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藍牙耳機

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2019年TWS藍牙耳機產業規模成長200%

產業研究機構Strategy Analytics在最新發布的報告中預測,Apple AirPods在2019年的銷售額達到近6000萬。真無線(TWS)藍牙耳機的銷售額在2019年成長了200%。就出貨量與營收而言,Apple的AirPods還是主導藍牙耳機市場的發展。即使其他供應商進積極經營此市場,蘋果的地位仍難以撼動。 Strategy Analytics表示,2019年,蘋果在TWS市場中占據了50%以上的市占率,而最接近的競爭對手三星和小米市占率都不到10%。而在可預見的未來,任何一家廠商都不太可能在TWS藍牙耳機的銷量或營收方面取代蘋果成為榜首。 在過去的六個月中,TWS晶片的價格降低了一半,為數十家(甚至數百家)提供廉價TWS藍牙耳機的新供應商打開了大門。隨著價格的下降,低階TWS藍牙耳機的銷量激增。消費者負擔不起蘋果、Bose、三星和其他公司提供的高階TWS藍牙耳機,現在有很多便宜的耳機可供選擇。  
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2019年台灣IC設計業成長4.6%達6711億元

2019年台灣IC設計業,因在智慧家庭/真無線(TWS)藍牙耳機/智慧音箱及ASIC相關業務持續成長之下,半導體設計服務業也持續看好,預期台灣半導體設計業2019年產值為新台幣6,711億元,較2018全年成長4.6%。 工研院產科國際所指出,隨著智慧物聯網(AIoT)的需求逐漸高漲,帶動電子產品從早先的單一運作,進而藉由感測週邊資訊,再進行資料處理,並與其他電子產品進行溝通,整體架構成為物聯網系統。也因為感知、運算和通訊是AIoT的基本需求,帶動半導體在感測、微處理和通訊上的應用市場將持續擴張。 工研院預估,2023年前三大的物聯網產品分別是智慧電視、自動駕駛輔助系統(ADAS)及智慧型安防監視器。產值分別達到34億4,600萬美元、28億200萬美元與27億500萬美元,2018年至2023年的年複合成長率分別是7%、199%與62%。 此外,在嵌入式處理器核心架構中,ARM仍是霸主,但近年來RISC-V受到多家廠商擁戴,尤其是RISC-V開源架構沒有授權問題,廣受AIoT產品廠商青睞。傳統通用晶片的模式將愈來愈難適應碎片化AIoT場景的需求,開源、開放是大勢所趨。在晶片開源的商業模式帶動下,未來預期有更多的系統廠商將會開始自製晶片,半導體設計業者宜多加注意這個新類型的生態圈。  
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手機廠積極切入 TWS藍牙耳機成長率達52.9%

根據TrendForce旗下拓墣產業研究院報告指出,隨著藍牙5.0的問世,解決真正無線立體聲(True Wireless Stereo, TWS)藍牙耳機的傳輸與耗電問題,加上Apple推出AirPods後市場快速成長。2019年Samsung、Sony、華為、小米等手機品牌廠也相繼推出TWS藍牙耳機,預計將帶動2019年TWS藍牙耳機出貨量達7,800萬組,年增52.9%。 拓墣產業研究院指出,TWS藍牙耳機逐漸成為市場熱門議題,其產品特色除了聲學性能之外,還強調各種功能服務,比其他耳機產品更接近手機等消費電子的產品策略,再加上具有成為出貨量達「億」級產品的潛力,使得包括Apple、Samsung、Sony、華為、小米等品牌皆積極推出產品,其中以Apple的AirPods占據主要市場,市占率約51.3%。 