簡述機(jī)電分離式水表中的磁阻芯片使用注意事項(xiàng)

機(jī)電分離式水表，是將機(jī)械傳動和電子計(jì)量部分完全分開。與傳統(tǒng)一體式水表相比，機(jī)電分離式設(shè)計(jì)提高了電子元件壽命，加快了模塊化生產(chǎn)效率，方便了售后維護(hù)。近幾年來，機(jī)電分離式水表在智能水表領(lǐng)域成了主流設(shè)計(jì)。本文結(jié)合了多維科技多年來服務(wù)于各大水表廠商的技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選取幾個比較關(guān)心的話題與大家分享。

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功耗的問題

因傳統(tǒng)的脈沖水表都采用干簧管的來做，干簧管是機(jī)械部件，本身沒有功耗，但機(jī)電分離水表干簧管的靈敏度不夠，只能采用靈敏度高的磁阻傳感器芯片的方案，磁阻傳感器芯片是電子器件，是有一定功耗的。如果磁阻傳感器芯片本身選型得當(dāng)，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和灌封環(huán)節(jié)多注意，也不會出現(xiàn)功耗大的問題。下面從芯片選型、設(shè)計(jì)焊接和灌封工藝幾個方面進(jìn)行分析。

1、磁傳感器芯片選型

目前磁傳感器芯片主要為霍爾和磁阻傳感器芯片，磁阻傳感器芯片從發(fā)展歷程來看主要分為三代AMR、GMR和TMR，從低功耗角度來講，AMR和GMR 磁阻傳感器芯片的功耗較大，一般在mA級，為了降低功耗，內(nèi)部與低功耗霍爾芯片一樣采用休眠喚醒，也就是分時供電的模式來工作，為了使得功耗降低到一定的程度，大部分時間都在休眠狀態(tài)，從而存在漏計(jì)脈沖的風(fēng)險(xiǎn)。

霍爾本身的成本要比干簧管低很多，為何在傳統(tǒng)的脈沖表里面沒有替代干簧管，除了一致性的問題，另外一個主要的問題就是功耗大，原因是分時供電電路部分的電路工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致的功耗變大，并且功耗可能會成千倍的增長，將水表電池能量很快消耗完。

為了避免此問題，水表的控制板會單獨(dú)控制霍爾的供電管腳，定時的上電讀取數(shù)據(jù)，再斷電的二次外部分時供電模式，這樣芯片一直在外部和內(nèi)部反復(fù)的切換上電和斷電的工作模式。這樣的工作模式一方面外部會增加水表控制模塊的工作量和功耗，另外芯片本身長期的處于上電和斷電的狀態(tài)，對自身工作的穩(wěn)定性和壽命都會有影響。

分時供電的AMR磁阻傳感器芯片從低功耗的設(shè)計(jì)原理來看，與霍爾也是一樣的，所以作為水表計(jì)量最為關(guān)鍵的傳感器采集部分，都存在上面提到的與霍爾一樣的情況，采用分時供電的模式，芯片會有“睡了不醒”，或“睡的時間太長”，導(dǎo)致的采樣率低、漏計(jì)脈沖的情況發(fā)生，反過來說，如果芯片“長期失眠”，或“睡眠不足”，則會導(dǎo)致芯片的功耗直線上升。

圖一 某AMR磁阻芯片的工作電流和休眠電流

圖二 霍爾和AMR磁阻芯片的休眠喚醒工作周期

多維科技的TMR磁阻傳感器芯片與AMR、GMR磁阻傳感器芯片相比較，本身阻值很高，不用做任何的處理就能做到uA級的功耗，不用分時供電，響應(yīng)速度也高，工作狀態(tài)下功耗只有其他磁阻傳感器芯片的近千分之一，頻率響應(yīng)高達(dá)1KHz，是其他磁阻傳感器芯片的50-100倍，不會有漏計(jì)脈沖的風(fēng)險(xiǎn)。

表廠也不用考慮將磁阻傳感器芯片放在哪個升位，即使放在升位或純電子水表的計(jì)量都沒有問題。數(shù)據(jù)采集部分可以中斷而不是輪詢的方式。圖三是磁傳感器技術(shù)的參數(shù)對比，多維科技的TMR磁阻傳感器芯片的功耗最低，靈敏度最高，結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜。

圖三 磁傳感器技術(shù)參數(shù)對比

綜上所述，從芯片選型來看，從本源上選擇多維科技的低功耗TMR磁阻傳感器芯片，不會出現(xiàn)因?yàn)樾酒旧淼膯栴}導(dǎo)致的功耗大。

2、電路板設(shè)計(jì)和焊接工藝

機(jī)電分離式水表的磁阻傳感器芯片感應(yīng)方向是水平于芯片表面，為了與磁鐵更好的匹配，一般都用直插件，在設(shè)計(jì)管腳的時候，要注意焊盤之間的間距，不宜過小，太小容易造成焊接時候的連焊。另外孔徑要設(shè)計(jì)的合理，TO92S封裝的插件底部的管腳略寬，孔徑合適，芯片插入后會卡住，不會晃動，以防止人工焊接時松動，導(dǎo)致焊歪，從而影響一致性。另外要用質(zhì)量好的助焊劑，如助焊劑選的不好，會導(dǎo)致管腳之間阻值變小，影響芯片的正常工作和功耗，助焊劑焊接完成后最好用酒精棉擦拭下。在灌封之前最好加電做靜態(tài)功耗測試。

