簡(jiǎn)化電流感應(yīng),如何使用電流檢測(cè)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)（四）

第1章：電流檢測(cè)概述

第2章：超出范圍電流測(cè)量,測(cè)量電流以檢測(cè)超出范圍的情況

第3章：開關(guān)系統(tǒng)中的電流檢 測(cè) 具有增強(qiáng)型 PWM 抑制功能的低漂移、精密直列式電機(jī)電 流測(cè)量

第4章：集成電流檢測(cè)信號(hào)鏈 集成電流檢測(cè)信號(hào)路徑（√）

集成電流檢測(cè)電阻器

集成式電流檢測(cè),模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第5章：寬 VIN 和隔離式電流測(cè)量 將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入 ADC

第4章：集成電流檢測(cè)信號(hào)鏈

集成電流檢測(cè)信號(hào)路徑 在電子系統(tǒng)中，電流測(cè)量可提供反饋，以驗(yàn)證操作是否處于可接受的范圍內(nèi)并檢測(cè)任何潛在的故障情況。

分析系統(tǒng)的電流電平可以診斷意外的運(yùn)行模式，從而 實(shí)現(xiàn)可以提高可靠性或保護(hù)系統(tǒng)組件免受損壞的調(diào)整。 電流是一種難以直接測(cè)量的信號(hào)。

不過(guò)，可以采用多種測(cè)量方法來(lái)測(cè)量電流的效應(yīng)。流經(jīng)導(dǎo)線的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，可以通過(guò)磁傳感器（例如霍爾效應(yīng) 傳感器和磁通門傳感器）檢測(cè)到(例如).當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，還可以通過(guò)測(cè)量電阻器上產(chǎn)生的電壓來(lái)測(cè)量電流。這種類型的電阻器稱為電流檢測(cè)電阻器或分流電阻器。 對(duì)于低于 100V 的電壓軌上最高 100A 的電流，通常首選 分流電阻器進(jìn)行測(cè)量。與磁解決方案相比，分流電阻器測(cè) 量方法物理尺寸更小、精度更高并且具有溫度穩(wěn)定性。 要評(píng)估和分析系統(tǒng)的電流信息，必須將測(cè)量結(jié)果數(shù)字化并將其發(fā)送到系統(tǒng)控制器。用于測(cè)量并轉(zhuǎn)換在分流電阻上產(chǎn)生的信號(hào)的方法有多種。最常見的方法是采用模擬前端將電流檢測(cè)電阻器的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。然后將該單端信號(hào)連接到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，該ADC連接到一個(gè)微控制器。圖 1 說(shuō)明了一個(gè)電流檢測(cè)信號(hào)鏈。

要優(yōu)化電流檢測(cè)信號(hào)鏈，必須針對(duì)ADC的電流范圍和滿 量程輸入范圍選擇適當(dāng)?shù)姆至麟娮杵髦岛?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/放大器">放大器增益。選 擇分流電阻器時(shí)，需要基于測(cè)量精度與分流電阻器功率耗 散之間的折衷進(jìn)行考慮。電阻器值越大，電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的差分電壓就越大。由于放大器偏移電壓固定不變，因此 測(cè)量誤差會(huì)比較小。然而，分流電阻上的信號(hào)越大，其功耗 (P = I2R) 就越大。分流電阻器越小，分流電阻器上產(chǎn)生的壓降就越小，從而降低功率耗散要求，但由于放大器的固定偏移誤差在信號(hào)中所占的百分比變大，因此也會(huì)增大測(cè)量誤差。

通過(guò)選擇支持所需放大器增益的相應(yīng)器件，可確保放大器的輸出信號(hào)在滿量程輸入電流電平下不會(huì)超過(guò) ADC 的滿量程輸入范圍。

INA210是一款專用電流檢測(cè)放大器，其中集成了外部增益設(shè)置電阻器，如圖 2 所示。與典型的外部增益設(shè)置電阻器 相比，將這些增益電阻器內(nèi)置到器件中可以提高匹配度和溫度漂移穩(wěn)定性。器件采用節(jié)省空間的無(wú)引線四方扁平 (Q FN) 封裝，可顯著降低運(yùn)算放大器和外部增益電阻器的布板空間的要求。電流檢測(cè)放大器通常具有多種固定增益水平，因此可根據(jù)輸入電流和ADC滿量程輸入范圍更好地優(yōu)化與分流電阻器值的配對(duì)。

