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如今智能水表的計(jì)量方案非常豐富,，其中磁電原理計(jì)量方式以其無可比擬的性價(jià)比,，成為當(dāng)前智能水表主流的計(jì)量方案,，磁電原理計(jì)量方式又分為有磁計(jì)量和無磁計(jì)量兩種技術(shù)路線,。

有磁計(jì)量通過檢測(cè)磁鐵旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)信息來實(shí)現(xiàn)水表中水流量數(shù)據(jù)采集。檢測(cè)磁鐵的磁傳感器類型有TMR磁開關(guān)傳感器,、AMR磁開關(guān)傳感器和霍爾磁開關(guān)傳感器,。

無磁計(jì)量相對(duì)于有磁計(jì)量顯著的區(qū)別是將被測(cè)介質(zhì)由磁鐵改成半圓形金屬片，相應(yīng)的檢測(cè)傳感器改成渦流線圈,。工作功耗和計(jì)數(shù)準(zhǔn)確是評(píng)估計(jì)量方案好壞的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，本文將詳細(xì)講述不同磁電計(jì)量方案在智能水表中的功耗表現(xiàn),。

圖1 智能水表中磁電計(jì)量的不同技術(shù)原理

一,、功耗和響應(yīng)頻率的關(guān)系

在研發(fā)設(shè)計(jì)中功耗和響應(yīng)頻率往往是一對(duì)矛盾指標(biāo)，通過犧牲響應(yīng)頻率來實(shí)現(xiàn)低功耗或者通過增加功耗來實(shí)現(xiàn)較高的響應(yīng)頻率,。在智能水表產(chǎn)品中,，功耗越低可以讓電池的工作壽命越長；響應(yīng)頻率越高可以追蹤轉(zhuǎn)速越快的指針,，從而實(shí)現(xiàn)精度更高的計(jì)量檢測(cè),。

圖2 基于 AMR,、霍爾、無磁線圈技術(shù)原理的功耗和頻響關(guān)系

圖3 基于 TMR 磁技術(shù)原理的功耗和頻響關(guān)系

二,、不同磁電計(jì)量的物理原理

TMR 磁開關(guān)傳感器：磁檢測(cè)單元由一組 MTJ 元件構(gòu)成,，各 MTJ 元件核心結(jié)構(gòu)為主要由自由層（磁性金屬）、絕緣層,、釘扎層（磁性金屬）堆疊成的三明治結(jié)構(gòu),。其工作原理是 MTJ 元件自由層磁取向會(huì)隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度而發(fā)生變化，釘扎層磁取向基本不隨外磁場(chǎng)變化,，自由層相對(duì)釘扎層磁取向變化會(huì)使得磁檢測(cè)單元電阻值改變,，通過測(cè)量電阻值就可以反映磁場(chǎng)變化。由于有絕緣層的存在,，使得磁檢測(cè)單元非常容易實(shí)現(xiàn) MΩ 以上的電阻值,，同時(shí)自由層感應(yīng)磁場(chǎng)的時(shí)間通常在 ns 量級(jí)，使得 TMR 磁開關(guān)傳感器從物理特性上就可以兼具 0.0005 mA ~ 0.002 mA 極低功耗（全時(shí)供電時(shí),，單位電壓下的工作電流）和 1 kHz 以上的響應(yīng)頻率,。

AMR 磁開關(guān)傳感器：磁檢測(cè)原理是利用鐵磁材料各向異性磁阻效應(yīng)：外磁場(chǎng)強(qiáng)度變化會(huì)造成鐵磁材料磁化方向發(fā)生變化；而在鐵磁材料上電流方向和磁化方向的夾角變化,，會(huì)使器件電阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化,。商業(yè)化 AMR 器件的所使用材料均為金屬，電阻率較低,，使得 AMR 器件的電阻值通常在 kΩ 級(jí)別,。AMR 磁開關(guān)傳感器的典型功耗是 1 mA ~10 mA。

HALL 磁開關(guān)傳感器：磁檢測(cè)原理是利用霍爾效應(yīng),，經(jīng)典霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的前提是通有電流的霍爾元件導(dǎo)體處于垂直于霍爾元件平面的磁場(chǎng)中,，這樣霍爾元件中垂直于電流方向會(huì)產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度的電壓，通過檢測(cè)這個(gè)電壓來檢測(cè)磁場(chǎng)大小,。HALL 磁開關(guān)傳感器的典型功耗是 5 mA ~ 20 mA,。

無磁線圈感應(yīng)：無磁線圈感應(yīng)是利用渦流效應(yīng)，給線圈一定的交變電流,，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)并且會(huì)在金屬形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),，金屬的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)線圈自身的交變電流形成一定的反作用。無磁線圈感應(yīng)的典型功耗是 0.5 mA ~10 mA,。

