集成IR接近传感器可延长TWS耳塞的播放时间

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新一代年轻消费者改变了传统几十年来的耳机使用习惯：在过去，头戴式耳机或半入耳式耳机只是一种配件，用户在需要通过耳机聆听时才会戴着，听完后就会取下。 现在，真无线立体声(TWS)耳塞改变了大家的这一习惯……

新一代年轻消费者改变了传统几十年来的耳机使用习惯：在过去，头戴式耳机或半入耳式耳机只是一种配件，用户在需要通过耳机聆听时才会戴着，听完后就会取下。
现在，真无线立体声(TWS)耳塞改变了大家的这一习惯：如今，即使不在用耳塞聆听时，用户也会一直戴着耳塞，——就如同人们每时每刻都戴着手表，而不仅仅是想看时间的时候才戴着。这是因为TWS耳塞非常舒适、使用方便，亦不引人注目，所以用户认为无需取下来。
由于这些设备越来越受欢迎，行业分析人士预计，到2023年，市场的复合年增长率将会达到27%。届时，TWS耳塞的销量有望超过所有其他类型的无线和有线耳机。
鉴于增长速度如此之快，耳塞制造商必将面临激烈的竞争。消费电子产品的选择将会受一些重要参数的影响，如音频质量、舒适度和可靠性等。
而另一个至关重要的因素将会是电池续航时间，旨在延长充电后的使用时间。尽可能降低功耗的一种方法就是确保取下耳塞时会自动停止播放，戴上耳塞时则再次启动。
这需要使用近距离接近传感技术。移动手机中的红外(IR)接近传感模块可以检测到语音通话时手机是否贴近用户脸部，从而关闭显示屏。
本文介绍如何将这项技术用于空间更小的TWS耳塞中，同时可靠地检测耳塞是在耳内还是耳外。

IR接近检测：工作原理


IR接近传感器的基本工作原理如图1所示。

图1：IR接近传感器检测附近物体的反射光
IR LIGHT：红外光
PROXIMITY SENSOR：接近传感器
INFRARED EMITTER：红外发射器
TARGET：目标
REFLETED IR LIGHT：反射的红外光
主要由两个元器件组成：

[li]一个不可见的红外辐射源，用于发出调制的光脉冲。理想情况下，发射的光功率应集中在狭窄的波段内[/li][li]一个光电二极管（光传感器），其波长峰值灵敏度与发射体的峰值强度匹配。[/li]

通过严格控制系统工作时的波长，同时调制脉冲，可使传感器系统不受噪音影响，主要包括来自外部红外能源（如阳光）的干扰，以及来自模块外壳及其他光学系统叠加元件的内部反射（串扰）。
当发射的红外光击中范围内的目标时，它会反射到光电二极管，光电二极管将测得的红外能量转换为数字信号，该数字信号大小会随着目标的靠近而成比例升高。
通常情况下，TWS耳塞中的接近传感器配置为：当物体（即用户的耳窝）在3mm以内时触发检测信号，当最近的物体在10mm以外时触发释放信号。
可靠的接近检测需要一个适当的信噪比(SNR)。为确定SNR，制造商将检测和释放阈值之差除以范围内无物体时的基准抖动值，从而得出一个比率：

average detect count value：平均检测计数值
average release count value：平均释放计数值
jitter count value：抖动计数值
通常情况下，当该比率＞4时，SNR可以接受。

TWS耳塞：为何每一毫瓦都至关重要


TWS耳塞制造商面临的一个挑战就是尺寸和重量问题：为满足用户的舒适度要求，耳塞必需小而轻。但每个耳塞都需要有自己的能量来源，以便为Bluetooth®无线电、音频处理电路和扬声器供电。电池越小越轻，可储存的能量就越少。
如今，典型的TWS耳塞的电池容量为25-35mAh。这个容量值非常有限：相比之下，普通智能手机的电池容量为3,000mAh。
接近传感器通过检测耳塞何时从耳朵中取出，可帮助降低耳塞小电池的耗电速度。但是，传感器本身也会消耗能量，其大部分能耗源于红外发射器。幸运的是，耳塞设计人员可以通过以下两个技术选项来限制传感器的功耗。
第一个选项是控制接近周期时序：在艾迈斯半导体的集成式接近传感器模块TMD2635中，可轻松控制占空比配置（参见图2）。可以调整发射器的脉冲次数(PPULSE)和每一脉冲的有效驱动电流持续时间(PPULSE_LEN)：功耗与脉冲数和脉冲长度成正比。也可延长或缩短单次接近测量的总时间(PRATE)，这是控制占空比的主要方法。系统设计人员还可以在接近测量周期之间引入一个等待时间(PWTIME)。

