新一代的年輕消費(fèi)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(shí)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(huì)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(jì)，到2023年，市場將以27％的復(fù)合年增長率增長，屆時(shí)，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(fèi)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(gè)至關(guān)重要的因素將是電池壽命，以維持更長的使用時(shí)間。減少耗電量的一種方法是確保耳塞從耳中取出后自動(dòng)停止播放，并在插入耳中時(shí)再次開啟。

　　這需要短距離接近感測，在移動(dòng)電話中，紅外（IR）接近感應(yīng)模塊檢測語音通話期間何時(shí)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(gè)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(shí)，它會(huì)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(huì)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(shí)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(shí)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(jì)算檢測閾值和釋放閾值計(jì)數(shù)之間的差值除以基線抖動(dòng)值（當(dāng)范圍內(nèi)無對象時(shí)）：

　　（平均檢測計(jì)數(shù)值）–（平均釋放計(jì)數(shù)值）

　?。ǘ秳?dòng)計(jì)數(shù)值）

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

　　為什么每個(gè)mW都很重要

　　接近傳感器可以通過檢測何時(shí)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(huì)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(yùn)的是，耳塞設(shè)計(jì)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(gè)接近感應(yīng)事件的脈沖時(shí)序

　　發(fā)射極被脈沖化的次數(shù)（PPULSE）以及每個(gè)脈沖的有效驅(qū)動(dòng)電流的持續(xù)時(shí)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(shí)間，這是控制占空比的主要方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以在接近度測量周期之間引入等待時(shí)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(dòng)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(shí)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(huì)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(jì)人員可配置最佳占空比，該占空比使用最小的功率，同時(shí)提供可接受的等待時(shí)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(dòng)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(yùn)行。當(dāng)發(fā)生下一個(gè)數(shù)據(jù)事件時(shí)，傳感器向主機(jī)發(fā)出中斷信號，然后自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這種中斷驅(qū)動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員可以選擇哪種類型的事件會(huì)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(shí)，它將自動(dòng)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(jì)數(shù)閾值和低計(jì)數(shù)閾值之間的預(yù)設(shè)范圍之外時(shí)觸發(fā)中斷特別有用，可將其設(shè)置為僅在計(jì)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(shí)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(dòng)模式下的時(shí)序確定性較差，事件驅(qū)動(dòng)的占空比將隨主機(jī)處理器響應(yīng)時(shí)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(jì)算變得困難，基準(zhǔn)測試通常是確定動(dòng)態(tài)工作條件下功耗的最佳方法。

　　在中斷驅(qū)動(dòng)模式下，傳感器大部分時(shí)間花費(fèi)在自由運(yùn)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(shí)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(gè)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(shí)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(jì)，以適應(yīng)TWS耳塞內(nèi)部的狹窄空間，同時(shí)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(jì)中占據(jù)的空間很小。該設(shè)計(jì)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(jì)

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(jì)：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(shí)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(shí)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(jì)人員在將傳感器放置在耳塞外殼內(nèi)時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)間，即使使用小至25 mAh的電池也是如此。