在電池供電應(yīng)用中用MR傳感器替代磁簧開關(guān)的四個理由
林慧玲
發(fā)布于2015-02-06 09:59
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標(biāo)簽:電池,傳感器,開關(guān)
在固態(tài)傳感器發(fā)展之前,磁力動作的磁簧開關(guān)已經(jīng)廣泛應(yīng)用了數(shù)十年之久,為位置傳感提供了久經(jīng)考驗且價格便宜的解決方案。隨著霍爾效應(yīng)技術(shù)的發(fā)展,霍爾效應(yīng)傳感器開始在一些電池供電的應(yīng)用中取代磁簧開關(guān),如手機(jī)、筆記本、消費(fèi)電子和白色家電。
盡管霍爾效應(yīng)傳感器已經(jīng)成功用于一些低功耗應(yīng)用領(lǐng)域,但目前在許多應(yīng)用中它還不能取代磁簧開關(guān),因為它們無法滿足許多電池供電設(shè)備的高靈敏度和超低功耗的要求。
對于尋找磁簧開關(guān)替代方案以減小開關(guān)尺寸、提高開關(guān)質(zhì)量和耐用性、并大限度延長電池壽命的設(shè)計工程師來說,新型磁阻技術(shù)能夠為他們提供低于500納安 (nA) 的開關(guān)功耗,同時還具有高靈敏度的特性,且價格與磁簧開關(guān)類似。
Nanopower AMR傳感器可用于檢測速度/扭矩選擇器的開關(guān)位置,還可用于確認(rèn)電池是否正確安裝。
同霍爾傳感器一樣,MR傳感器也是一種固態(tài)磁性傳感器。其中主要的不同在于MR傳感器在平行于傳感元件的平面上感測目標(biāo)物,而霍爾效應(yīng)傳感器在垂直于傳感元件的方向上感測目標(biāo)物,通常MR傳感器的靈敏度遠(yuǎn)大于霍爾傳感器。這使MR傳感器幾乎可用于所有的電池供電應(yīng)用領(lǐng)域。
在電池供電產(chǎn)品應(yīng)用中,設(shè)計工程師之所以應(yīng)考慮用MR傳感器替代磁簧開關(guān)主要有四個原因,即高靈敏度、低功耗、小尺寸和固有的固態(tài)傳感器優(yōu)勢。
電池供電的設(shè)備要求開關(guān)具有高靈敏度
高靈敏度磁性傳感器使制造商可以使用更小或磁性更弱的磁體,從而可以降低產(chǎn)品成本并實現(xiàn)更小的產(chǎn)品設(shè)計。在過去數(shù)年里,隨著稀土磁體價格的飆升,磁體價格在產(chǎn)品設(shè)計成本考量中愈發(fā)重要。MR傳感器的另一個優(yōu)勢是允許大氣隙,使得設(shè)計工程師能將傳感器放置在離磁體更遠(yuǎn)的地方,且依然可保持可靠性,從而提供了更大的設(shè)計靈活性。
anopower AMR傳感器可用于防止對通用電表的人為篡改。兩個沿180度對稱安裝的傳感器用于檢測是否有外部磁體試圖改變流量測量的準(zhǔn)確度。
磁簧開關(guān)能為有低功耗要求的電池供電應(yīng)用提供所需的高靈敏度范圍。磁簧開關(guān)的磁性靈敏度以安匝 (AT) 數(shù)衡量,而MR傳感器的靈敏度以高斯 (G) 為單位進(jìn)行衡量。以10AT的高靈敏度磁簧開關(guān)為例,它相當(dāng)于10-20G靈敏度的磁性傳感器。例如,霍爾效應(yīng)傳感器的靈敏度典型值約為30G。這意味在檢測相同磁體時,磁簧開關(guān)的傳感距離是高靈敏度霍爾效應(yīng)傳感器的兩倍或更多,從而為大氣隙要求的應(yīng)用提供更高的設(shè)計靈活性。但磁簧開關(guān)也有一些缺點,這些缺點將在下文進(jìn)行探討。
目前,隨著制造商推動磁阻技術(shù)的發(fā)展,磁簧開關(guān)已經(jīng)不再是高靈敏度開關(guān)的唯一選擇。例如,霍尼韋爾新款Nanopower AMR傳感器IC(SM351LT和SM353LT)能夠提供與磁簧開關(guān)相同或更高的靈敏度。超高靈敏度產(chǎn)品SM351LT的動作靈敏度典型值為7G,大值為11G。高靈敏度產(chǎn)品SM353LT的動作靈敏度典型值為11G,大值為20G。這意味著這些MR傳感器的靈敏度已經(jīng)比對應(yīng)的高靈敏度磁簧開關(guān)相同或更高。