圖1顯示了運(yùn)算放大器測(cè)量分流電阻器上產(chǎn)生的差分電壓并將放大的信號(hào)發(fā)送到單端 ADC 的情形。 全差分輸入ADC可以直接監(jiān)測(cè)分流電阻兩端的差分電壓。使用典型ADC的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)減小輸入范圍。分流電阻器上產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)很小，從而降低了該組件的功率耗散要求。 較低的ADC分辨率也會(huì)影響小信號(hào)的測(cè)量精度。

ADC 基準(zhǔn)是該信號(hào)路徑中您必須評(píng)估的另一個(gè)誤差源。 典型ADC的輸入范圍基于轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。實(shí)際基準(zhǔn) 電壓范圍因器件而異，但通常處于2V至5V范圍內(nèi)。 最低有效位 (LSB) 基于轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍和分辨率。 例如，滿量程輸入范圍為 2.5V 的 16 位轉(zhuǎn)換器具有約 38μV 的 LSB。

The INA226 是一款專為雙向電流檢測(cè)放大器設(shè)計(jì)的專用ADC。 與典型 ADC 不同，這款 16 位轉(zhuǎn)換器具有 ±80mV 的滿量程輸入范圍，無(wú)需放大輸入信號(hào)以最大限 度地?cái)U(kuò)大 ADC 的滿量程輸入范圍。INA226 能夠根據(jù)器件的最大輸入失調(diào)電壓 (10μV) 和 LSB 大小 (2.5μV) 來(lái)精確測(cè)量小分流電壓。INA226 的分辨率是具有 2.5V 滿量程輸入范圍的等效標(biāo)準(zhǔn) 16 位 ADC 的 15 倍。INA226 可以直接監(jiān)測(cè)電流 檢測(cè)電阻器上的壓降，如圖 3 所示。

除了能夠直接測(cè)量電流流過(guò)時(shí)分流電阻器上產(chǎn)生的電壓，INA226 還可以測(cè)量共模電壓。INA226 具有一個(gè) 輸入多路復(fù)用器，使 ADC 輸入電路能夠在差分分流 電壓測(cè)量和單端總線電壓測(cè)量之間進(jìn)行切換。 您可以將系統(tǒng)中存在的電流檢測(cè)電阻器值編程到 INA226 的配置寄存器中。根據(jù)該電流檢測(cè)電阻器值和測(cè)量的分流電壓，片上計(jì)算將分流電壓重新轉(zhuǎn)換成電流，并且可以直接讀出系統(tǒng)的相應(yīng)功率水平。在片上執(zhí)行這些計(jì)算可減少轉(zhuǎn)換該信息 通常需要的處理器資源。

備選器件建議

對(duì)于具有更高性能要求的應(yīng)用，INA190可提供更小的輸入失調(diào)電壓以及更佳的漂移和增益誤差性能。 對(duì)于性能要求較低的應(yīng)用，INA199 仍然具有專用電流檢測(cè)放大器的優(yōu)勢(shì)。 對(duì)于實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)的應(yīng)用，INA301 采用了集成比較器， 可實(shí)現(xiàn)用時(shí)短至 1μs 的片上過(guò)流檢測(cè)。 對(duì)于性能要求較低的應(yīng)用，INA219使您能夠利用專用的電流檢測(cè)ADC。

集成電流檢測(cè)電阻器

電流是評(píng)估和診斷電子系統(tǒng)運(yùn)行效能最為常用的信號(hào)之 一。由于直接測(cè)量該信號(hào)非常具有挑戰(zhàn)性，因此轉(zhuǎn)而使用各類傳感器來(lái)測(cè)量由于電流流經(jīng)整個(gè)系統(tǒng)而產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)。

電阻是檢測(cè)系統(tǒng)中流經(jīng)的電流最為常用的感測(cè)元件。將電阻器（稱為分流器）與電流路徑串聯(lián)之后，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻器時(shí)，會(huì)在該電阻器上產(chǎn)生差分電壓。 用于監(jiān)測(cè)電流信號(hào)的一種常見信號(hào)鏈配置包括模擬前 端 (AFE)、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和系統(tǒng)控制器，如圖 1 所示。AFE （例如運(yùn)算放大器或?qū)Ｓ秒娏鳈z測(cè)放大器）將分流電阻 器上產(chǎn)生的小差分電壓轉(zhuǎn)換為較大的輸出電壓，由 ADC 將該輸出電壓數(shù)字化，然后將相關(guān)信息發(fā)送至控制器。 系統(tǒng)控制器使用該電流信息來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行性能，或 在發(fā)生超出范圍的情況時(shí)通過(guò)減少功能來(lái)避免發(fā)生有害工況。

