TWS耳机入耳检测技术路线及案例解析

电子发烧友网报道（文/李诚）经过多年的“洗牌”，如今TWS耳机产业已经进入了成熟稳定的发展阶段，也为消费者提供了更多的选择。从近年来TWS耳机的发展趋势来看，很多TWS耳机厂商不再像过去一样，在参数方面以“秀肌肉”的方式来展示自己的技术，而是更侧重于参数背后的使用体验，例如在TWS耳机中加入空间音频、ANC降噪、入耳检测等这些功能。
 
其中，入耳检测又被称之为佩戴检测，当戴上或取下耳机时，会立即感知当前耳机的使用状态，并根据感知结果，做出暂停或恢复播放的操作，避免音频漏听的情况出现。
 
入耳检测功能的加入，不仅有利于提升用户的使用体验，在TWS耳机的应用中还可以起到优化电池电量、延长续航的作用。并且这一项功能也成为了TWS耳机的标配，在苹果、华为、小米、OPPO等多家厂商的产品中都有使用。
 
入耳检测的两大技术路线及优缺点
 
在TWS耳机入耳检测领域，目前主要分为电容检测和光学检测两大技术路线。
 
电容检测技术是发展得比较早的一种入耳检测技术，主要通过电容传感器利用RC振荡的原理来检测电容变化。其工作原理和我们经常使用到的手机电容触控屏类似，当人体与电容传感器相互靠近或接触时，电容传感器就会感受到电容的变化，并根据电容的变化来判断，接触信号为持续性信号，还是非持续性信号，以此达到入耳检测目的。
 
其实，在TWS耳机应用中，电容检测技术不仅仅可以用来检测耳机的佩戴状态，还可以当做耳机功能切换的触控按键使用，功能拓展能力极强。同时，由于工作原理和使用器件比较简单，电容式入耳检测还具有较高的性价比优势。不过，电容式入耳检测容易受到温度变化和汗液的影响，具有误触发率高、耳道兼容性差等缺点。
 
耳道兼容性差主要是因为每个人的耳道结构各不相同，在佩戴电容式入耳检测耳机时，会因为耳道与耳机电容检测装置无法保证在有效检测范围之内，而产生误判。
 
针对电容检测技术对温度、汗液敏感以及耳道兼容性差的痛点，近年来越来越多耳机厂商开始走起了具有更高精度的光学检测路线。
 
光学入耳检测技术，主要是在耳机内部加入了红外接近传感器，通过计算发射红外光束与接收的时间，推算出耳机与反射物体的距离，以此判定耳机是否处于佩戴状态。当红外接收装置没接收到反射光，或检测到距离反射物体较远时都会被认定为未佩戴状态。
 
相较于传统的电容式入耳检测技术，光学入耳检测技术的识别精度更高，不易受到环境因素干扰。其缺点在于，需要在耳机表面打孔通光，不利于耳机做防水设计，同时红外光发射与接收装置普遍会比电容检测装置大，会对耳机小型化设计造成一定的阻碍。
 
从市场接受度来看，虽然现阶段光学入耳检测技术在TWS耳机中的应用占比，没有电容式入耳检测技术高，但在TWS耳机市场中，已经有众多主流的耳机厂商都在其旗舰款耳机中使用了该项入耳检测技术，比如苹果的AirPods Pro、华为FreeBuds Pro 2、小米Air 2 Pro、荣耀FlyPods 3等设备。由此可见，光学入耳检测技术还是颇受市场认可的，只不过碍于成本的问题，该项技术未能在低端产品中广泛铺开。
 
电容式入耳检测芯片厂商及实用案例
 
电容式入耳检测技术，是目前TWS耳机市场占比较大的一种检测技术，其中汇顶科技、通泰、Azoteq是该项技术的主要方案提供商。
 
据了解，汇顶科技推出的GH610电容式入耳检测及触控2合1解决方案，得到了众多TWS耳机厂商的采纳和认可，并成功导入终端实现量产。例如，OPPO的Enco Air2 Pro、realme Buds Air3、小度XPods等多款TWS耳机的入耳检测功能，都是基于该方案实现的。
 

