【技术】舌簧开关在低功耗计量应用中的五大优势

当提到诸如水表和煤气表的低功耗计量应用时，一些设计工程师认为：解决位置传感挑战的最佳途径是采用最先进的解决方案。在选择最新最优秀的技术时，他们可能会选择固态磁阻（MR）或霍尔效应传感器。原因有三：敏感性、耐用性和可靠性。

这些创新技术虽然提供了一些优势，但和舌簧开关技术得以证实的好处相比却相形见绌。几十年来，舌簧开关一直用于低功耗、电池供电的应用，并且有很好的理由。

本文探讨了该技术的五大优势——低工作功耗、紧密的功耗公差、精确的磁灵敏度开关点、以及固有的开关点磁滞。此外，舌簧开关还可以针对灵敏度和其他应用特定的要求提供简单的定制。全球范围内对舌簧开关技术的需求增长以及其在各种应用中的使用证实了该技术在传感和控制市场中举足轻重的地位。

低功耗计量应用的要求

适合自动抄表（AMR）系统的煤气表和水表需要功耗很少的传感器。水和煤气的用量通常是由连接至一个旋转轴的磁体测量的。每转一次都会转换成一个电信号并且由一个嵌入式控制器将其累计。

低功耗是这些系统中一个关键的设计参数。此外，在无需更换电池的前提下，这些计量表的预期使用寿命通常为20年。因此，节约电池电量是延长电源的可用寿命的关键。

固态传感技术

如前所述，一些设计工程师在低功耗计量应用中选择的是固态传感技术，包括磁阻传感器和霍尔效应传感器。磁阻传感器是单片集成电路器件，内置有与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路匹配的电阻元件。当暴露于磁场时，磁阻器件的电阻会随磁场的方向变化而变化。这种电阻上的变化可以用来检测外加磁场的变化。磁阻传感器可以起到非接触开关的作用，且电流消耗极低、灵敏度和可靠性高。然而，典型的磁阻传感器会持续不断地消耗少量电流。

霍尔效应传感器是基于半导体的换能器，可以针对磁场的变化而改变输出电压。这些传感器将霍尔传感元件与电路结合在一起，提供与磁场变化相对应的数字开/关功能，而无需任何活动件。

和磁阻传感器一样，霍尔效应传感器也会持续不断地消耗少量电流。磁阻传感器和霍尔效应传感器对于许多低功耗、电池供电的应用来说并不是理想选择，因为它们不符合精度和功率的严格要求。

舌簧开关技术

舌簧开关虽然被视为是一项成熟的技术，由于其易用性和可靠的性能，在低功耗应用中却一直是一个受欢迎的选择。舌簧开关是一种由外加磁场控制的电子开关。这种开关由两个或三个被称为簧片的金属薄片组成，在簧片的尖端有被隔开一小段距离的电镀触点。

簧片通常被封闭在充满惰性气体的密封玻璃管中。磁体或电磁体的磁场会使簧片弯曲，从而接通或断开开关触点。图1所示的是舌簧开关的各种组件。

图1：舌簧开关的组件

图2显示了舌簧开关在水表或煤气表的流量监测部分中的位置。

图2：在水表或煤气表中作为流量测量仪的舌簧开关

舌簧开关技术的五大优势

1、工作功耗低

与磁阻传感器和霍尔效应传感器相比，舌簧开关所需的功率要低很多。这些微功率传感技术通过使用主动传感的低占空比而实现低功耗，这需要恒定的电流来运行一个内部的振荡器。

而与此相反的是，舌簧开关是无源元件，其运行不需要任何功率。一个低功耗舌簧开关配置包含与场效应晶体管（FET）开关组合使用的两个舌簧开关（见图3）。舌簧开关可以被设计用来以真正的零功率感测旋转运动，除非其中一个开关检测到了运动。

图3：与场效应晶体管开关组合使用的两个舌簧开关

在图3中，M为磁体；SW1和2为舌簧开关。当SW1闭合时，SW2断开。Q1被关闭，以防止功率消耗。当SW2闭合时，微控制器唤醒，关闭Q2，接通Q1，并再次进入睡眠状态。当SW1闭合时，这些事件会以类似的顺序发生。

另外，系统中已有的一个微控制器可以以10Hz的速率轮询一个舌簧开关触点，会产生大约10 µs/100 ms*10 µA = 1 nA的平均电流消耗。

图4：轮询实现了超低功耗

与其他任何竞争技术相比，舌簧开关的功耗要低很多，通过降低电池尺寸要求而节约了显著的成本。在功耗敏感的应用中，舌簧开关是最大限度地提高功率效率的最佳解决方案。

2、紧密的功耗公差

固态器件存在典型的工作电流和最大工作电流。良好的设计做法应考虑最坏情况下的数值。固态器件较大的最大电流可能成为问题，因为它们可能会消耗更多的电池电流并降低产品的使用寿命。

相比之下，舌簧开关的电流消耗由一个电阻器和电源轨设定。舌簧开关的典型电源和电阻公差较固态器件在工作电流上的规格要紧密的多。

例如，微功率霍尔效应传感器的典型平均工作电流为5µA，但其最坏情况下的平均工作电流为10µA。纳安级磁阻传感器的典型平均工作电流为310nA（0.31µA），而其最坏情况下的平均工作电流为6350nA（6.35µA）。

