红外接近传感器的工作原理解析

　　新一代的年轻消费者改变了他们数十年的视听使用习惯，以前耳机只是在需要的时候才佩戴，而如今真无线（TWS）耳塞的推出改变了这种习惯：现在，用户即使不听也会一直戴耳塞，就像人们一直戴手表一样，而且TWS耳塞非常舒适，方便且不引人注目。

　　行业分析师预计，到2023年，市场将以27％的复合年增长率增长，届时，TWS有望在销量上超过所有其他类型的无线和有线耳机。

　　面对如此快速的增长，耳塞制造商必将面临激烈的竞争，消费类产品的选择将受到音频质量，舒适度和可靠性等重要参数的影响。

　　另外一个至关重要的因素将是电池寿命，以维持更长的使用时间。减少耗电量的一种方法是确保耳塞从耳中取出后自动停止播放，并在插入耳中时再次开启。

　　这需要短距离接近感测，在移动电话中，红外（IR）接近感应模块检测语音通话期间何时将电话握在用户的脸部，从而可以关闭显示器。下面的文章介绍了该技术如何适应小空间的TWS耳塞，如何可靠地检测出耳塞是在耳内还是耳外。

　　红外接近检测的工作原理

　　红外接近传感器的基本操作如图1所示。

图1：IR接近传感器检测到附近物体反射的光

　　它包含两个主要组件：

　　一种不可见的红外发射源，它发出调制的光脉冲，理想情况下，发射的功率应集中在狭窄的波段内。

　　在与发射器的峰值强度匹配的波长处具有峰值灵敏度的光电二极管（光传感器）。

　　通过严格控制系统的工作波长，并通过调制脉冲，可以使传感器系统不受噪声影响，噪声主要包括来自外部的红外能量源（例如阳光）的干扰以及内部反射（串扰）从模块外壳到光学系统的其他部分。当发出的红外光碰撞到范围内的目标时，它会反射到光电二极管上，该光电二极管将测得的红外能量转换为数字值，该数字值会随着目标的靠近而成比例增加。

　　在TWS耳塞中，通常将接近传感器配置为在物体（在这种情况下，用户的耳朵张开）在3毫米以内时触发检测信号，而在最近的物体在10毫米以外的距离内时释放信号。可靠的接近度检测需要足够的信噪比（SNR）。为了确定SNR，制造商需要计算检测阈值和释放阈值计数之间的差值除以基线抖动值（当范围内无对象时）：

　　（平均检测计数值）–（平均释放计数值）

　　（抖动计数值）

　　通常，当此比率> 4时，SNR被认为是可以接受的。

　　为什么每个mW都很重要

　　接近传感器可以通过检测何时从耳中取出了耳塞从而进入待机模式减小功耗，但传感器本身会消耗能量：传感器的大部分能源消耗都归因于红外发射器。幸运的是，耳塞设计人员可以采用两种技术中的一种来限制传感器的功耗。首先是通过控制发射周期。在ams的集成式接近传感器模块TMD2635中，占空比配置易于控制（见图2）。

图2：TMD2635中单个接近感应事件的脉冲时序

　　发射极被脉冲化的次数（PPULSE）以及每个脉冲的有效驱动电流的持续时间（PPULSE_LEN）都可以调整，功耗与脉冲数和脉冲长度成正比。可以延长或缩短一次接近测量（PRATE）的总时间，这是控制占空比的主要方法。系统设计人员还可以在接近度测量周期之间引入等待时间（PWTIME）。

　　控制占空比的第二种方法是通过在应用软件级别生成的信号。在这里，可以对主机处理器进行编程，以轮询或中断驱动的方式循环传感器的有效/无效状态。轮询方法使主机MCU可以精确控制系统时序，在此，接近传感器通常处于静态的低功耗状态。主机微控制器会定期发出命令以唤醒，进行接近度测量，然后返回到静态状态。在这种轮询模式下，设计人员可配置最佳占空比，该占空比使用最小的功率，同时提供可接受的等待时间，即用户插入/卸下耳塞与传感器检测事件之间的延迟。

　　在中断驱动的方法中，MCU唤醒传感器，读取其先前的样本，然后使其自由运行。当发生下一个数据事件时，传感器向主机发出中断信号，然后自动进入睡眠状态。这种中断驱动方法的优点是设计人员可以选择哪种类型的事件会产生中断信号。这使系统可以将许多任务从主机固件分流到传感器。由于主机中的CPU耗电，因此卸载可以节省电源。因此，当TMD2635执行其“中断后休眠”功能时，它将自动停用其内部振荡器，从而进入低功耗状态。

　　TMD2635的可编程阈值功能对于在邻近数据事件落在高计数阈值和低计数阈值之间的预设范围之外时触发中断特别有用，可将其设置为仅在计数反复多次超出阈值窗口之后才触发，此功能和其他中断过滤功能在TMD2635的硬件中实现，从而减轻了主机处理器的负担。

　　值得注意的是，与轮询相比，中断驱动模式下的时序确定性较差，事件驱动的占空比将随主机处理器响应时间的变化以及邻近事件数的变化而变化。除非进行简化的预设，否则这种可变性使准确的功率计算变得困难，基准测试通常是确定动态工作条件下功耗的最佳方法。

　　在中断驱动模式下，传感器大部分时间花费在自由运行的空闲模式下，通常消耗30 µA的平均电流，这比轮询消耗的功率更多，轮询通常仅在传感器处于睡眠模式时消耗0.7 µA的电流。

　　在基于模块的发射器TMD2635的接近检测系统中，低功率垂直腔表面发射激光器（VCSEL）可以带来进一步的优势。大多数红外接近传感器都有一个LED发射器，但是VCSEL可以提供更高的电光转换效率，通常比LED的效率高十倍。此外，由于光束非常窄，视角仅为1°至5°，因此所有发射器的光能都可以对准目标。结果是，与同等的基于LED的传感器系统相比，其总功耗显着降低，并且串扰干扰降低，SNR更高。

　　节省空间

　　与较早的设备相比，最新的IR接近传感器模块集成了VCSEL技术，在功耗方面有了实质性的改善。传感器制造商还正在调整其产品设计，以适应TWS耳塞内部的狭窄空间，同时保持高水平的光学性能。

　　图3显示了接近传感器可以在ams开发的TWS耳塞参考设计中占据的空间很小。该设计中使用的TMD2635的封装尺寸为1mm x 2mm x 0.5mm（见图4）。

图3：基于TMD2635模块的TWS耳机参考设计

图4：TMD2635接近检测模块非常小，仅占1mm3的体积

　　制造如此小的设备的最大困难是光学设计：确保发射和反射的光束具有清晰的到达和离开目标的路径，同时限制串扰对光电二极管测量的影响。在TMD2635中，ams通过将组件小型化，精确组装和高性能光学堆叠相结合来实现这一目标（见图5）。

图5：TMD2635的侧视图

　　发射器和光电二极管上方的孔被对红外光高度透明的聚碳酸酯材料覆盖。该过孔可以是圆形的（直径为1.5毫米）或椭圆形的（1毫米x 2毫米），使设计人员在将传感器放置在耳塞外壳内时具有更大的灵活性。

　　结论

　　TMD2635模块中结合了可配置的电源管理技术，高效的VCSEL发射器和光学组件，现在为设计人员提供了一种方法，可以在耳塞内部很小的空间内更轻松地集成接近感应，同时提供对耳机位置的可靠检测。该模块激光发射器的高光学效率和低休眠模式电流有助于将平均功耗保持在非常低的水平，从而帮助耳塞制造商延长产品使用时间，即使使用小至25 mAh的电池也是如此。