小功率计量用舌簧开关技术的五个主要优点

黄 正 编译

(中国电子科技集团第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

当谈及诸如水表和气表之类的小功率计量应用时，工程师们认为，具有现代工艺水平的解决方案是处理位置传感难题最好的方法。他们选择最新和最好的技术时，因为其灵敏度、耐久性和可靠性，可以选择固态磁阻(MR)或霍尔效应传感器。虽然这些创新性技术具有某些优点，但它们与成熟的舌簧开关技术优势相比就显得苍白失色。几十年来，舌簧开关一直在用于小功率、电池驱动的应用，且理由充足。

本文探讨了这一技术的五个主要优点，包括其操作功率小、使用功率公差紧、磁灵敏度开关点精确及内在的开关点滞后作用。此外，舌簧开关允许简单定制灵敏度及其它特定应用的要求。全球范围对舌簧开关技术的需求增加及其在多种不同场合中的应用确认了该技术在传感和控制器市场的关键地位。

2 小功率计量应用的要求

气表和水表适合自动仪表读取(AMR)设备，要求传感器使用极小的功率。水和气的使用经常通过附加到旋转轴上的磁铁来测量。每一次旋转都转换为电信号并通过嵌入式控制器来累计。

在这些设备中，小功耗是关键的设计参数。并且，这些仪表的预计寿命一般是20年无需更换电池。因此，保存电池功率是延长电源可用寿命的关键。

3 固态传感技术

正如所提及的，某些设计工程师选择固态传感技术，包括MR和霍尔效应传感器，用于小功率计量场合。MR传感器是单片集成电路器件，具有内置的阻性元件与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路相配对。当暴露于磁场时，MR器件的电阻相对磁场的方向改变。电阻的这一改变可用来检测外加磁场的变化。MR传感器可以用作非接触开关，电流消耗极低，灵敏度和可靠性都很高。然而，典型的MR传感器连续地汲取少量的电流。

霍尔效应传感器是基于半导体的传感器，它改变输出电压以响应磁场的变化。像MR传感器、霍尔效应传感器连续提取少量的电流。MR和霍尔效应传感器对许多小功率、电池驱动的应用并不理想，因为它们并不满足对精度和功率的严格要求。

4 舌簧开关技术

虽然舌簧开关被认为是成熟的技术，但因为它的结构简单和性能可靠，舌簧开关仍然是小功率场合的流行选择。舌簧开关是一种由外加磁场驱动的电气开关。该开关由两个或三个称之为舌簧的薄金属片组成，在以一个小距离分开的尖端上有电镀的触点。

舌簧一般封闭在填满惰性气体的密封玻璃管中。来自磁铁或电磁铁的磁场使舌簧偏转，接通或分断开关触点。图1示出了各种不同的舌簧开关元件。图2示出了舌簧开关在水表或气表在流量检测部分中的位置。

图1 舌簧开关元件

图2 舌簧开关用作水表或气表的测量仪器

4 舌簧开关技术的五个优点

4.1 工作功率小

舌簧开关所要求的功率较MR和霍尔效应传感器要低很多。这些微功率传感技术通过使用低负载循环数的主动传感达到小功率，主动传感要求提取恒定的电流以运行一个内部振荡器。

对比之下，舌簧开关是不需要任何功率就工作的无源元件。一个低功率舌簧开关结构涉及使用两个舌簧开关与场效应晶体管(FET)开关相组合，见图3所示。当其中一个开关检测运动时，可以设计舌簧开关以真正的零功率感应旋转运动。

图3 两个舌簧开关与FET组合使用

图3 中，M=磁铁;SW1和SW2=舌簧开关。当SW1闭合时，SW2打开。Q1关断以阻止功耗。当SW2闭合时，微控制器醒来，将Q2关断，Q1接通，使之回到睡眠。当SW1闭合时，出现类似序列的事件。

作为选择，已经在系统中的微控制器可以10Hz的速率轮询舌簧开关触点，平均电流提取在大约10μs/100ms×10μA=1nA。

舌簧开关提供较任何其它相竞争的技术能够带来低很多的功耗，通过减小电池尺寸要求明显减小了成本。在功率敏感的场合，舌簧开关是最大化功率效率的最好解决方案。

图4 用轮询法获得超低功率

4.2 严格的功率使用容差

固态器件有典型工作电流和最大工作电流。良好的设计惯例考虑最坏情况值。如果它们要求从电池提取更多的电流并减小产品的寿命，更大的固态感应器件最大电流可能会出问题。

对比之下，舌簧开关的电流提取是由电阻器和电源轨设定的。对工作电流，舌簧开关的典型电源和电阻器公差较固态器件规范要严得多。

例如，微功率霍尔效应传感器可能具有的典型平均工作电流为5μA，但最坏平均工作电流为10μA。纳功率 MR传感器可能具有 310nA(0.31μA)的典型平均工作电流，但最坏情况下的平均工作电流为6350 nA(6.35μA)。