此外,為增加TWS藍牙耳機附加價值,手機廠也在TWS藍牙耳機上開發語音助理和語音應用,尤其若是考量到要有更快速反應的語音功能,除了強化傳輸功能外,TWS藍牙耳機中也將會搭載簡單的語音助理,讓耳機就能做到特定功能的語音辨識、分析,減少資訊資料的傳輸量和反應時間,此發展趨勢將帶動TWS藍牙耳機硬體性能的提升。因此,除了藍牙通訊晶片外,包括運算晶片、記憶體、甚至是MEMS麥克風都會是TWS藍牙耳機未來需要升級的關鍵零組件。 以目前零組件需求與供給狀況來看,TWS藍牙耳機未來若是導入語音助理,降噪或聲音辨識勢必將成重要功能,也將使得MEMS麥克風數量採用有所增加,一組至少會達到4~6顆的數量。而在關鍵的藍牙晶片模組的部分,除了Apple搭載自行開發的藍牙晶片外,品牌廠多採用國際大廠Qualcomm、Broadcom以及陸廠恒玄的晶片,另外,包含台灣廠商瑞昱、絡達、原相等也陸續推出TWS藍牙耳機晶片模組產品,並陸續吸引品牌廠採用。  
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整合電源/通訊介面 TWS耳機智慧精巧又省電

考量TWS耳機的日常使用情境,有幾種方法可以強化使用者體驗及提供無痛的使用者整合介面。由於TWS耳機的電池空間十分有限,因此,播放時間成為TWS系統設計人員得面對的重大挑戰。一般電池大小可以達到25~80mA/h,這能提供2~4小時的播放時間。一旦電池耗盡,耳機須要重新充電才能再次使用。 目前,最先進的TWS耳機會配備充電器盒,用於為電池充電,而不是將電線連接至每一耳塞。充電盒包括一個較大電池,且能做為收納空間-因為TWS耳機很小,很容易丟失。因為不用依賴電源插座,所以使用者可以在行進間為充電耳機。這種充電盒/耳塞的設計,是為了確保電池始終滿載電力。如此一來,使用者準備好要健身時,不會沮喪地發現耳機因為沒電而沒辦法使用。提昇使用者體驗的另一個方法,是自動啟動和耳機配對。當耳機被塞入耳朵時,使用者不希望還得等待裝置配對或啟動。這應該是一個無縫過程,使用者不用按下任何按鈕就能開始配對。 圖1 系統概圖 增加TWS耳機使用方便性 數據交換須更有效率 為了使標準TWS耳機更聰明且更方便使用,有一個要求非常關鍵,就是充電盒底座和耳機之間的數據交換。如果充電盒感測到耳機的電池狀態,它可以自動開始為耳塞重新充電。由於永遠在線的微控制器單元(MCU)會造成靜態電流消耗,因此這種連續的再充電過程是必要的。反之亦然,如果耳機偵測到充電盒沒電了,它可以透過藍牙連結,自動通知使用者為充電盒電池充電。 對於自動啟動和配對,智慧連結也是有好處的。當充電盒盒蓋被打開,充電盒可以通知耳機,則耳機會從睡眠模式中被喚醒,並開始準備藍牙配對過程,使用者毋須按下耳機上的按鈕就能啟用它們。 如同用戶體驗的強化,充電盒和耳機之間的連結可以促成更好的工業設計、軟體更新、耳機個性化(名稱、等化EQ數據等),也能將音樂資料傳送至耳機,在此僅列出幾個市場上的應用案例,這些產品的功能豐富且擁有差異化特性。 為了更加清楚地了解相關技術,可深入挖掘並仔細查看此一系統,如圖2所示。 圖2 區塊詳圖 就充電盒這部分來看,最重要的,當然是鋰離子電池和隨附的充電器可以透過連結至USB插座的標準5V電源來為電池充電。電源管理區塊(如線性穩壓器LDO和DCDC轉換器)將所需的電源電壓分配給微控制器(MCU),以及充電盒中的其他裝置。必須使用專用的5V電源為耳機供電,以便為它們的電池充電。永遠在線的MCU是做為充電盒的中央控制單元,通常連結至其他數個感測器(蓋子偵測、耳塞偵測等),並連結至充電器以接收充電盒電池狀態更新。 