適當(dāng)?shù)碾娮柚颠x擇對(duì)于優(yōu)化信號(hào)鏈路徑至關(guān)重要。電阻值以及分流電阻兩端對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電壓會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā) 生功率損耗。為限制功率損耗，最好將分流電阻降至最低。

電阻器值與產(chǎn)生的信號(hào)成正比，并發(fā)送到電流檢測(cè)放大器。 放大器具有與其關(guān)聯(lián)的固定固有誤差（例如輸入失調(diào)電壓），可影響測(cè)量精度。這些內(nèi)部誤差對(duì)于總體測(cè)量精 度的影響隨著輸入信號(hào)的增大而降低。當(dāng)輸入信號(hào)下降時(shí)，相應(yīng)的測(cè)量誤差隨之增大。信號(hào)電平和可接受的測(cè) 量精度之間的這種關(guān)系通常為電流檢測(cè)電阻器選擇提供較低的限制。全新根據(jù)應(yīng)用針對(duì)該組件的可接受功率損耗來(lái)限制電流檢測(cè)電阻器的上限值。

使用電阻器進(jìn)行電流測(cè)量的一個(gè)好處是可以使用精確的元件， 從而提供高精度且溫度穩(wěn)定的測(cè)量。精密電流檢測(cè)放大 器的測(cè)量功能針對(duì)連接極小信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足使用低值電阻器和低功率損耗要求。當(dāng)電阻器的歐姆值降低至 10 毫歐以下時(shí)，電阻器會(huì)有兩種趨勢(shì)。 這部分電阻器的一種趨勢(shì)是封裝可用性和電阻器值都會(huì)降低。

另一種趨勢(shì)是使用精密低溫度系數(shù)組件的成本增加。如果使用溫度系數(shù)較低的低歐姆值電流檢測(cè)電阻器，同時(shí) 兼顧精度容差水平（約 0.1%），那么解決方案的成本在未計(jì)入精密放大器相關(guān)成本的情況下便高達(dá)數(shù)美元。 INA250（如圖 2 中所示）或 INA253 等組件有助于減 少為需要精確且溫度穩(wěn)定測(cè)量的應(yīng)用選擇這些精度更高、成本更高的電阻器所面臨的挑戰(zhàn)。該器件將精密、 零漂移電壓輸出電流檢測(cè)放大器與 2mΩ 集成電流檢測(cè)電阻器相結(jié)合，可以在該器件 -40°C 至 +125°C 的 完整工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 0.1% 的最大容差和 15ppm /°C 的溫度漂移。該器件可以承受高達(dá) 15A 的流經(jīng)板 載電阻器的連續(xù)電流。

除了該器件內(nèi)部的集成精密電阻器之外，INA250 和 IN A253 還解決了實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)解決方案過(guò)程中最為常見的問(wèn)題之一。低歐姆值分流電阻器可降低電流檢測(cè)功率 耗散。適應(yīng)這種低電阻值所面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是寄生電阻對(duì)印刷電路板 (PCB) 的潛在影響。在電流流經(jīng)電阻產(chǎn)生分壓電壓的同時(shí)，與分流電阻串聯(lián)的寄生電 阻會(huì)引發(fā)附加測(cè)量誤差。糟糕的布局技術(shù)是這些測(cè)量誤差的最常見來(lái)源。

需要使用開爾文連接（也稱四端子連接或強(qiáng)制檢測(cè)）來(lái)確保最大限度地降低額外產(chǎn)生的電阻，進(jìn)而改變?cè)诜糯? 器的輸入引腳之間產(chǎn)生的差分電壓。可以采用 PCB 布 局技術(shù)來(lái)降低寄生電阻影響；不過(guò)，如果采用 INA250 或 INA253，就無(wú)需為此擔(dān)憂。

如前所述，典型的電流檢測(cè)信號(hào)鏈路徑包括電流檢測(cè) 電阻器、模擬前端、ADC 和系統(tǒng)控制器。INA250 將分流電阻器和電流檢測(cè)放大器組合 時(shí)域。INA260 將電流檢測(cè)電阻器、測(cè)量前端和 ADC組合到一個(gè)器件中。

將精密低漂移電流檢測(cè)與這些精密電流檢測(cè)器件配對(duì)使 用，可實(shí)現(xiàn)采用分立式放大器和電阻器組合難以實(shí)現(xiàn)的 測(cè)量解決方案。少數(shù)電流檢測(cè)電阻器目錄產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)精密且溫度穩(wěn)定的測(cè)量，但以與薄型小外形尺寸封裝 (TSSOP)-16 集成解決方案相當(dāng)?shù)慕鉀Q方案尺寸實(shí)現(xiàn)該精度水平是不可能的。