图源：汇顶科技

 
GH610芯片内部集成了两个入耳检测通道和一个触控反馈通道，以及自电容感应前端电路，可根据电容变化（电容检测分辨率为fF级）进行入耳检测以及触控操作，从而实现对相应的人机交互界面系统的控制。至于电容式入耳检测对温度比较敏感的问题，汇顶科技在该芯片中加入了温漂自动补偿功能，以此降低因为温度变化而引发的误判概率。同时，该芯片还支持1.7V至5.5V的宽压供电，可轻松应对耳机电池在满电和亏电状态下的电压变化。
 
另外，Azoteq的IQS572电容式入耳检测方案，也在很多款TWS耳机中得到了应用。例如华为的 FreeBuds Studio ，以及在音频领域颇具影响力的Bose，也在 NC700头戴式主动降噪蓝牙耳机中使用了该方案。
 

 
图源：IQS572

 
其实，IQS572并不是Azoteq专门向TWS耳机市场推出的入耳检测芯片，而是一款电容触摸屏控制器。之所以被众多耳机厂商所采用，是因为该芯片内部高度集成了稳压器、基准电容器、ATI自调谐功能以及多通道检测入口，不仅可以为电容识别提出更高的精度，同时还可以满足耳机触控、滑动和入耳检测等多应用需求。
 
光学入耳检测芯片厂商及实用案例
 
光学入耳检测是目前测量精度较高的一种解决方案，从应用的产品市场分布来看，主要体现在中高端市场。其中，敦宏科技、光宝科技、天易合芯、华羿科技、捷腾光电、晶技为主要的方案提供厂商。
 
此前，捷腾光电就推出了一款小尺寸的JSA-1227光学入耳检测方案，其性能也在华为FreeBuds、荣耀FlyPods青春版等TWS耳机中，得到多方验证。
 
据悉，JSA-1227光学入耳检测方案，采用了捷腾光电独有的光学镀膜技术，能够有效降低光学底噪带来的影响，提高光学检测的精度。同时，为延长耳机的入耳检测寿命，捷腾光电还在该解决方案中加入了二段式光学降噪技术。并且，JSA-1227有着较大的宽动态范围，允许在深色玻璃后面进行短距离检测。
 
面对TWS耳机小型化、低功耗的市场需求，JSA-122采用极小的封装工艺，尺寸仅有2.0 *1.0 *0.5 mm，功耗也只有15μA，极具市场竞争力。
 
同时，在光学入耳检测领域，敦宏科技的PX318J光感入耳检测方案，也在OPPO Enco W51、荣耀FlyPods 3耳机中得到验证。
 

 
图源：敦宏科技

 
PX318J是一个集成红外光接近传感器和VCSEL的光学入耳检测模组，内部集成了3个I₂C高速拓展接口，可同时实现多个VCSEL和接近增益控制。为提高光学检测识别精度，敦宏科技还在该模组中加入了智能串扰消除技术，以及温度补偿电路，以此降低入耳检测的误识别频率。
 
在尺寸方面，PX318J的尺寸为2.55*2.2*0.65mm，与捷腾光电JSA-122 的2.0 *1.0 *0.5 mm封装相比大了不少。在功耗方面，PX318J工作功耗为16μA，待机功耗为1μA。据介绍，敦宏科技在PX318J中还加入了可编程电流输出功能，耳机厂商可以通过软件控制VCSEL脉冲宽度和脉冲计数频率，延长耳机的续航能力。
 
结语
 
从市场及技术发展角度来看，虽然现阶段光学入耳检测技术因为成本的问题，并未向低端市场下放，但相信在不久的未来，这一项技术成本会随着激烈的市场竞争和科技的发展不断降低，消费者会也以更实惠的价格，买到带有光学入耳检测功能的TWS耳机。