新一代年輕消費者改變了傳統幾十年來的耳機使用習慣。在過去，頭戴式耳機或半入耳式耳機只是一種配件，使用者在需要通過耳機聆聽時才會戴著，聽完後就會取下。
現在，真無線立體聲(TWS)耳機改變了大家的這一習慣，如今即使不在用耳機聆聽時，用戶也會一直戴著耳機，就如同人們無時無刻不戴著手表，而不僅是想看時間的時候才佩戴。這是因為TWS耳機非常舒適、使用方便，亦不引人注目，所以用戶認為無須取下來。
由於這些設備越來越受歡迎，產業分析人士預計，到2023年，市場的複合年成長率將會達到27%，屆時TWS耳機的銷量有望超過所有其他類型的無線，和有線頭戴式耳機和半入耳式耳機。鑒於成長速度如此之快，耳機製造商必將面臨激烈的競爭，消費電子產品的選擇將會受一些重要參數的影響，如音訊品質、舒適度和可靠性等。
而另一個至關重要的因素將會是電池續航時間，旨在延長充電後的使用時間，盡可能降低功耗的一種方法就是確保取下耳機時會自動停止播放，戴上耳機時則再次啟動。這需要使用近距離接近感測技術。行動手機中的紅外線(IR)接近感測模組可以檢測到語音通話時手機是否貼近用戶臉部，進而決定是否關閉螢幕。本文介紹如何將這項技術用於空間更小的TWS耳機中，同時可靠地偵測耳機是在耳內還是耳外。
IR接近檢測：工作原理
IR接近感測器的基本工作原理如圖1所示。主要由兩個零組件組成：
圖1 IR接近感測器檢測附近物體的反射光
・一個不可見的紅外輻射源，用於發出調變的光脈衝。理想情況下，發射的光功率應集中在狹窄的波段內。
・一個光電二極體(光感測器)，其波長峰值靈敏度與發射體的峰值強度匹配。
透過嚴格控制系統工作時的波長，同時調變脈衝，可使感測器系統不受雜訊影響，主要包括來自外部紅外能源(如陽光)的干擾，以及來自模組外殼及其他光學系統疊加元件的內部反射(串擾)。
當發射的紅外光擊中範圍內的目標時，它會反射到光電二極體，光電二極體將測得的紅外能量轉換為數位值，該數位值會隨著目標的靠近而成比例升高。通常情況下，TWS耳機中的接近感測器配置為：當物體(即使用者的耳窩)在3mm以內時觸發偵測訊號，當最近的物體在10mm以外時觸發釋放訊號。
可靠的接近檢測需要一個適當的訊噪比(SNR)。為確定SNR，製造商將檢測和釋放閾值之差除以範圍內無物體時的基準抖動值，以得出一個比率：
通常情況下，當該比率＞4時，SNR可以接受。
TWS耳機每一毫瓦都至關重要
TWS耳機製造商面臨的一個挑戰就是尺寸和重量問題，為滿足用戶的舒適度要求，耳機必需小而輕。但每個耳機都需要有自己的能量來源，以便為藍牙(Bluetooth)無線電、音訊處理電路和喇叭供電，電池越小越輕，可儲存的能量就越少。
如今典型的TWS耳機的電池容量為25~35mAh。這個容量值非常有限，相比之下，普通智慧型手機的電池容量為3,000mAh。接近感測器通過檢測耳機何時從耳朵中取出，可幫助降低耳機小電池的耗電速度。但是感測器本身也會消耗能量，其大部分能耗源於紅外發射器，幸運的是，耳機設計人員可以透過以下兩個技術選項來限制感測器的功耗。
第一個選項是控制接近週期時脈：在艾邁斯半導體(ams)的整合式接近感測器模組，可輕鬆控制工作週期配置(圖2)，調整發射器的脈衝次數(PPULSE)和每一脈衝的有效驅動電流持續時間(PPULSE_LEN)，使功耗與脈衝數和脈衝長度成正比；同時，也可延長或縮短單次接近測量的總時間(PRATE)，這是控制工作週期的主要方法。系統設計人員還可以在接近測量週期之間引入一個等待時間(PWTIME)。
圖2 TMD2635中單個接近感測事件的脈衝時脈