在觸發事件(例如打開蓋子、插入耳機或耳機發送請求)發生之後,它會交換所需資訊或將指令/數據發送至耳機。在耳塞這部分,拓撲基本上非常相似,但是當然還需要藍牙系統單晶片(SoC)。耳機的MCU直接與充電盒的MCU通訊,來回交換資訊。在感測器部分,還有用於耳塞插入偵測的接近感測器、加速感測器、用於健身設備的心率感測感器、溫度感測器和觸控感測器等。 如圖2所示,充電盒和耳機的智慧功能有賴多個接腳來實現。這項事實帶來了一些缺點,若要提高客戶的接受度,TWS解決方案的體積不能比其他有線競爭方案大上太多。因此,要在耳塞上放置額外的極點(Pole),總是必須在空間和功能之間有所妥協。此外,如果需要在耳機上放置幾個極點,對於設計和外觀也是會帶來不好的影響。當然,選擇之一是採取藍牙低功耗連結(BLE)鏈路,但這又會顯著影響物料清單成本,並且增加軟體方面的工作負荷。 一種比較優雅的折衷方案,則是強化標準功能並強制兩個極點用於耳機充電(接地GND和5V)。如果擴展雙線連接的功能,允許耳機充電的同時能和耳機通訊,則可以在不犧牲物理空間或設計期望的情況下,實現所有智慧和使用者友善的功能。專用應用程式可以進一步改善最終的用戶體驗,由於耳機現在能夠為任何智慧裝置提供大量資訊,因此這些應用程式可以發揮得更好。以下列出一些範例: .左側電池狀態 .右側電池狀態 .配對狀態 .左右耳塞名稱或是否匹配 .溫度 .檢查充電盒的軟體更新 .充電盒電池耗盡的通知(尤其是更換電池) 為了結合以上列出的功能,需要對圖2進行一些修改,這會使得系統變得稍稍複雜一些。我們需要找到一種方法來利用5伏電源訊號線,使得電力和數據能利用同一條訊號線進行傳輸。 圖3所示是一個可行且簡化的時序圖,其中顯示了5V電源訊號線,帶有直接調變到訊號線的數據。主機端提供5V電源傳輸到客戶端,以對電池充電,且客戶端能調變可以傳輸至主機端的數據。在理想情況下還可以實現半雙工通訊,其中客戶端和主設備共享單一電力線以交換調變數據,以便能夠在充電盒和耳機之間交換數據。 圖3 利用5V電源線進行數據通訊的建議 強化電阻設計以縮短充電時間 為了正確實現這種單線通訊原理,我們需要採用多種新系統區塊來取代圖2所示的雙串列通訊介面訊號線。在主機端,實現這種調變原理的最簡單方法,就是採用一個線圈來抑制高頻調變內容,以及採用一個調變電阻器,將電壓降調變至5V電源訊號線。 除了線圈之外,還可以利用一個簡單的電流槽(Current Sink)來做為數據調變器。在設計這樣的系統時,重點是要在調變電流和調變電壓電平之間找到良好平衡,以確保系統對於外部電磁干擾有較強的免疫力。另一方面,所使用的調變電流也會影響通訊系統的總功耗。 除了絕對調變電流之外,另一個棘手但重要的參數是它的迴轉率(Slew Rate)。陡峭的電流斜坡可能會導致電磁輻射,進而造成行動電話、藍牙或FM收音機的接收問題。設計必須符合法規,否則最終產品可能無法獲某些市場的銷售許可。此外,調變器也是線路讀取器(Line Reader),用來讀取客戶端設備的調變數據,在圖4中以深色表示,而淺色數據則表示由主機端產生並被發送至客戶端的數據。 圖4 半雙工調變協定範例 在這個協定中,每個幀(Frame)被分成64個時段(Slot),將30位元的數據從主機傳送至客戶端,反之亦然。每個幀都以主機產生的同步脈衝開始,這是客戶端同步其時脈所必需的,這是因為主機端和客戶端並不共享相同的時脈,因此客戶端需要從數據流和同步脈衝提取時脈。 在幀的另一端,客戶端使用主機的同步脈衝終止每個幀,以指示兩個設備同步。毋庸置疑,這個範例需要一些預同步排序,它可能是主機檢測電路的一部分。