術門檻，是一個典型「小兵立大功」的產品，AirPods提供的優秀使用者體驗不啻是帶動風潮最重要的原因，未來更多廠商將投入，預計很快就會進入紅海競爭，然而勝出的關鍵還是掌握使用者體驗，以此深入觀察，除了音效/音質表現之外，未來藉由語音助理的協助，將導入更多智慧化與控制功能，讓使用者與TWS無線耳機的黏著度更高，但更多的運算也將對系統耗電帶來負擔，因此延長續航力的電源管理與充電便利性也是不能忽略的發展重點。