控制工作週期的第二種方法是利用應用軟體層級生成的訊號。透過對主機處理器進行程式設計，以輪詢或中斷驅動的方式來實現感測器有效/無效狀態迴圈。採用輪詢方法讓主機MCU能夠精確地控制系統時脈：接近感測器通常處於低功耗靜止狀態。主機微控制器定期發出一個喚醒、進行接近測量以及返回靜止狀態的指令。 透過這種輪詢模式，設計人員進行最佳工作週期配置，在可接受的延遲(即用戶插入/取出耳機與感測器檢測到此事件之間的延遲)水準下，盡可能降低功耗。
使用中斷驅動方式時，MCU會喚醒感測器，讀取之前的樣本，然後讓其自由運行。當出現下一個資料事件時，感測器向主機發出中斷訊號，然後自動進入睡眠狀態。中斷驅動方式的優勢在於，設計人員可以選擇生成中斷訊號的事件類型。這樣，系統就可以將許多主機韌體的任務分流給感測器。由於主機中的CPU非常耗電，因此分流可以節省電能。例如，如果整合式接近感測器模組啟用其「中斷後睡眠」功能，就會自動停用其內部振盪器，同時進入低功耗狀態。
整合式接近感測器模組的可程式設計臨界值功能也非常有用，它可以在接近資料事件超出預先設置的高低計數臨界值間範圍時觸發中斷。這是因為可以將其設置為只有在計數反覆多次超出臨界值範圍之後才觸發中斷。整合式接近感測器模組的硬體可實現此功能和其他中斷篩選功能，以減少主機處理器的負擔。
值得注意的是，中斷驅動模式的時脈確定性不如輪詢模式。事件驅動工作週期將隨著主機處理器回應時間以及接近事件數量變化而變化。除非進行簡化假設，否則這種可變性會加大精確計算功率的難度。基準表徵通常是確定動態運行條件下功耗的最佳方法。
圖3 艾邁斯半導體開發的TWS耳機參考設計，具有透過TMD2635模組實現的接近感測功能。
在中斷驅動模式下，感測器大部分時間都處於自由運行的空閒模式中，通常需30μA平均電流。其功耗比輪詢模式高，在輪詢模式下，感測器通常處於「睡眠」模式，僅消耗0.7μA電流。
在基於整合式接近感測器模組的接近檢測系統中，模組的發射器，即低功耗垂直腔面發射雷射器(VCSEL)具有更大的優勢。大多數IR接近感測器都有一個LED發射器，VCSEL可實現更高的光電轉換效率(通常比LED高出十倍)。此外，由於其波束極窄(視角只有1o~5o)，因此發射器的所有光能均可指向目標。結果：與基於LED的等效感測器系統相比，基於整合式接近感測器模組系統的總功耗明顯更低，且串音干擾減少，訊噪比更高。
節省空間設計
最新的紅外接近感測器模組首次採用了VCSEL技術，與早期元件相比，其功耗獲得明顯改善。此外，接近感測器製造商也對產品設計進行了調整，以滿足TWS耳機內空間要求，同時保持較高的光學效能水準。圖3顯示了在艾邁斯半導體開發的TWS耳機參考設計中，接近感測器占用的空間有多小。其中TMD2635的封裝尺寸為1mm×2mm×0.5mm(參見圖4)。
圖4 TMD2635接近感測模組非常小，占用面積僅1mm3。
製造此類小型元件所面臨的最大挑戰就是光學設計：確保發射和反射光束具有清晰的往返目標路徑，同時限制串擾對光電二極體測量的影響。在紅外接近感測器中，艾邁斯半導體透過小型元器件、精確組裝和高效能光學疊加元件解決了這一問題(圖5)。發射器和光電二極體上方的開孔採用對紅外光高度透明的聚碳酸酯材料覆蓋。開孔可以是圓形(1.5mm直徑)或橢圓形(1mm×2mm)，方便設計人員將感測器靈活地置於耳機空間內。
圖5 ams整合式接近感測器模組側視圖，顯示了系統設計的各結構層。
透過在紅外接近感測器模組中整合可配置電源管理技術、高效VCSEL發射器以及實現靈活系統設計的光學元件，設計人員能夠將接近感測模組輕鬆整合在耳機的狹小空間中，同時可靠檢測耳機是在耳內還是耳外。該模組鐳射發射器出色的光學效率及低「睡眠」模式電流有助於將平均功耗保持在極低水準，進而幫助耳機製造商延長電池(即使是低至25mAh的電池)充電後的使用時間。
(本文作者為艾邁斯半導體整合式光學感測器部門資深產品行銷經理)