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芯片应用 | 机电分离式水表中的磁阻芯片使用注意事项

发布日期:2020年10月30日    浏览次数:324

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 机电分离式水表,是将机械传动和电子计量部分完全分开。与传统一体式水表相比,机电分离式设计提高了电子元件寿命,加快了模块化生产效率,方便了售后维护。近几年来,机电分离式水表在智能水表领域成了主流设计。本文结合了多维科技多年来服务于各大水表厂商的技术应用经验,选取几个比较关心的话题与大家分享。

 

 

一、功耗的问题

 

 

 因传统的脉冲水表都采用干簧管的来做,干簧管是机械部件,本身没有功耗,但机电分离水表干簧管的灵敏度不够,只能采用灵敏度高的磁阻传感器芯片的方案,磁阻传感器芯片是电子器件,是有一定功耗的。如果磁阻传感器芯片本身选型得当,设计、生产和灌封环节多注意,也不会出现功耗大的问题。下面从芯片选型、设计焊接和灌封工艺几个方面进行分析。


1.磁传感器芯片选型

 

 目前磁传感器芯片主要为霍尔和磁阻传感器芯片,磁阻传感器芯片从发展历程来看主要分为三代AMR、GMR和TMR,从低功耗角度来讲,AMR和GMR 磁阻传感器芯片的功耗较大,一般在mA级,为了降低功耗,内部与低功耗霍尔芯片一样采用休眠唤醒,也就是分时供电的模式来工作,为了使得功耗降低到一定的程度,大部分时间都在休眠状态,从而存在漏计脉冲的风险。霍尔本身的成本要比干簧管低很多,为何在传统的脉冲表里面没有替代干簧管,除了一致性的问题,另外一个主要的问题就是功耗大,原因是分时供电电路部分的电路工作不稳定,导致的功耗变大,并且功耗可能会成千倍的增长,将水表电池能量很快消耗完。为了避免此问题,水表的控制板会单独控制霍尔的供电管脚,定时的上电读取数据,再断电的二次外部分时供电模式,这样芯片一直在外部和内部反复的切换上电和断电的工作模式。这样的工作模式一方面外部会增加水表控制模块的工作量和功耗,另外芯片本身长期的处于上电和断电的状态,对自身工作的稳定性和寿命都会有影响。

 分时供电的AMR磁阻传感器芯片从低功耗的设计原理来看,与霍尔也是一样的,所以作为水表计量最为关键的传感器采集部分,都存在上面提到的与霍尔一样的情况,采用分时供电的模式,芯片会有“睡了不醒”,或“睡的时间太长”,导致的采样率低、漏计脉冲的情况发生,反过来说,如果芯片“长期失眠”,或“睡眠不足”,则会导致芯片的功耗直线上升

 

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图一 某AMR磁阻芯片的工作电流和休眠电流

 

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图二 霍尔和AMR磁阻芯片的休眠唤醒工作周期


 多维科技的TMR磁阻传感器芯片与AMR、GMR磁阻传感器芯片相比较,本身阻值很高,不用做任何的处理就能做到uA级的功耗,不用分时供电,响应速度也高,工作状态下功耗只有其他磁阻传感器芯片的近千分之一,频率响应高达1KHz,是其他磁阻传感器芯片的50-100倍,不会有漏计脉冲的风险,表厂也不用考虑将磁阻传感器芯片放在哪个升位,即使放在升位或纯电子水表的计量都没有问题。数据采集部分可以中断而不是轮询的方式。图三是磁传感器技术的参数对比,多维科技的TMR磁阻传感器芯片的功耗最低,灵敏度最高,结构也相对复杂。

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图三 磁传感器技术参数对比

 

综上所述,从芯片选型来看,从本源上选择多维科技的低功耗TMR磁阻传感器芯片,不会出现因为芯片本身的问题导致的功耗大。 


2.电路板设计和焊接工艺

 

 机电分离式水表的磁阻传感器芯片感应方向是水平于芯片表面,为了与磁铁更好的匹配,一般都用直插件,在设计管脚的时候,要注意焊盘之间的间距,不宜过小,太小容易造成焊接时候的连焊。另外孔径要设计的合理,TO92S封装的插件底部的管脚略宽,孔径合适,芯片插入后会卡住,不会晃动,以防止人工焊接时松动,导致焊歪,从而影响一致性。另外要用质量好的助焊剂,如助焊剂选的不好,会导致管脚之间阻值变小,影响芯片的正常工作和功耗,助焊剂焊接完成后最好用酒精棉擦拭下。在灌封之前最好加电做静态功耗测试。

