【導(dǎo)讀】新一代的年輕消費(fèi)者改變了他們數(shù)十年的視聽(tīng)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(wú)線（TWS）耳塞的推出改變了這種習(xí)慣：現(xiàn)在，用戶即使不聽(tīng)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。
新一代的年輕消費(fèi)者改變了他們數(shù)十年的視聽(tīng)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(wú)線（TWS）耳塞的推出改變了這種習(xí)慣：現(xiàn)在，用戶即使不聽(tīng)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(chǎng)將以 27％的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，屆時(shí)，TWS 有望在銷量上超過(guò)所有其他類型的無(wú)線和有線耳機(jī)。
面對(duì)如此快速的增長(zhǎng)，耳塞制造商必將面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，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(zhǎng)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(kāi)啟。
這需要短距離接近感測(cè)，在移動(dòng)電話中，紅外（IR）接近感應(yīng)模塊檢測(cè)語(yǔ)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(cè)出耳塞是在耳內(nèi)還是耳外。
紅外接近檢測(cè)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(cè)到附近物體反射的光
它包含兩個(gè)主要組件：
一種不可見(jiàn)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(zhǎng)處具有峰值靈敏度的光電二極管（光傳感器）。
通過(guò)嚴(yán)格控制系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)，并通過(guò)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(lái)自外部的紅外能量源（例如陽(yáng)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(cè)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(kāi)）在 3 毫米以內(nèi)時(shí)觸發(fā)檢測(cè)信號(hào)，而在最近的物體在 10 毫米以外的距離內(nèi)時(shí)釋放信號(hào)?？煽康慕咏葯z測(cè)需要足夠的信噪比（SNR）。為了確定 SNR，制造商需要計(jì)算檢測(cè)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(wú)對(duì)象時(shí)）：
（平均檢測(cè)計(jì)數(shù)值）–（平均釋放計(jì)數(shù)值）
（抖動(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(guò)檢測(cè)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(lái)限制傳感器的功耗。首先是通過(guò)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(jiàn)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(zhǎng)度成正比?？梢匝娱L(zhǎng)或縮短一次接近測(cè)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(cè)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(guò)在應(yīng)用軟件級(jí)別生成的信號(hào)。在這里，可以對(duì)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(wú)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(cè)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(cè)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(hào)，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(hào)。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(duì)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(guò)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(jiǎn)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(cè)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(cè)系統(tǒng)中，低功率垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）可以帶來(lái)進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(kāi)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(jiàn)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(cè)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(kāi)目標(biāo)的路徑，同時(shí)限制串?dāng)_對(duì)光電二極管測(cè)量的影響。在 TMD2635 中，ams 通過(guò)將組件小型化，精確組裝和高性能光學(xué)堆疊相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)（見(jiàn)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(duì)紅外光高度透明的聚碳酸酯材料覆蓋。該過(guò)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(duì)耳機(jī)位置的可靠檢測(cè)。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(zhǎng)產(chǎn)品使用時(shí)間，即使使用小至 25 mAh 的電池也是如此。
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