图2：TMD2635中单个接近传感事件的脉冲时序
控制占空比的第二种方法是利用应用软件层生成的信号。通过对主机处理器进行编程，以轮询或中断驱动的方式来实现传感器有效/无效状态循环。采用轮询方法让主机MCU能够精确地控制系统时序：接近传感器通常处于低功耗静止状态。主机微控制器定期发出一个唤醒、进行接近测量以及返回静止状态的指令。
通过这种轮询模式，设计人员进行最佳占空比配置，在可接受的延迟（即用户插入/取出耳塞与传感器检测到此事件之间的延迟）水平下，尽可能降低功耗。
使用中断驱动方式时，MCU会唤醒传感器，读取之前的样本，然后让其自由运行。当出现下一个数据事件时，传感器向主机发出中断信号，然后自动进入睡眠状态。中断驱动方式的优势在于，设计人员可以选择生成中断信号的事件类型，这样可以减轻许多主机固件给传感器下达的任务，由于主机中的CPU非常耗电，因此可以节省电能。例如，如果TMD2635启用其“中断后睡眠”功能，就会自动停用其内部振荡器，同时进入低功耗状态。
TMD2635的可编程阈值功能也非常有用，它可以在接近数据事件超出预先设置的高低计数阈值间范围时触发中断。这是因为可以将其设置为只有在计数反复多次超出阈值范围之后才触发中断。TMD2635的硬件可实现此功能和其他中断筛选功能，从而减少了主机处理器的负担。
值得注意的是，中断驱动模式的时序准确性不如轮询模式。事件驱动占空比将随着主机处理器响应时间以及接近事件数量变化而变化。除非进行简化假设，否则这种可变性会加大精确计算功率的难度。基准表征通常是确定动态运行条件下功耗的最佳方法。
在中断驱动模式下，传感器大部分时间都处于自由运行的空闲模式中，通常需30µA平均电流。其功耗比轮询模式高，在轮询模式下，传感器通常处于“睡眠”模式，仅消耗0.7µA电流。
在基于TMD2635的接近检测系统中，模块的发射器，即低功耗垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有更大的优势。大多数IR接近传感器都有一个LED发射器：VCSEL可实现更高的光电转换效率（通常比LED高出十倍）。此外，由于其波束极窄（视角只有1°-5°），因此发射器的所有光能均可指向目标。结果：与基于LED的等效传感器系统相比，基于TMD2635系统的总功耗明显更低，且串音干扰减少，信噪比更高。

节省空间的设计


最新的红外接近传感器模块首次采用了VCSEL技术，与早期器件相比，其功耗获得明显改善。此外，接近传感器制造商也对产品设计进行了调整，以满足TWS耳塞内空间要求，同时保持较高的光学性能水平。图3显示了在艾迈斯半导体开发的TWS耳塞参考设计中，接近传感器占用的空间多小。其中TMD2635的封装尺寸为1mm x 2mm x 0.5mm（参见图4）。

图3：艾迈斯半导体开发的TWS耳塞参考设计，具有通过TMD2635模块实现的接近传感功能

图4：TMD2635接近传感模块非常小，占用面积仅1mm3
制造此类小型器件所面临的最大挑战就是光学设计：确保发射和反射光束具有清晰的往返目标路径，同时限制串扰对光电二极管测量的影响。在TMD2635中，艾迈斯半导体通过小型化元器件、精确组装和高性能光学叠加元件解决了这一问题（参见图5）。发射器和光电二极管上方的开孔采用对红外光高度透明的聚碳酸酯材料覆盖。开孔可以是圆形（1.5mm直径）或椭圆形(1mm x 2mm)，方便设计人员将传感器灵活地置于耳塞外壳内。

图5：TMD2635侧视图，显示了系统设计的各结构层
Apetures (typically made with polycarbonate plastic)：开孔（通常采用聚碳酸酯塑料制成）
Typical optical stack：典型的光学叠加元件

结论


通过在TMD2635模块中集成可配置电源管理技术、高效VCSEL发射器以及实现灵活系统设计的光学组件，设计人员能够将接近传感模块轻松集成在耳塞的狭小空间中，同时可靠检测耳塞是在耳内还是耳外。该模块激光发射器出色的光学效率及低“睡眠”模式电流有助于将平均功耗保持在极低水平，从而帮助耳塞制造商延长电池（即使是低至25mAh的电池）充电后的使用时间。

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传感器也有功耗的吧

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