三,、降低功耗的常見方式與風(fēng)險(xiǎn)隱患

1、芯片內(nèi)部做分時(shí)供電電路,，常見于低功耗霍爾磁開關(guān),、低功耗AMR磁開關(guān)、無磁線圈專用芯片,。

圖4 內(nèi)部分時(shí)供電電路機(jī)制

如圖 4 所示,，為了實(shí)現(xiàn)將 0.5 mA ~ 20 mA 的典型本征功耗降低至 1 μA ~ 20 μA 的平均功耗,，在傳感器電源前增加了一個(gè)分時(shí)供電的開關(guān)電路，讓傳感器在整個(gè)開關(guān)周期中 99% 以上的時(shí)間處于休眠狀態(tài),，1% 以下的時(shí)間在工作狀態(tài),。

2、通過外部 IO 口給傳感器分時(shí)供電,，常見于霍爾磁開關(guān),、AMR 磁開關(guān)外圍電路。

圖5 外部分時(shí)供電電路機(jī)制

如圖 5 所示,，磁開關(guān)傳感器的 V_DD 和 GND 的其中一路由 MCU 的 I/O 口來負(fù)責(zé)周期性導(dǎo)通,，導(dǎo)通原理和傳感器內(nèi)部的分時(shí)供電類似，只是在傳感器外部通過 MCU I/O 口的通斷完成,。

以上兩種降低功耗方式本質(zhì)上都是通過對(duì)磁電檢測(cè)傳感器單元的電源長時(shí)間關(guān)斷和短時(shí)間開啟來實(shí)現(xiàn)表面上很低的平均功耗,，在智能水表應(yīng)用存在以下風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：

從信號(hào)質(zhì)量上考慮，長時(shí)間工作在休眠狀態(tài)會(huì)使得計(jì)量信號(hào)存在滯后響應(yīng),，同時(shí)也帶來了計(jì)量信號(hào)丟失的風(fēng)險(xiǎn),。

從抗電磁干擾上考慮，長時(shí)間工作在電源通斷的過程中,，抗外部電磁干擾能力會(huì)受到影響,，有一定的概率出現(xiàn)傳感器信號(hào)輸出卡死情況。

從電路系統(tǒng)上考慮,，電源開關(guān)上頻繁的上升沿和下降沿會(huì)間接的對(duì) MCU 的 IO 口造成過沖的情況,，增加了系統(tǒng) MCU 故障率發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

四,、TMR磁開關(guān)計(jì)量在智能水表中的性能表現(xiàn)

江蘇多維科技有限公司 (MultiDimension Technology Co., LTD. ,英文簡(jiǎn)稱“MDT”,，以下簡(jiǎn)稱“多維科技”) 在智能水表計(jì)量市場(chǎng)應(yīng)用的 TMR 磁開關(guān)傳感器內(nèi)部全時(shí)供電設(shè)計(jì)，典型功耗在 1.5 μA,，并且響應(yīng)頻率在 1 kHz 以上,，可以有效檢測(cè)到萬分位水流量信息，真正意義上做到和機(jī)械水表一樣的讀取精度,，從源頭上消除了誤計(jì)量,、漏計(jì)量的風(fēng)險(xiǎn)。

另外,，多維科技TMR磁開關(guān)傳感器芯片內(nèi)部集成了高性能的 ESD 器件,，結(jié)合工作在全時(shí)供電模式的特點(diǎn)，使得多維科技 TMR 磁開關(guān)傳感器芯片在水表計(jì)量的抗電磁干擾能力上表現(xiàn)優(yōu)異,。

圖6 基于 TMR 技術(shù)的計(jì)量方案在智能水表上的綜合表現(xiàn)

經(jīng)過多年的耕耘與實(shí)踐，多維科技在智能水表磁電計(jì)量應(yīng)用方面,，積累了豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),，已為多家智能水表客戶量身定制了正反轉(zhuǎn)計(jì)量,、強(qiáng)磁報(bào)警計(jì)量等多款解決方案，并已批量供貨,。多維科技豐富的智能水表計(jì)量檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì),，可有效縮短客戶的新品研發(fā)周期。

多維科技 (MDT) 已為全球客戶穩(wěn)定供貨 xMR 磁性傳感器產(chǎn)品十多年,，芯片產(chǎn)品出貨量已超 5 億顆,。多維科技傾力打造的磁傳感器晶圓 IDM 模式制造平臺(tái)，經(jīng)過十多年不斷地累積,，高度整合了供應(yīng)鏈資源,，為向客戶穩(wěn)定供貨和按時(shí)交貨提供了強(qiáng)有力的保證。多維科技為滿足客戶多元化的定制需要,，將努力提供更多,、更好的優(yōu)質(zhì)磁傳感器芯片產(chǎn)品。

文 / 江蘇多維科技有限公司 市場(chǎng)部 陳金亮