客戶端的這個區塊是必要的,以確保唯有主機端和客戶端都連結時才會進行數據調變。基於這個目的,一個可行的解決方案是:如果客戶端連結至電源終端,則主機端開始發出脈衝以進行探測。一旦啟動同步偵測器(Startup Sync Detector)偵測到同步脈衝,它就可以喚醒耳塞內的MCU,以開始響應同步脈衝,並指出有效客戶端的存在,然後開始同步彼此。線路讀取器和數據調變器實現了與主機端相同的目的-從主機讀取數據和傳輸數據。 線圈LCLIENT和RMODC被用於阻止高頻內容並將數據調變至電源線。此外,電阻有助於獲得更好的訊號完整性,但如果系統中有更長的訊號線,則更有關係。 針對於短訊號線路,傳輸線和PCB不需要阻抗匹配。當仔細檢視傳輸線,另一個更重要的考量是直流電阻。為了減少TWS耳機的充電時間,重要的是要保持較低的直流電阻以避免較大的電壓降,因為較大的電壓降可能會導致充電器電流減少,這是由於充電輸入端的低輸入電壓所致。特別是小型線圈通常會提供高電阻,這與我們要將電阻保持在最低水準,以最大化充電電流且盡可能縮短消費者充電時間的目標背道而馳。 POW:COM降低智慧TWS開發難度 當然,TWS系統的進化始於其所擁有的各種特性和外型設計。然而,歸功於強勁及快速成長的市場競爭,以及不斷要求突破物理設計極限的嚴苛客戶,TWS將很快達到頂峰。小型化與延長電池壽命的結合,是確保TWS系統能夠在每個人的生活中占有一席之地的關鍵,甚至是無聲無息地進入。 這些關鍵要求導致被提出的實作架構面臨了一個共通問題,如圖5所示。對系統而言,整合所述通訊介面(線路讀取器、時脈提取單元、數據調變器、啟動同步偵測器)的必要區塊,當然不是一件容易的事。考慮到小型耳塞內部既有的尺寸限制,不太可能在最終產品中使用離散元件。此外,系統存在一些既有的複雜性,因此開發需要對於類比和數位設計方面有良好的理解和經驗。對於許多耳機公司而言,這些需要付出的心力,足以讓他們打退堂鼓,並繼續容忍增加額外幾點的壞處,或者就是簡單地不在他們的系統中添加任何智慧。 圖5 雙線電源和通訊區塊圖 為了降低開發智慧TWS系統的門檻,半導體業者ams AG宣布推出POW:COM系統。它由AS3442(主機設備,充電盒內)和AS3447(客戶端設備、耳塞內)組成,增加了更多功能,使得產品開發無須額外耗費太多精力和時間。 AS3442/47的介面是一個標準的I2C介面,可以減少整合工作,而兩個設備之間的通訊是一個量身定做的通訊介面,可以滿足前面提到的技術要求。該介面提供1kBit/s的淨數據傳輸速率,此數據傳輸速率包括所有必要的開銷以及錯誤處理,以傳輸無錯數據,例如電池狀態,序列號或使用者名稱等。 使用簡單的I2C指令,數據能在充電盒和耳機之間來回交換。在AS3447內部,可以使用專用的記憶體空間(「郵箱交換註冊器」)來更新,例如電池電壓電平註冊器。如果耳機內的MCU更新註冊器的數值,則充電盒會自動取得中斷並能夠讀取該數值。如此一來,充電盒MCU始終能夠知道耳機的電池電壓,並可以決定是否需要重新充電。 當然,如果充電盒電池沒電且需通知耳機,則程序是相同的,只是方向相反。除數據交換功能外,此裝置還提供多種通用型輸入輸出(GPIO),可用於喚醒或控制外部設備,如MCU、藍牙SoC、外部電池充電器、感測器或LED等。很明顯地,如果使用POW:COM系統,而不是使用如前所示的多個離散功能區塊,則系統的複雜性會大幅降低。將AS3442和AS3447整合至TWS中,這讓系統設計人員能夠輕鬆實現智慧TWS系統,迎合小型化和延長電池壽命的趨勢。 (本文作者皆任職於ams)
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