简述机电分离式水表中的磁阻芯片使用注意事项

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威廉希尔官方网站 应用经验，选取几个比较关心的话题与大家分享。

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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。

图一 某AMR磁阻芯片的工作电流和休眠电流

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。图三是磁传感器威廉希尔官方网站 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。

图三 磁传感器威廉希尔官方网站 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。

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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。

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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：

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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

图四 智能水表应用示意图（智能防盗计数升级版）

图五 磁开关传感器芯片应用示意图

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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

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。

编辑：jq