在电池供电应用中用MR传感器替代磁簧开关的四个理由

作者：Josh Edberg

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 设计工程师之所以在低功耗、电池供电的应用中选择磁簧开关，主要有以下四个原因：其中三点归于机械式磁簧开关的本身特性，即零功耗、高灵敏度和低成本的特点；另外一点是因为市场上一直未出现合适的替代技术。随着新型MR传感器IC的出现，磁簧开关的这些优势将不复存在。MR传感器在感测位置时同样可实现几乎零功耗、高灵敏度、高可靠性和耐用性，并且还拥有很小的封装尺寸。 在固态传感器发展之前，磁力动作的磁簧开关已经广泛应用了数十年之久，为位置传感提供了久经考验且价格便宜的解决方案。磁簧开关由密封在玻璃球或玻璃管中的两个铁磁体导线组成。当磁体进入到开关的传感范围内时（即磁场施加在导线上时），开关触点将闭合，从而实现开关功能。 磁簧开关一直是许多设计工程师青睐的选择方案，一方面是因为其非常简单，很适合用作机械开关；另一方面是因为市场上也缺乏合适的替代方案，特别是在低功耗应用领域。磁簧开关广泛应用于各类产品，具体应用领域包括消费电子、计量仪表、安全、白色家电/家用电器、医疗器械、机器人和自动化设备。 尽管磁簧开关常用于这些应用领域，许多设计工程师还是认识到磁簧开关的一些关键缺点。这些缺点包括：经常可见的开关破坏问题。开关破坏很容易造成产品质量问题，尤其是在制造工艺，以及有振动和冲击的应用中更为明显；使用寿命有限。作为机械式开关，不可避免的会存在磨损，因此使用寿命有限；尺寸问题；由于簧片反弹效应导致的可靠性问题（当磁簧开关触点颤动时导致应用电路接通、关闭再接通的问题）。 随着霍尔效应技术的发展，霍尔效应传感器开始在一些电池供电的应用中取代磁簧开关，如手机、笔记本、消费电子和白色家电。这是由不断要求更高可靠性和更高开关性能的设计师驱动的。同磁簧开关一样，霍尔效应传感器在磁体进入装置传感范围内时动作。霍尔效应传感器的最大优势之一是它们是固态传感器，不会受到磨损、冲击和振动的影响。同时由于不存在活动的机械零部件，也就不存在开关反弹的问题。此外，霍尔效应传感器比磁簧开关更坚固耐用和紧凑，这使其能够很好地适用于许多相同应用领域。霍尔传感器的价格也与相对便宜的磁簧开关价格类似。 尽管霍尔效应传感器有这些优点并且已经成功用于一些低功耗应用领域，但目前在许多应用中它还不能取代磁簧开关，因为它们无法满足许多电池供电设备的高灵敏度和超低功耗的要求。 对于寻找磁簧开关替代方案以减小开关尺寸、提高开关质量和耐用性、并最大限度延长电池寿命的设计工程师来说，新型磁阻技术能够为他们提供低于500纳安 (nA) 的开关功耗，同时还具有高灵敏度的特性，且价格与磁簧开关类似。同霍尔传感器一样，MR传感器也是一种固态磁性传感器。其中主要的不同在于MR传感器在平行于传感元件的平面上感测目标物，而霍尔效应传感器在垂直于传感元件的方向上感测目标物，通常MR传感器的灵敏度远大于霍尔传感器。 这使MR传感器几乎可用于所有的电池供电应用领域。在电池供电产品应用中，设计工程师之所以应考虑用MR传感器替代磁簧开关主要有四个原因，即高灵敏度、低功耗、小尺寸和固有的固态传感器优势。 电池供电的设备要求开关具有高灵敏度 高灵敏度磁性传感器使制造商可以使用更小或磁性更弱的磁体，从而可以降低产品成本并实现更小的产品设计。在过去数年里，随着稀土磁体价格的飙升，磁体价格在产品设计成本考量中愈发重要。MR传感器的另一个优势是允许大气隙，使得设计工程师能将传感器放置在离磁体更远的地方，且依然可保持可靠性，从而提供了更大的设计灵活性。 磁簧开关能为有低功耗要求的电池供电应用提供所需的高灵敏度范围。磁簧开关的磁性灵敏度以安匝 (AT) 数衡量，而MR传感器的灵敏度以高斯 (G)为单位进行衡量。以10AT的高灵敏度磁簧开关为例，它相当于10-20G灵敏度的磁性传感器。例如，霍尔效应传感器的灵敏度典型值约为30G。