相比较而言，一个连续工作的舌簧开关电路，有一半的时间处于闭合状态，与一个1 MΩ 的上拉电阻和一个3V的电源组合运行，其典型的平均工作电流为1.5µA。其也存在一个在最坏情况下的平均工作电流，为1.66μA。这里假设电源和电阻的公差为5%。在这个例子中，即使是在未使用如上述省电技术的情况下，舌簧开关在最坏情况下的功率消耗也是最低的。

3、精确的磁灵敏度开关点

舌簧开关的一个重要的特点是它的灵敏度或驱动它所需的磁场力。舌簧开关的灵敏度以安匝（AT）为衡量单位，相当于线圈中的电流乘以匝数。

典型的吸合（工作）灵敏度范围为8~40AT。虽然舌簧开关的磁灵敏度以安匝为单位，一个近似的关系表明1安匝等于1高斯，即0.1毫特斯拉（mT）。

舌簧开关的磁灵敏度开关点比固态数字开关的更为精确。在各种操作条件下都能发挥功能的系统的设计中，高精确度是特别重要的。例如，可以将舌簧开关的灵敏度规定为18~22AT。其相对的灵敏度范围为（22-18）/20=20%或±10%。

相比之下，微功率霍尔效应传感器的灵敏度范围可能为25~55高斯（2.5~5.5mT），其相对的灵敏度范围为75%或±37%。纳米功率磁阻传感器的灵敏度范围可能为6~20高斯（0.6~2.0mT），其相对的灵敏度范围为108%或±54%。

4、简单的定制

常见的固态微功率和纳米功率磁性开关通常是标准型的。这些开关通常只有一个、两个或三个宽（不精确）灵敏度范围可选。如果灵敏度或更新速率不能满足应用的要求，想要得到一种能够提供更严格灵敏度范围的定制解决方案就比较困难。

与此相反，舌簧开关可以根据特定应用的要求定制灵敏度范围。例如，某应用可能需要8~10AT的灵敏度范围，而另一应用需要25~30AT的灵敏度范围。固态磁传感器件却达不到这种通用性水平。

此外，舌簧开关定制（如机械包装和终端选择）可使这些传感器很容易适应各种应用。舌簧开关的触点有常开、常闭和单刀双掷（SPDT）可供选择。

微功率和纳米功率固态开关的运行状态并不持续。在开关的睡眠时间内，感测不到磁场，因此输出得不到更新。如果睡眠时间为100ms，那么输出每秒钟会更新10次。如果感测到磁体的速度过快，传感器输出将无法跟上，导致检测误差出现。舌簧开关并无睡眠时间，因此可以以每秒数百次的速度更新输出。

5、固有的开关点磁滞

就传感器技术而言，磁滞被定义为器件的工作（输出“接通”）点与释放（输出“断开”）点之间磁场水平的差异。在被感测的运动可在旋转周期的任一点停止的计量应用中，一定量的磁滞是非常重要的。如果没有磁滞，磁场中的非常小的变化都可能会导致在输出上产生意想不到的变化以及测量误差。

附近的电源电流，即电源线、电机等，或者地球磁场中移动的金属，都可能会引起小的磁场变化。地球磁场的强度为0.25至0.65高斯（0.025~0.065mT）。这些不受控制的磁场限制了可靠设计所需的最小磁滞以及传感器有用的灵敏度。高磁灵敏度对电子罗盘是有用的，而对接近传感器却并无益处。

最小的磁滞是可靠的计量应用设计中一个重要的考虑因素。在固态磁传感器中，必须用电路将磁滞加入传感元件，这意味着其将是固定的且难以控制。相比之下，舌簧开关由于其磁力学设计，有固有的磁滞作用，从而为计量应用提供增强的可靠性。

舌簧开关在传感和控制市场中的地位

舌簧开关是一项成熟的技术，有着较久的历史。其密封的触点极大地促进了它们在许多电子应用中的运用。它们可提供可靠的数据，而不需要物理接触，即使是在含有灰尘、振动、潮湿、气体和油的不利环境中。其经过验证的耐用性和可靠性都使得它们成为几种苛刻应用的热门选择，包括汽车安全产品、医疗设备、安全、公共仪表、消费电子和大型家电/电器。

舌簧开关还可延迟产品的使用寿命。因为舌簧开关只有可以弯曲的内部组件，电流被完全包含在簧片和导线中，不会出现与机械磨损相关的故障模式。在一些电负荷的情况下，其工作寿命可超过50年，10亿次切换周期。全球对舌簧开关技术的需求持续增加，每年超过十亿只。为应对这种需求，制造商正在对舌簧开关作产品改进，以持续满足市场不断变化的需求。

结论

在设计低功耗计量应用时，与固态传感技术相比，舌簧开关技术可带来许多好处。其较低的工作功耗、紧密的功耗公差、精确的磁灵敏度开关点、固有的开关点磁滞，以及简单的定制使其成为一项灵活而可靠的技术。

其密封的触点以及延长的使用寿命使得其成为众多应用，包括那些具有危险条件的应用的有吸引力的选择。拥有数十年可靠的性能表现，舌簧开关技术的应用和需求随着电子和机电一体化的快速发展而不断增加和扩大。

（文：Mark Pickhard, LITTELFUSE）