3、灌封工藝

因水表長期工作在潮濕的環(huán)境中，需要將磁阻傳感器芯片電路部分灌封，以達(dá)到防水防潮的目的，灌封一般用環(huán)氧樹脂和聚氨脂居多，相對而言環(huán)氧樹脂應(yīng)力與電路板的吸合力較差，如果灌封的工藝把控的不好，由于內(nèi)外有壓差，一般水氣會從線束的縫隙進(jìn)去，導(dǎo)致芯片的外部管腳受潮，電源和地之間，輸出端與地之間的阻值變小，從而功耗變大，建議有條件的電路板最好刷三防漆。各水表廠商的產(chǎn)品灌封工藝都不盡相同，要做好灌封實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到最好防水防潮的效果。

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磁鐵和芯片配合問題

因機(jī)電分離水表磁鐵和磁阻傳感器芯片的距離較遠(yuǎn)，如果磁阻傳感器芯片的靈敏度不夠高，感應(yīng)區(qū)間范圍就小，為了滿足磁場強(qiáng)度的需求，很多廠家都選用磁性更強(qiáng)且成本低的釹鐵硼，以滿足芯片占空比的要求，但釹鐵硼隨著溫度的變化，磁性會發(fā)生變化，尤其是在溫度高的時候，磁性有衰減，另外工作時間長也容易退磁，從而影響占空比，如果磁場強(qiáng)度設(shè)計(jì)在最大的臨界狀態(tài)，磁鐵的退磁現(xiàn)象會影響水表長期的穩(wěn)定工作，從而增加了水表工作異常的隱患。

另外的還有一個問題，如果磁鐵已經(jīng)設(shè)計(jì)成最強(qiáng)，如芯片的一致性不好，也就是不同批次的靈敏度不一致，輕則改變占空比，嚴(yán)重的不吸合或者兩個芯片同時吸合，誤判為磁攻擊。綜上磁鐵強(qiáng)度建議不要選到極限，讓芯片工作在磁場的臨界點(diǎn)，以防止磁性衰減，引起問題。

建議盡量選用釤鈷磁鐵，磁性相對釹鐵硼弱一些，但其工作穩(wěn)定，可以配合靈敏度更高，感應(yīng)范圍更寬的磁阻傳感器芯片，通過調(diào)整磁阻傳感器芯片的位置來保證磁場強(qiáng)度在安全的區(qū)域?？紤]到磁鐵和磁阻傳感器芯片的一致性，以及磁鐵退磁及安裝誤差的影響，所以在最初設(shè)計(jì)時一定要做好冗余，原則上在吸合點(diǎn)的磁場強(qiáng)度要求至少大于芯片標(biāo)準(zhǔn)OP吸合點(diǎn)的2倍，斷開點(diǎn)的磁場強(qiáng)度小于芯片標(biāo)準(zhǔn)RP斷開點(diǎn)的1/2。

所以從一致性和長期工作的穩(wěn)定來看，機(jī)電分離水表用更穩(wěn)定的釤鈷磁鐵和多維科技靈敏度更高的TMR磁阻傳感器芯片是最佳的選擇。多維科技TMR磁阻傳感器芯片有不同靈敏度和回差系列芯片，以滿足不同水表設(shè)計(jì)的要求。

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多維科技芯片應(yīng)用方案

機(jī)電分離式水表方案常用的有多種，如果方案設(shè)計(jì)的不合理，在量產(chǎn)的過程中也會存在很多問題，下面對常用的兩種經(jīng)典方案設(shè)計(jì)進(jìn)行一下簡單說明：

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方案一：智能防盜計(jì)數(shù)升級版

雙磁鐵+雙級鎖存芯片方案

智能防盜計(jì)數(shù)升級版方案，運(yùn)用雙級鎖存芯片輸出的信號通過兩顆不同級性的磁鐵來控制。適當(dāng)調(diào)整芯片的位置就能保證相位重疊判斷正反轉(zhuǎn)的要求，另外再配一顆靈敏度高的全級磁阻傳感器芯片來判斷磁攻擊。此種方案的優(yōu)勢是能保證50%的占空比，受磁鐵和安裝一致性的影響不大，利于批量生產(chǎn)。此方案常用計(jì)量脈沖的型號是TMR1202T/TMR1208T，常用的防磁攻擊型號是：TMR1302S/TMR1362S/TMR1366S

圖四 智能水表應(yīng)用示意圖（智能防盜計(jì)數(shù)升級版）

圖五 磁開關(guān)傳感器芯片應(yīng)用示意圖

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方案二：智能計(jì)數(shù)版

一顆磁鐵+兩顆全級磁傳感器芯片

智能計(jì)數(shù)版方案是通過兩顆芯片輸出的脈沖計(jì)數(shù)，不判斷正反轉(zhuǎn)，兩顆芯片相位不能相交，也就是雙吸，雙吸的狀態(tài)是判斷為有磁攻擊。此方案不建議客戶做兩個脈沖重疊，通過相位來判斷正反轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，因?yàn)榇朔N設(shè)計(jì)有占空比和相位重疊的脈寬的要求，在量產(chǎn)的時候一旦磁鐵和安裝有誤差，會帶來很多問題。此類應(yīng)用的多維科技磁傳感器芯片型號是：TMR1302T/TMR1302BT/TMR1303T/TMR1303BT

圖六 智能水表應(yīng)用示意圖（智能計(jì)數(shù)版）

上述內(nèi)容是通過在機(jī)電分離式水表客戶處反饋的一些問題，從功耗、磁鐵配置、芯片選型和方案設(shè)計(jì)等幾個方面進(jìn)行了分析，并提出了參考建議，僅供參考，如有問題歡迎咨詢交流。

編輯：jq