这意味在检测相同磁体时，磁簧开关的传感距离是高灵敏度霍尔效应传感器的两倍或更多，从而为大气隙要求的应用提供更高的设计灵活性。但磁簧开关也有一些缺点，这些缺点将在下文进行探讨。 目前，随着制造商推动磁阻技术的发展，磁簧开关已经不再是高灵敏度开关的唯一选择。例如，霍尼韦尔新款Nanopower AMR传感器IC（SM351LT和SM353LT）能够提供与磁簧开关相同或更高的灵敏度。超高灵敏度产品SM351LT的动作灵敏度典型值为7G，最大值为11G。高灵敏度产品SM353LT的动作灵敏度典型值为11G，最大值为20G。这意味着这些MR传感器的灵敏度已经比对应的高灵敏度磁簧开关相同或更高。 电池供电设备有超低功耗要求 磁簧开关在电池供电应用中的关键优势之一是工作时不需电源，从而成为电池供电设备的理想之选。 直至21世纪初期，磁性传感器的功耗均在毫安级，因此被认为无法适用于任何低功耗的应用。在这个时期前后，电气工程师开始采用CMOS技术，使磁性传感器设计工程师可以在传感器中内置时钟，从而赋予了传感器睡眠/唤醒模式，以降低传感器的功耗。 随着技术的发展，磁性传感器的功耗已经下降到个位数微安级。例如，目前霍尔效应传感器的功耗仅为3-8 μA，具体取决于制造商和元器件。新型MR传感器技术的功耗仅为360 nA，从而使MR传感器可替代大多数电池供电设备中的磁簧开关，所需功耗甚至还不到同类竞争产品的1/10。 Nanopower AMR传感器IC可在多种电池供电的应用中使用，包括便携式电动工具、水表和气表、工业烟雾探测器、健身器材、安全系统、手持式计算机和扫描器等；在白色家电中的应用包括洗碗机、微波炉、洗衣机、冰箱和咖啡机等；在医疗器械领域的应用包括病床、配药柜、输液泵等；在消费电子中的应用包括笔记本电脑、平板电脑和无线音箱等。 磁簧开关有许多内在的缺点 磁簧开关有许多内在的劣势，包括在安装及有振动和冲击的应用中易于损坏、耐用性较差、使用寿命有限（由于机械磨损产生），以及由于“接触反弹”造成的可靠性问题等。可靠性和耐用性对磁簧开关的使用者来说是一个挑战。当磁簧开关的导线焊接在电路上时，它们会产生弯曲，从而容易造成开关的封装波路管破裂，致使开关不能使用。事实上，这种开关损坏事件非常频繁，磁簧开关制造商需要提供非常详细的安装说明以限制这种损坏的发生。其中解决方案之一是将磁簧开关放入一个塑料套管内，但这样会增加开关的成本和尺寸。 磁簧开关还会受到振动和冲击的影响，导致开关的触点分离，严重影响元件的可靠性，并且机械式磁簧开关会随着时间的推移而产生磨损。因此，手机设计工程师首次转向了霍尔效应传感器。磁性传感器是没有活动部件的固态装置，因此不会随着时间的推移而产生磨损，并且还采用了塑料模塑外壳封装，而磁簧开关则需封装在玻璃管或外壳中。 “触点反弹”会导致多次通断循环（断/通/断），为使用磁簧开关的设计工程师带来各种问题。为了解决这个问题，工程师需要在硬件或软件中实施“去反弹”功能，从而增加了系统的额外风险和设计工程师的开发周期。 MR传感器消除了所有这些问题。作为一种封装在模塑塑料外壳中的固态传感器，MR传感器没有活动部件，几乎不会损坏和磨损。 尺寸同样关键 磁簧开关相对较大的尺寸使其成为产品微型化的一个短板。对比磁簧开关和具有相同传感范围的AMR传感器可以发现，磁簧开关的尺寸远大于采用SOT-23封装的MR传感器（2.9 mm x 2.8 mm x1.45 mm）。AMR传感器相对较小的尺寸迎合了产品微型化的发展趋势，降低了应用成本并增加了新应用的可能性。 随着传感器制造商对MR传感器技术的持续推动，设计工程师对于电池驱动设备开关将拥有更多的传感器技术选择方案。这些AMR固态传感器不存在活动部件，因此更加可靠耐用；尺寸比磁簧开关更小，且具有相同的灵敏度范围。这些特性使设计工程师能够开发出尺寸更小、更可靠、质量更高且传感器部件几乎无需功耗的电气用具和装置。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2014)