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IR紅外線智慧感測技術 提升真無線藍牙耳機的續航力

以往我們只在聽音樂的時候,才會戴上耳機,使用完便會取下,畢竟耳機線總是限制著我們活動範圍。然而,真無線藍牙耳機的出現改變了這種習慣,沒有耳機線的束縛,不怕會一直扯到線,導致損壞。除此之外,真無線藍牙耳機大多戴起來都很舒適,重量也不會太重。因此,即使沒在聽音樂時,也不需要取下。

真無線藍牙耳機是現在最受歡迎的聆聽設備,市場需求快速增長,耳機製造商面臨激烈的競爭,必須提升產品的音質、舒適性和穩定性,來增加競爭力。另外,還有一個非常重要的因素就是電池電量,得盡量提升兩次充電之間的使用時間。若是增加電池本身電量,勢必得用體積更大的電池,將導致真無線耳機的體積增加,會很難戴入耳朵,即使勉強戴上,也會很容易脫落。因此,比較可行的作法是當耳機從耳中取出後自動停止播放,並在戴入耳中時再次播放。

要實現如此方便的功能需要IR感測器,像是手機的IR感測器可在通話時感應手機是否靠近臉部,從而可以關閉螢幕。接下來,就要介紹了這個技術如何在體積更小的真無線藍牙耳機中運作,偵測出耳機是在耳內還是耳外。


IR智慧感應:工作原理

IR感測器的基本原理如下圖所示,由兩個主要零件組成:

  • 不可見的IR輻射源會發出調製的光脈衝。理想情況下,發射的光功率應集中在狹窄的波段內
  • 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(光感測器)。

透過嚴格控制系統工作的波長和調製脈衝,可以使傳感器系統不受外部IR能源(例如太陽光)的干擾和其他光學組件的內部反射。當發出的紅外光照射到範圍內的目標時,將反射到光電二極管,將測得的紅外能量轉換為數值,該數值會隨著目標的靠近而成比例增加。

真無線耳機的IR感測器通常會設定當耳朵在3毫米以內時觸發偵測訊號,而在10毫米以外時釋放訊號。可靠的接近檢測需要足夠的訊噪比(SNR)。為了確定SNR,製造商會計算檢測和釋放閾值計數之間的差值除以基線抖動值(當範圍內無對象時):

{(平均檢測計數值)–(平均釋放計數值)} ÷(抖動計數值)
 

比率> 4時,SNR被認為是可以接受的。


真無線藍牙耳機每毫瓦的電量都不容浪費

IR感測器可以偵測何時取出耳機,來幫助降低真無線耳機的耗電速度。但是IR感測器本身也會消耗功率,且大部分來自IR發射器。幸運的是,耳機設計人員可以採用兩種技術之一來限制傳感器的功耗,其中一種就是控制接近週期的時間。艾邁斯半導體(ams)的集成式接近感測器模組TMD2635可以藉由延長或縮短一次接近測量(PRATE)的總時間,輕鬆控制工作週期(見下圖)。

發射極被脈衝化的次數(PPULSE)以及每個脈衝的有效驅動電流的持續時間(PPULSE_LEN)都可以調整,且功耗與脈衝數和脈衝長度成正比。除此之外,系統設計人員還可以在接近測量週期之間引入等待時間(PWTIME)。

另外一種控制工作週期的方法是使用應用程式產生的訊號,對主機處理器進行編程,以輪詢或中斷驅動的方式,循環IR感測器的活動與非活動狀態。


輪詢

輪詢方式使主機MCU可以精確控制系統時序,IR感測器通常處於靜態、低功耗狀態。主機微控制器會定期發出指令,進行接近測量,然後再次返回靜態狀態。在這種輪詢模式下,設計人員將配置最佳工作週期,使用最小的功率,同時提供可接受的等待時間,即用戶戴上/取下耳機與感測器偵測到此事件之間的延遲。


中斷驅動

在中斷驅動的方法中,主機會先喚醒IR感測器,讀取其先前的樣本,然後使其自由運作。當發生下一個事件時,IR感測器向主機發出中斷信號,然後進入睡眠狀態。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,使系統可以將許多任務從主機分流到感測器,可以節省電源。例如,當TMD2635進入「中斷後休眠」功能時,會自動停用其內部振盪器,進入低功耗狀態。

當事件落在預先設定的高、低臨界值之外時,TMD2635的可編程臨界值的功能特別有用,因為可以將其設置為僅在計數反復多次超出臨界值之後才觸發。TMD2635的硬體就可實現此功能和其他中斷過濾功能,減輕了主機處理器的負擔。

需要注意的是,與輪詢相比,中斷驅動模式下的時序確定性較差。事件驅動的工作週期將隨主機處理器響應時間的變化,以及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。因此,基準測試通常是確定動態運作條件下功耗的最佳方法。

在中斷驅動模式下,IR感測器將其大部分時間花費在自由運行的閒置模式下,通常消耗30 µA的平均電流。這比輪詢消耗的功率還要多,輪詢在睡眠模式下,通常只消耗0.7 µA的電流。


TMD2635的接近偵測系統中,低功率垂直共振腔面射雷射器(VCSEL)帶來更大的優勢。大多數紅外線感測器都有一個LED的發射器,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。另外,由於其光束非常窄,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,與使用LED的感測器系統相比,其總功耗明顯降低,並且串擾更少,訊噪比更高。


節省體積的設計

與早期的設備相比,最新的IR感測器首次結合了VCSEL技術,在功耗方面有了實質性的改善。此外,製造商正在調整產品設計,使其適合真無線藍牙耳機內的狹窄空間,並同時保持高水準的光學效能。

在上圖可以看到,在艾邁斯半導體開發的真無線耳機參考設計中,IR感測器所佔空間非常小,且該設計中使用的TMD2635的封裝尺寸為1mm x 2mm x 0.5mm(見下圖)。

製造這種小型零件的光學設計不是一件簡單的事,必須確保發射和反射光束有清晰的路徑可以往返目標,同時限制串擾對光電二極管測量的影響。在TMD2635中,透過將零件小型化,精確組裝和高性能光學堆疊零件來實現這一目標(見下圖)。

發射器和光電二極管上方的開孔有對紅外線高度透明的聚碳酸酯材料覆蓋,該孔可能是圓形的(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IR感測器放置在真無線耳機內部時具有更大的靈活性。


結論

IR感測器結合了可調整的電源管理技術高效的VCSEL發射器光學組件,為設計人員提供了一種方法,可以更輕鬆地將接近感測模組放在耳機內部很小的空間內,同時提供偵測耳機是否在耳內。

模組發射器的高光學效率及其休眠模式的低電流有助於將平均功耗保持在非常低的水平,幫助耳機製造商延長兩次充電之間的使用時間。


文章說明:
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編輯日期:
(1) 最新更新日期:2020年06月29日
(2) 文章發表日期:2020年06月29日

參考來源:sensorsdaily

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對耳機有濃厚的熱愛,喜歡玩耳機,分享耳機知識,了解最新耳機科技及全球耳機趨勢。

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