 

3.灌封工艺

 

 因水表长期工作在潮湿的环境中,需要将磁阻传感器芯片电路部分灌封,以达到防水防潮的目的,灌封一般用环氧树脂和聚氨脂居多,相对而言环氧树脂应力与电路板的吸合力较差,如果灌封的工艺把控的不好,由于内外有压差,一般水气会从线束的缝隙进去,导致芯片的外部管脚受潮,电源和地之间,输出端与地之间的阻值变小,从而功耗变大,建议有条件的电路板最好刷三防漆。各水表厂商的产品灌封工艺都不尽相同,要做好灌封实验,以达到最好防水防潮的效果。

 


二、磁铁和芯片配合问题

 

 因机电分离水表磁铁和磁阻传感器芯片的距离较远,如果磁阻传感器芯片的灵敏度不够高,感应区间范围就小,为了满足磁场强度的需求,很多厂家都选用磁性更强且成本低的钕铁硼,以满足芯片占空比的要求,但钕铁硼随着温度的变化,磁性会发生变化,尤其是在温度高的时候,磁性有衰减,另外工作时间长也容易退磁,从而影响占空比,如果磁场强度设计在最大的临界状态,磁铁的退磁现象会影响水表长期的稳定工作,从而增加了水表工作异常的隐患。

另外的还有一个问题,如果磁铁已经设计成最强,如芯片的一致性不好,也就是不同批次的灵敏度不一致,轻则改变占空比,严重的不吸合或者两个芯片同时吸合,误判为磁攻击。综上磁铁强度建议不要选到极限,让芯片工作在磁场的临界点,以防止磁性衰减,引起问题。建议尽量选用钐钴磁铁,磁性相对钕铁硼弱一些,但其工作稳定,可以配合灵敏度更高,感应范围更宽的磁阻传感器芯片,通过调整磁阻传感器芯片的位置来保证磁场强度在安全的区域。考虑到磁铁和磁阻传感器芯片的一致性,以及磁铁退磁及安装误差的影响,所以在最初设计时一定要做好冗余,原则上在吸合点的磁场强度要求至少大于芯片标准OP吸合点的2倍,断开点的磁场强度小于芯片标准RP断开点的1/2。所以从一致性和长期工作的稳定来看,机电分离水表用更稳定的钐钴磁铁和多维科技灵敏度更高的TMR磁阻传感器芯片是最佳的选择。多维科技TMR磁阻传感器芯片有不同灵敏度和回差系列芯片,以满足不同水表设计的要求。

 

 

三、多维科技芯片应用方案

 


机电分离式水表方案常用的有多种,如果方案设计的不合理,在量产的过程中也会存在很多问题,下面对常用的两种经典方案设计进行一下简单说明:

 

 

方案一:智能防盗计数升级版

双磁铁+双级锁存芯片方案

 

 智能防盗计数升级版方案,运用双级锁存芯片输出的信号通过两颗不同级性的磁铁来控制。适当调整芯片的位置就能保证相位重叠判断正反转的要求,另外再配一颗灵敏度高的全级磁阻传感器芯片来判断磁攻击。此种方案的优势是能保证50%的占空比,受磁铁和安装一致性的影响不大,利于批量生产。此方案常用计量脉冲的型号是TMR1202T/TMR1208T,常用的防磁攻击型号是:TMR1302S/TMR1362S/TMR1366S


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图四 智能水表应用示意图(智能防盗计数升级版)

 

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图五 磁开关传感器芯片应用示意图

 

 


方案二:智能计数版

一颗磁铁+两颗全级磁传感器芯片

 


 智能计数版方案是通过两颗芯片输出的脉冲计数,不判断正反转,两颗芯片相位不能相交,也就是双吸,双吸的状态是判断为有磁攻击。此方案不建议客户做两个脉冲重叠,通过相位来判断正反转的设计,因为此种设计有占空比和相位重叠的脉宽的要求,在量产的时候一旦磁铁和安装有误差,会带来很多问题。此类应用的多维科技磁传感器芯片型号是:TMR1302T/TMR1302BT/TMR1303T/TMR1303BT

 

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图六 智能水表应用示意图(智能计数版) 



 上述内容是通过在机电分离式水表客户处反馈的一些问题,从功耗、磁铁配置、芯片选型和方案设计等几个方面进行了分析,并提出了参考建议,仅供参考,如有问题欢迎咨询交流。


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