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

有磁計量通過檢測磁鐵旋轉的磁場信息來實現水表中水流量數據采集。檢測磁鐵的磁傳感器類型有TMR磁開關傳感器、AMR磁開關傳感器和霍爾磁開關傳感器。

無磁計量相對于有磁計量顯著的區別是將被測介質由磁鐵改成半圓形金屬片，相應的檢測傳感器改成渦流線圈。工作功耗和計數準確是評估計量方案好壞的兩個關鍵指標，本文將詳細講述不同磁電計量方案在智能水表中的功耗表現。

圖1 智能水表中磁電計量的不同技術原理

一、功耗和響應頻率的關系

在研發設計中功耗和響應頻率往往是一對矛盾指標，通過犧牲響應頻率來實現低功耗或者通過增加功耗來實現較高的響應頻率。在智能水表產品中，功耗越低可以讓電池的工作壽命越長；響應頻率越高可以追蹤轉速越快的指針，從而實現精度更高的計量檢測。

圖2 基于 AMR、霍爾、無磁線圈技術原理的功耗和頻響關系

圖3 基于 TMR 磁技術原理的功耗和頻響關系

二、不同磁電計量的物理原理

TMR 磁開關傳感器：磁檢測單元由一組 MTJ 元件構成，各 MTJ 元件核心結構為主要由自由層（磁性金屬）、絕緣層、釘扎層（磁性金屬）堆疊成的三明治結構。其工作原理是 MTJ 元件自由層磁取向會隨外加磁場強度而發生變化，釘扎層磁取向基本不隨外磁場變化，自由層相對釘扎層磁取向變化會使得磁檢測單元電阻值改變，通過測量電阻值就可以反映磁場變化。由于有絕緣層的存在，使得磁檢測單元非常容易實現 MΩ 以上的電阻值，同時自由層感應磁場的時間通常在 ns 量級，使得 TMR 磁開關傳感器從物理特性上就可以兼具 0.0005 mA ~ 0.002 mA 極低功耗（全時供電時，單位電壓下的工作電流）和 1 kHz 以上的響應頻率。

AMR 磁開關傳感器：磁檢測原理是利用鐵磁材料各向異性磁阻效應：外磁場強度變化會造成鐵磁材料磁化方向發生變化；而在鐵磁材料上電流方向和磁化方向的夾角變化，會使器件電阻值產生相應的變化。商業化 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 級別。AMR 磁開關傳感器的典型功耗是 1 mA ~10 mA。

HALL 磁開關傳感器：磁檢測原理是利用霍爾效應，經典霍爾效應產生的前提是通有電流的霍爾元件導體處于垂直于霍爾元件平面的磁場中，這樣霍爾元件中垂直于電流方向會產生正比于磁場強度的電壓，通過檢測這個電壓來檢測磁場大小。HALL 磁開關傳感器的典型功耗是 5 mA ~ 20 mA。

無磁線圈感應：無磁線圈感應是利用渦流效應，給線圈一定的交變電流，線圈周圍會產生交變磁場并且會在金屬形成感應電動勢，金屬的感應電動勢會對線圈自身的交變電流形成一定的反作用。無磁線圈感應的典型功耗是 0.5 mA ~10 mA。

三、降低功耗的常見方式與風險隱患

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

圖4 內部分時供電電路機制

如圖 4 所示，為了實現將 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分時供電的開關電路，讓傳感器在整個開關周期中 99% 以上的時間處于休眠狀態，1% 以下的時間在工作狀態。

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

圖5 外部分時供電電路機制

如圖 5 所示，磁開關傳感器的 V_DD 和 GND 的其中一路由 MCU 的 I/O 口來負責周期性導通，導通原理和傳感器內部的分時供電類似，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上都是通過對磁電檢測傳感器單元的電源長時間關斷和短時間開啟來實現表面上很低的平均功耗，在智能水表應用存在以下風險點：

從信號質量上考慮，長時間工作在休眠狀態會使得計量信號存在滯后響應，同時也帶來了計量信號丟失的風險。

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

從電路系統上考慮，電源開關上頻繁的上升沿和下降沿會間接的對 MCU 的 IO 口造成過沖的情況，增加了系統 MCU 故障率發生的風險。

四、TMR磁開關計量在智能水表中的性能表現

江蘇多維科技有限公司 (MultiDimension Technology Co., LTD. ,英文簡稱“MDT”，以下簡稱“多維科技”) 在智能水表計量市場應用的 TMR 磁開關傳感器內部全時供電設計，典型功耗在 1.5 μA，并且響應頻率在 1 kHz 以上，可以有效檢測到萬分位水流量信息，真正意義上做到和機械水表一樣的讀取精度，從源頭上消除了誤計量、漏計量的風險。

另外，多維科技TMR磁開關傳感器芯片內部集成了高性能的 ESD 器件，結合工作在全時供電模式的特點，使得多維科技 TMR 磁開關傳感器芯片在水表計量的抗電磁干擾能力上表現優異。

圖6 基于 TMR 技術的計量方案在智能水表上的綜合表現

經過多年的耕耘與實踐，多維科技在智能水表磁電計量應用方面，積累了豐富的項目經驗，已為多家智能水表客戶量身定制了正反轉計量、強磁報警計量等多款解決方案，并已批量供貨。多維科技豐富的智能水表計量檢測經驗和專業的技術支持團隊，可有效縮短客戶的新品研發周期。

多維科技 (MDT) 已為全球客戶穩定供貨 xMR 磁性傳感器產品十多年，芯片產品出貨量已超 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，經過十多年不斷地累積，高度整合了供應鏈資源，為向客戶穩定供貨和按時交貨提供了強有力的保證。多維科技為滿足客戶多元化的定制需要，將努力提供更多、更好的優質磁傳感器芯片產品。

文 / 江蘇多維科技有限公司 市場部 陳金亮