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技术应用经验，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。

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。

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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