圖 3 顯示 INA260 采用相同的精密集成檢測(cè)電阻 器，搭配使用針對(duì)電流檢測(cè)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的 16 位精密 ADC。 這種組合可實(shí)現(xiàn) 優(yōu)于 INA250 的測(cè)量性能，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大測(cè)量增益誤差為 0.5%，最大輸入失調(diào)電流為 5mA。

備選器件建議

對(duì)于電流要求比集成解決方案支持的電流更低且性能更低的應(yīng)用，請(qǐng)使用 INA210 獨(dú)立電流檢測(cè)放大器。 對(duì)于需要獨(dú)立數(shù)字電源監(jiān)控器的應(yīng)用，請(qǐng)使用 INA226。 對(duì)于實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)的應(yīng)用，INA301 采用了集成比較器， 可實(shí)現(xiàn)時(shí)間短至 1μs 的片上過(guò)流檢測(cè)。

集成式電流檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在不同的系統(tǒng)中，用來(lái)測(cè)量電流的信號(hào)鏈路徑通常都是一致的。無(wú)論是在計(jì)算機(jī)、汽車還是電機(jī)中測(cè)量電流， 幾乎所有設(shè)備都具有相同的功能塊。連接光、溫度（或本例中的電流）等現(xiàn)實(shí)世界元素需要使用傳感器，以便將信號(hào)轉(zhuǎn)換為更易于測(cè)量的比例值（電壓或電流）。

多種傳感器都使用磁場(chǎng)感應(yīng)來(lái)檢測(cè)電流效應(yīng)。這些傳感器對(duì)于檢測(cè)很大的電流或在需要進(jìn)行隔離式測(cè)量時(shí)非常有效。 測(cè)量電流時(shí)最常用的傳感器是電流檢測(cè)或分流電阻器。 將該組件與被測(cè)量的電流串聯(lián)放置后， 會(huì)在電流通過(guò)電阻器時(shí)產(chǎn)生成比例的差分電壓。

信號(hào)路徑中其余塊的選擇基于系統(tǒng)將如何使用該測(cè)量電流信息。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，有多個(gè)塊是相同的，如 圖 1 所示。這些塊包括用于放大傳感器小信號(hào)的模擬前端 (AFE)、用于數(shù)字化處理傳感器放大信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn) 換器 (ADC) 以及用于分析傳感器信息的處理器，以便系統(tǒng)可以相應(yīng) 地響應(yīng)測(cè)量的電流水平。

對(duì)AFE的一項(xiàng)要求是允許直接連接到在檢測(cè)電阻器上形成的差分信號(hào)。AFE 的單端輸出 可簡(jiǎn)化連接到后續(xù) ADC 的接口。差分放大器配置中的運(yùn)算放大器通常便是用于滿足該功能要求。專用電流檢測(cè)放大器（例如 INA210）采用了集成增益設(shè)置組件， 專為該類型的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。INA210 能夠準(zhǔn)確測(cè)量很小的信號(hào)，從而降低對(duì)檢測(cè)電阻器的功率耗散要求。

下一個(gè)信號(hào)鏈塊是ADC，它用于將放大的傳感器信號(hào)數(shù)字化。該器件可能需要額外的外部組件（基準(zhǔn)、振 蕩器）以實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量功能。與AFE類似，ADC塊也具有各種選項(xiàng)。您可以選擇獨(dú)立轉(zhuǎn)換器搭配板載基準(zhǔn)和振蕩器的實(shí)施方式，也可以選擇采用板載 ADC 通道的處理器。

集成式和分立式ADC塊各有優(yōu)勢(shì)和限制。由于ADC集成到處理器中，因此一項(xiàng)明顯的優(yōu)勢(shì)是組件更少。板載ADC通道的現(xiàn)有指令集進(jìn)一步降低了對(duì)用于支持獨(dú)立 ADC的額外軟件的要求。不過(guò)，數(shù)字控制器的硅工藝節(jié)點(diǎn)通常針對(duì)精密模擬的優(yōu)化程度較低，這限制了板載轉(zhuǎn)換器的性能。分立式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)就是，允許根據(jù)優(yōu)化的性能屬性（如分辨率、噪聲或轉(zhuǎn)換速度） 來(lái)選擇器件。

該信號(hào)鏈有一種變體，即使用 ADC 直接在電流檢測(cè)電阻器上進(jìn)行測(cè)量，從而完全無(wú)需電流檢測(cè)放大器。標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器將會(huì)在取代AFE并直接測(cè)量分流電壓方面面臨挑戰(zhàn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)便是 ADC 的大型滿標(biāo)量程。

