【導讀】新一代的年輕消費者改變了他們數十年的視聽使用習慣，以前耳機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慣：現在，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。
新一代的年輕消費者改變了他們數十年的視聽使用習慣，以前耳機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慣：現在，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。
行業分析師預計，到 2023 年，市場將以 27％的復合年增長率增長，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。
面對如此快速的增長，耳塞制造商必將面臨激烈的競爭，消費類產品的選擇將受到音頻質量，舒適度和可靠性等重要參數的影響。
另外一個至關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，從而可以關閉顯示器。下面的文章介紹了該技術如何適應小空間的 TWS 耳塞，如何可靠地檢測出耳塞是在耳內還是耳外。
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射源，它發出調制的光脈沖，理想情況下，發射的功率應集中在狹窄的波段內。
在與發射器的峰值強度匹配的波長處具有峰值靈敏度的光電二極管（光傳感器）。
通過嚴格控制系統的工作波長，并通過調制脈沖，可以使傳感器系統不受噪聲影響，噪聲主要包括來自外部的紅外能量源（例如陽光）的干擾以及內部反射（串擾）從模塊外殼到光學系統的其他部分。當發出的紅外光碰撞到范圍內的目標時，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換為數字值，該數字值會隨著目標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 毫米以內時觸發檢測信號，而在最近的物體在 10 毫米以外的距離內時釋放信號。可靠的接近度檢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之間的差值除以基線抖動值（當范圍內無對象時）：
（平均檢測計數值）–（平均釋放計數值）
（抖動計數值）
通常，當此比率》 4 時，SNR 被認為是可以接受的。
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入待機模式減小功耗，但傳感器本身會消耗能量：傳感器的大部分能源消耗都歸因于紅外發射器。幸運的是，耳塞設計人員可以采用兩種技術中的一種來限制傳感器的功耗。首先是通過控制發射周期。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 中單個接近感應事件的脈沖時序
發射極被脈沖化的次數（PPULSE）以及每個脈沖的有效驅動電流的持續時間（PPULSE_LEN）都可以調整，功耗與脈沖數和脈沖長度成正比。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。系統設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用軟件級別生成的信號。在這里，可以對主機處理器進行編程，以輪詢或中斷驅動的方式循環傳感器的有效 / 無效狀態。輪詢方法使主機 MCU 可以精確控制系統時序，在此，接近傳感器通常處于靜態的低功耗狀態。主機微控制器會定期發出命令以喚醒，進行接近度測量，然后返回到靜態狀態。在這種輪詢模式下，設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。當發生下一個數據事件時，傳感器向主機發出中斷信號，然后自動進入睡眠狀態。這種中斷驅動方法的優點是設計人員可以選擇哪種類型的事件會產生中斷信號。這使系統可以將許多任務從主機固件分流到傳感器。由于主機中的 CPU 耗電，因此卸載可以節省電源。因此，當 TMD2635 執行其“中斷后休眠”功能時，它將自動停用其內部振蕩器，從而進入低功耗狀態。
TMD2635 的可編程閾值功能對于在鄰近數據事件落在高計數閾值和低計數閾值之間的預設范圍之外時觸發中斷特別有用，可將其設置為僅在計數反復多次超出閾值窗口之后才觸發，此功能和其他中斷過濾功能在 TMD2635 的硬件中實現，從而減輕了主機處理器的負擔。
值得注意的是，與輪詢相比，中斷驅動模式下的時序確定性較差，事件驅動的占空比將隨主機處理器響應時間的變化以及鄰近事件數的變化而變化。除非進行簡化的預設，否則這種可變性使準確的功率計算變得困難，基準測試通常是確定動態工作條件下功耗的最佳方法。
在中斷驅動模式下，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。
在基于模塊的發射器 TMD2635 的接近檢測系統中，低功率垂直腔表面發射激光器（VCSEL）可以帶來進一步的優勢。大多數紅外接近傳感器都有一個 LED 發射器，但是 VCSEL 可以提供更高的電光轉換效率，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°，因此所有發射器的光能都可以對準目標。結果是，與同等的基于 LED 的傳感器系統相比，其總功耗顯著降低，并且串擾干擾降低，SNR 更高。
節省空間
與較早的設備相比，最新的 IR 接近傳感器模塊集成了 VCSEL 技術，在功耗方面有了實質性的改善。傳感器制造商還正在調整其產品設計，以適應 TWS 耳塞內部的狹窄空間，同時保持高水平的光學性能。
圖 3 顯示了接近傳感器可以在 ams 開發的 TWS 耳塞參考設計中占據的空間很小。該設計中使用的 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 耳機參考設計
圖 4：TMD2635 接近檢測模塊非常小，僅占 1mm3 的體積
制造如此小的設備的最大困難是光學設計：確保發射和反射的光束具有清晰的到達和離開目標的路徑，同時限制串擾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堆疊相結合來實現這一目標（見圖 5）。
圖 5：TMD2635 的側視圖
發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），使設計人員在將傳感器放置在耳塞外殼內時具有更大的靈活性。
結論
TMD2635 模塊中結合了可配置的電源管理技術，高效的 VCSEL 發射器和光學組件，現在為設計人員提供了一種方法，可以在耳塞內部很小的空間內更輕松地集成接近感應，同時提供對耳機位置的可靠檢測。該模塊激光發射器的高光學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品使用時間，即使使用小至 25 mAh 的電池也是如此。
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