TWS真無線立體聲(True Wireless Stereo, TWS)藍牙耳機近年迅速成為最受歡迎的穿戴裝置，2020年，藍牙技術聯盟宣布藍牙5.2規範，同時正式發表無線耳機的音訊應用技術－低功耗藍牙音訊(Bluetooth LE Audio)，可以協助多年來使用經典藍牙技術的TWS無線耳機，實現更高品質和更低功耗的音訊串流，預計2022年，市場上會陸續出現支援LE Audio的產品，預計將取代採用經典藍牙技術的架構，成為TWS藍牙耳機主流。
LE Audio將提供基於傳統藍牙所無法實現的新應用，包含多重串流音訊及廣播音訊。並透過LC3(Low Complexity Communication Codec)編碼技術，改善音訊編碼的品質與延遲問題，與現有音訊編碼技術相較，LC3擁有更好的壓縮率與音訊還原效率，在相同頻寬的編碼率下，提供更好的音訊品質，並在不犧牲聲音品質的前提下降低耗電量，未來TWS藍牙耳機體積更小、更省電、音質更好。本活動深入探討藍牙耳機技術發展重點，並挖掘相關零組件關鍵技術與系統設計要點。
Bluetooth LE Audio急登主流
自從TWS耳機崛起之後，再次帶動藍牙應用產品的成長，尤其是音訊應用，升級1998年以來就沒有大規模改版的經典藍牙音訊(Bluetooth Classic Audio)技術的需求日漸高漲，Nordic資深應用工程師鍾睿洲(圖1)表示，根據產業研究機構的資料，2022年下半年就會出現第一款支援經典與低功耗藍牙音訊雙模的手機，此後低功耗音訊會逐漸擴大市場，2025年上半年將會有僅支援低功耗音訊的手機問世，預計2026年初經典音訊就會退出手機市場。
經典藍牙音訊已經無法支援近來的多種新興應用情境，新的低功耗音訊強化許多新功能，鍾睿洲指出，在架構底層除了原先的ACL Channel之外，還新增了Isochronous Channel，可以發展廣播(Broadcast)功能；而LE Audio最主要在編解碼器上使用LC3，相較於經典音訊使用的SBC編解碼器，不僅音質大幅提升，訊號支援也更為廣泛，取樣率從8kHz~48kHz，每通道的資料速率從16~320kbps。
另外，GAF(Generic Audio Framwork)也定義了相當多種使用情境的規範，這在過去經典音訊上面都沒有，以基本音訊使用定義為例，LE Audio的BAP(Basic Audio Profile)定義了編解碼器、服務品質與串流控制，可以控制左右耳、聲音大小，與各種裝置互聯的控制定義檔，包括：PACS、ASCS、CSIP、VCP、VCS、VOCS、AICS等等定義，相較過去功能與支援情境更為完整全面。
MEMS麥克風持續推高SNR
聲音是人們感知世界的重要方式，電子產品接收聲音主要利用麥克風(Microphones)，隨著行動裝置的發展，麥克風從早期的駐極體麥克風(ECM)，發展到高SNR、收音效果更好的微機電(MEMS)麥克風，SNR也從60dB成長到80dB。英飛凌電源管理及感測系統事業部經理魏有成(圖2)提到，這些電子產品用的微小元件，體積約僅5×4×3mm3，但收音效果已經可以媲美錄音室等級的專業大型麥克風。
根據產業研究機構資料，2019~2025年麥克風平均年複合成長率達13%，手機與TWS耳機就是產值最大的兩個應用，而語音助理的普及，也帶動麥克風的搭載，魏有成說，為了強化收音的效果與降噪的功能，資訊產品搭載麥克風數量也有所提升，最新的Apple AirPods Pro內建6個MEMS麥克風。Infineon也從2010年的單背板(Single Backplate)SNR約58~64dB，到2014年雙背板(Dual Backplate)SNR進步到63~69dB，2020年更推出雙振膜(Sealed Dual Membrane)，將感應腔體形成類真空的狀態，讓聲音感測更靈敏，SNR進步到68~75dB。
而自從2019年AirPods Pro將主動降噪(Active Noise Cancellation, ANC)功能導入耳道式耳機，就讓ANC功能在TWS耳機產業蔚為風潮，魏有成預期，未來ANC還是TWS耳機最主要的功能亮點，但將加入更多智慧化的功能，如通透模式。另外，省電也是TWS耳機不變的要求，透過智慧環境偵測功能，可以即時判斷環境跟使用者需要，隨時動態調整，提供使用者省電模式或需要的SNR。
TWS耳機電源管理不可少
TWS耳機身為幾乎是最貼身、體積最小的行動周邊，在發展的過程中耗電一直是最被重視的功能之一，尤其是在原先就侷限的產品體積中，要加入更多消費者需求的功能，並持續延長產品續航力更是工程師最重要的任務之一。Renesas應用工程師許家瑋(圖3)說明，TWS電源解決方案主要會採用整合度高的電源管理晶片(PMIC)，相較於離散式的電源架構，能節省空間，同時採用更少元件。
一般耳機的電源與充電元件包括降壓充電器(Buck Charger)、SV Boost、MCU與數顆低壓差穩壓器(Low-dropout Regulator, LDO)，許家瑋進一步解釋，採用整合性的PMIC設計，除了是體積更為緊湊的單晶片之外，至少可以減少SV Boost與一個電感器。而PMIC在省電功能上也可以有更多設計，目前Renesas的解決方案中，節電模式下電流損耗低於5μA，待機模式電流損耗小於15μA，反向升壓模式電流損耗不到60μA。
在節電的效果上主要是在不同的模式下，會將不必要的功能關斷，避免耗電，許家瑋舉例，在節電模式下，許多傳統產品會使用隔離片，現在新興的電子產品比較傾向採用節電模式，在產品開封使用前，透過節電模式降低電力損耗，使大部分的元件不耗電，電池消電流僅1μA。
穿戴裝置安規設計不容輕忽
TWS耳機是非常貼身使用的穿戴裝置，產品使用的安全性相當重要，在安規測試上有幾個要點，UL消費醫療暨資訊科技事業部專案經理施柏屹(圖4)說明，人體接觸表面溫度、防火外殼、失效/異常測試、音壓、電器規格、危險運輸、防水、環保回收等項目。這些項目的電器安全也源自不同的安全規範，如最常出問題的電池，IEC 62133-2就規範了電池的充放電與溫度規範。
以人體接觸表面溫度為例，一般的重點在配戴時間，施柏屹指出，若連續配戴時間超過1分鐘，但低於8小時，可以忍受的溫度在48℃以下；如果是8小時以上長時間配戴，則溫度上限就會更嚴格訂在43℃。若電池內部化學成分因為不正常的升溫，導致產品過熱而起火或爆炸，會對使用者造成直接的傷害，所以有些產品的外殼設計也希望有阻燃的功能，添加阻燃劑在外殼的成分中，降低電池失效過熱起火或爆炸的傷害。
施柏屹解釋，TWS耳機問世至今，其實並不常見安規事故，由於產品體積小，裡面的電池能量也小，而且產品使用型態屬於長時間低電量放電，但是因為配戴在耳朵，一旦發生事故都非常嚴重，可能造成皮膚灼傷、聽力受損或五官的傷害，相對而言都滿嚴重的。另外，在正常使用上，也會因為消費者長時間配戴，音量與音壓過高而使聽力受損，一般人每天接受80分貝的聲音8小時是極限，如果聲音更大可以使用時間就要再降低；再者，耳機的防水防塵、無線充電安全、光學輻射安全也都是設計上需要注意的重點。