如果不對(duì)檢測(cè)電阻器的壓降進(jìn)行放大，則無(wú)法充分利用ADC的滿量程，或者需要在電阻器上產(chǎn)生較大的壓降。較大的壓降將導(dǎo)致檢測(cè)電阻器上產(chǎn)生較大的功率耗散。有些ADC具有經(jīng)修改的輸入范圍，旨在直接測(cè)量較小的信號(hào)，從而可以直接測(cè)量分流電壓。這些器件中通常集成了內(nèi)部可編程增益放大器 (PGA)，以利用 ADC 的滿量程。

這些小信號(hào)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)限制是它們的共模輸入電壓范圍有限。這些ADC的輸入電壓范圍受到其電源電壓（通常為 3V 至 5.5V）的限制，具體取決于所支持的核心處理器電壓。INA226（如圖 2 所示）是特定于電流檢測(cè)的 ADC，可解決該共模限制問(wèn)題。該器件具有 16 位 Δ-Σ 內(nèi)核，可監(jiān)測(cè)高達(dá) 36V 的共模電壓軌上的小差分分流電壓，同時(shí)由范圍為 2.7V 至 5.5V 的電源電壓進(jìn)行供電。

INA226 與 ADC 類似（具有經(jīng)修改的小輸入范圍）， 具有大約 80mV 的滿量程輸入范圍，使器件能夠直接 在電流檢測(cè)電阻器上進(jìn)行測(cè)量。INA226 能夠通過(guò) 2.5 μV 的最低有效位 (LSB) 步長(zhǎng)和 10μV 的最大輸入失調(diào)電壓非常準(zhǔn)確地解析小電流變化。0.1μV/°C 的失調(diào)漂移可確保較高的測(cè)量精度，在高達(dá) 125°C 的溫度下，僅額外產(chǎn)生12.5μV 的失調(diào)。憑借 0.1% 的最大增益誤差，還能在滿量程信 號(hào)水平保持較高的測(cè)量精度。

盡管 INA226 能夠精確測(cè)量小分流電壓，但該器件還具有可用于電流檢測(cè)應(yīng)用的附加功能。該器件具有一個(gè)內(nèi)部寄存器，用戶可以使用印刷電路板 (PCB) 上的電流檢測(cè)電阻器的特定值對(duì)其進(jìn)行編程。通過(guò)獲知電流檢測(cè)電阻器值，INA226 可以在每次轉(zhuǎn)換時(shí)直接將測(cè)量的分流電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流值，并將其存儲(chǔ)到附加的輸出寄存器中。

INA226 還具有一個(gè)內(nèi)部多路復(fù)用器：該器件可以從差分輸入測(cè)量切換到單端電壓配置，從而可以直接測(cè)量共模電壓。利用電壓測(cè)量以及之前測(cè)量的分流電壓和相應(yīng)的電流計(jì)算結(jié)果，該器件能夠計(jì)算功率。該器件存儲(chǔ)此功率計(jì)算結(jié)果，并通過(guò)雙線串行總線向處理器提供該值以 及分流電壓、電流和共模電壓信息。

除了片上電流和功率計(jì)算之外，INA226 還具有一個(gè)可編程警報(bào)寄存器，該寄存器可以將每個(gè)轉(zhuǎn)換值與定義的限 值進(jìn)行比較，以確定是否發(fā)生了超出范圍的情況。 可以對(duì)該警報(bào)監(jiān)視器進(jìn)行配置，以測(cè)量超出范圍的情況（如過(guò)流、過(guò)壓或過(guò)功率）。

該器件還具有可編程信號(hào)取平均值功能，以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。INA226 經(jīng)過(guò)優(yōu)化，支持精密電流測(cè)量。器件中包含的其他功能可以支持必需的信號(hào)管理和監(jiān)測(cè)，并減輕系統(tǒng)處理器的負(fù)擔(dān)。

備選器件建議

對(duì)于性能要求較低的應(yīng)用，INA230 仍可以利用專用電 流檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于測(cè)量的電流低于 15A 的附加精密測(cè)量功能，INA260 可提供與 INA226 類似的功能，同時(shí)還在封裝中采用了精密 2mΩ 集成電流檢測(cè)電阻器。

對(duì)于需要高得多的共模電壓功能的應(yīng)用，AMC1305 可提 供 板載隔離，能夠支持高達(dá) 1.5kV 的直流工作電壓并處理 高達(dá) 7kV 的峰值瞬態(tài)。對(duì)于 AFE 性能要求較低的應(yīng)用，INA210 仍可以利用專用電流檢測(cè)放大器的優(yōu)點(diǎn)。