機電分離式水表,，是將機械傳動和電子計量部分完全分開,。與傳統(tǒng)一體式水表相比,，機電分離式設計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,。近幾年來,，機電分離式水表在智能水表領域成了主流設計。本文結合了多維科技多年來服務于各大水表廠商的技術應用經(jīng)驗,，選取幾個比較關心的話題與大家分享,。
一、功耗的問題
因傳統(tǒng)的脈沖水表都采用干簧管的來做,，干簧管是機械部件,，本身沒有功耗，但機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,，設計、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、設計焊接和灌封工藝幾個方面進行分析,。
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),，從而存在漏計脈沖的風險,。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計原理來看,，與霍爾也是一樣的,，所以作為水表計量最為關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”,，導致的采樣率低,、漏計脈沖的情況發(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,，頻率響應高達1KHz，是其他磁阻傳感器芯片的50-100倍,，不會有漏計脈沖的風險,，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,，結構也相對復雜,。
圖三 磁傳感器技術參數(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)因為芯片本身的問題導致的功耗大。
2.電路板設計和焊接工藝
機電分離式水表的磁阻傳感器芯片感應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，在設計管腳的時候,，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,。另外孔徑要設計的合理,，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去，導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,，要做好灌封實驗，以達到最好防水防潮的效果,。
二,、磁鐵和芯片配合問題
因機電分離水表磁鐵和磁阻傳感器芯片的距離較遠，如果磁阻傳感器芯片的靈敏度不夠高,，感應區(qū)間范圍就小,，為了滿足磁場強度的需求，很多廠家都選用磁性更強且成本低的釹鐵硼,，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,，如果磁場強度設計在最大的臨界狀態(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)設計成最強,，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。綜上磁鐵強度建議不要選到極限,，讓芯片工作在磁場的臨界點,，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,，所以在最初設計時一定要做好冗余,，原則上在吸合點的磁場強度要求至少大于芯片標準OP吸合點的2倍,，斷開點的磁場強度小于芯片標準RP斷開點的1/2。所以從一致性和長期工作的穩(wěn)定來看,，機電分離水表用更穩(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，以滿足不同水表設計的要求,。
三,、多維科技芯片應用方案
機電分離式水表方案常用的有多種，如果方案設計的不合理,，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)典方案設計進行一下簡單說明：
方案一：智能防盜計數(shù)升級版
雙磁鐵+雙級鎖存芯片方案
智能防盜計數(shù)升級版方案，運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,。適當調(diào)整芯片的位置就能保證相位重疊判斷正反轉的要求,，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 智能水表應用示意圖（智能防盜計數(shù)升級版）
圖五 磁開關傳感器芯片應用示意圖
方案二：智能計數(shù)版
一顆磁鐵+兩顆全級磁傳感器芯片
智能計數(shù)版方案是通過兩顆芯片輸出的脈沖計數(shù),，不判斷正反轉，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的設計,，因為此種設計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 智能水表應用示意圖（智能計數(shù)版）
上述內(nèi)容是通過在機電分離式水表客戶處反饋的一些問題，從功耗,、磁鐵配置,、芯片選型和方案設計等幾個方面進行了分析，并提出了參考建議,，僅供參考，如有問題歡迎咨詢交流,。
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