舌簧开关在低功耗计量应用中的五大优势

1 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。

2 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。

3 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，在低功耗应用中一直是一种受欢迎的选择。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。

4 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。

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。

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得多。

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