電池供電設(shè)備有超低功耗要求
磁簧開關(guān)在電池供電應(yīng)用中的關(guān)鍵優(yōu)勢之一是工作時不需電源,從而成為電池供電設(shè)備的理想之選。
直至21世紀(jì)初期,磁性傳感器的功耗均在毫安級,因此被認(rèn)為無法適用于任何低功耗的應(yīng)用。在這個時期前后,電氣工程師開始采用CMOS技術(shù),使磁性傳感器設(shè)計工程師可以在傳感器中內(nèi)置時鐘,從而賦予了傳感器睡眠/喚醒模式,以降低傳感器的功耗。
隨著技術(shù)的發(fā)展,磁性傳感器的功耗已經(jīng)下降到個位數(shù)微安級。例如,目前霍爾效應(yīng)傳感器的功耗僅為3-8 A,具體取決于制造商和元器件。新型MR傳感器技術(shù)的功耗僅為360 nA,從而使MR傳感器可替代大多數(shù)電池供電設(shè)備中的磁簧開關(guān),所需功耗甚至還不到同類競爭產(chǎn)品的1/10。
磁簧開關(guān)有許多內(nèi)在的缺點
磁簧開關(guān)有許多內(nèi)在的劣勢,包括在安裝及有振動和沖擊的應(yīng)用中易于損壞、耐用性較差、使用壽命有限(由于機(jī)械磨損產(chǎn)生),以及由于“接觸反彈”造成的可靠性問題等。
可靠性和耐用性對磁簧開關(guān)的使用者來說是一個挑戰(zhàn)。當(dāng)磁簧開關(guān)的導(dǎo)線焊接在電路上時,它們會產(chǎn)生彎曲,從而容易破裂開關(guān)的封裝玻璃管,致使開關(guān)不能使用。事實上,這種開關(guān)損壞事件非常頻繁,磁簧開關(guān)制造商需要提供非常詳細(xì)的安裝說明以限制這種損壞的發(fā)生。其中解決方案之一是將磁簧開關(guān)放入一個塑料套管內(nèi),但這樣會增加開關(guān)的成本和尺寸。
磁簧開關(guān)還會受到振動和沖擊的影響,導(dǎo)致開關(guān)的觸點分離,嚴(yán)重影響元件的可靠性,并且機(jī)械式磁簧開關(guān)會隨著時間的推移而產(chǎn)生磨損。因此,手機(jī)設(shè)計工程師首次轉(zhuǎn)向了霍爾效應(yīng)傳感器。磁性傳感器是沒有活動部件的固態(tài)裝置,因此不會隨著時間的推移而產(chǎn)生磨損,并且還采用了塑料模塑外殼封裝,而磁簧開關(guān)則需封裝在玻璃管或外殼中。
“觸點反彈”會導(dǎo)致多次通斷循環(huán)(斷/通/斷),為使用磁簧開關(guān)的設(shè)計工程師帶來各種問題。為了解決這個問題,工程師需要在硬件或軟件中實施“去反彈”功能,從而增加了系統(tǒng)的額外風(fēng)險和設(shè)計工程師的開發(fā)周期。
MR傳感器消除了所有這些問題。作為一種封裝在模塑塑料外殼中的固態(tài)傳感器,MR傳感器沒有活動部件,幾乎不會損壞和磨損。
尺寸同樣關(guān)鍵
磁簧開關(guān)相對較大的尺寸使其成為產(chǎn)品微型化的一個短板。對比磁簧開關(guān)和具有相同傳感范圍的AMR傳感器可以發(fā)現(xiàn),磁簧開關(guān)的尺寸遠(yuǎn)大于采用SOT-23封裝的MR傳感器(2.9 mm x 2.8 mm x 1.45 mm)。AMR傳感器相對較小的尺寸迎合了產(chǎn)品微型化的發(fā)展趨勢,降低了應(yīng)用成本并增加了新應(yīng)用的可能性。
隨著傳感器制造商對MR傳感器技術(shù)的持續(xù)推動,設(shè)計工程師對于電池驅(qū)動設(shè)備開關(guān)將擁有更多的傳感器技術(shù)選擇方案。這些AMR固態(tài)傳感器不存在活動部件,因此更加可靠耐用;尺寸比磁簧開關(guān)更小,且具有相同的靈敏度范圍。這些特性使設(shè)計工程師能夠開發(fā)出尺寸更小、更可靠、質(zhì)量更高且傳感器部件幾乎無需功耗的電氣用具和裝置。