相比之下，连续操作的舌簧开关电路，一半时间是闭合的，采用1MΩ上拉电阻器和3V电源，将具有典型平均工作电流1.5μA。它也将具有1.66μA的最坏情况下平均工作电流。这样假定电源和电阻器的公差为5%。在这个例子当中，甚至在使用像在上面所描述技术一样的节约功率的技术之前，舌簧开关具有最低的最坏情况功耗。

4.3 精密的磁灵敏度开关点

舌簧开关的一个重要特性之一是它的灵敏度或为驱动它所需磁场的大小。舌簧开关灵敏度的测量采用安－匝(AT)为单位，相应于匝数乘以线圈电流。

典型的上拉(吸合)灵敏度范围在8～40 AT。虽然舌簧开关的磁灵敏度规定以AT为单位，但近似的关系指出1AT=1高斯，等于0.1毫特斯拉(mT)。

舌簧开关的磁灵敏度开关点较固态数字开关更加精确。当设计系统在所有工作条件下运行时，高精度特别重要。例如，可以规定舌簧开关灵敏度在18～22 AT。这具有相对灵敏度范围(22～18)/20=20%或±10%。

相比之下，微功率霍尔效应传感器可具有的灵敏度范围在25～55高斯(2.5～5.5 mT)，作为结果的相对灵敏度范围为75% 或±37%。纳功率MR传感器可具有的灵敏度范围在6～20高斯(0.6～2.0 mT)，作为结果的相对灵敏度范围为108%或±54%。

4.4 定制简单

普通固态微型和毫微型磁开关制作为放之四海而皆准的(完全通用的)。这些开关通常提供一个、二个甚至三个宽(不精确的)灵敏度范围。如果该灵敏度或更新速率没有满足应用的要求，那么很难得到提供更加严密的灵敏度范围的定制解决方案。

相比之下，舌簧开关具有广泛可用的定制灵敏度范围，可以按特定应用的要求定制。例如，一项应用可能需要8～11AT的灵敏度范围，而另一项应用可能需要25～30AT。这个通用性水平在固态磁传感器件中是达不到的。

加之，还提供舌簧开关的定制如机械封装和端接选择，以方便这些传感器适应多种广泛的应用。舌簧开关触点选择包括常开、常闭和单极双掷(SPDT)。

微型和毫微型功率固态开关不可连续工作。在开关睡眠时间，不会感应磁场，输出也没有更新。如果睡眠时间为100 ms，那么输出每秒更新10次。如果被感应的该磁铁移动太快，那么该传感器的输出将无法赶上，从而导致传感错误。舌簧开关不会睡眠，因此它们可以用于每秒几百次的速度。

4.5 固有的开关点磁滞作用

相对于传感器技术，磁滞作用规定为在器件的吸合(输出“接通”)点和释放(输出“断开”)点之间磁场水平的差。某些大小的磁滞作用在测量应用中非常重要，在此被感知的运动可以在旋转循环的任意点上停止。如果没有磁滞作用，在磁场中极小的变化可能造成输出中未曾料到的变化以及测量误差。

小的磁场变化可能是由于附近的电流，亦即电力线、电机等造成的，或者是由于地磁场中金属运动造成的。地磁场的强度为0.25 ～0.65 高斯(0.025 ～0.065 mT)。这些不受控磁场限制了健壮设计所要求的最小磁滞作用和传感器的有用灵敏度。高的磁灵敏度可用于电子罗盘，但不用于接近传感器。

最小磁滞作用是设计健壮测量应用中的重要考虑。在固态磁传感器中，必须把磁滞作用加在传感元件利用电路上，这意味着它将被固定并且难以控制。相比之下，由于其磁发电机－机械设计，舌簧开关具有内在的磁滞作用，因此向计量应用递送增强的可靠性。

5 舌簧开关在传感和控制器市场中的地位

舌簧开关是成熟的技术，具有很长的记录历史。它们气密密封的触点对它们在许多电子应用中的使用贡献极大。它们提供可靠的数据而无需物理接触，甚至在不利的含有尘土、振动、湿气、煤气和油的环境中。它们成熟的耐久性和可靠性已经使得它们成为几个苛求场合的流行选择，其中包括汽车安全产品、医疗设备、安全、效用计量、消费电子产品和白色家电/电器。

舌簧开关还提供扩展的产品寿命循环。因为舌簧开关只有弯曲的内部元件，电完全抑制在舌簧和引线上，它并没有与机械磨损相关的失效模式。对于某些电负载，工作寿命超过50年，切换循环达10亿次。对舌簧开关技术的全球需求已继续增加到超过每年10亿只。为了响应这一需求，制造商们正在对舌簧开关做出产品改进以继续满足市场的变化需求。

6 结论

当设计小功率计量应用时，舌簧开关技术较固态传感技术提供了众多的好处。其工作的功率小、使用功率允差紧、磁灵敏度开关点精确、内在的开关点磁滞作用及定制简单，使得它是一个灵活的、可靠的技术。

它的气密密封的触点和延长的工作寿命，使得它成为众多应用的有魅力的选择，其中包括那些具有危险情况的应用。随着几十年成熟的表现，舌簧开关的应用和需求将继续增长并随着电子技术和机电一体化技术的快速发展而扩大。