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

第1章：電流檢測概述

第2章：超出范圍電流測量,測量電流以檢測超出范圍的情況

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

第4章：集成電流檢測信號鏈 集成電流檢測信號路徑（√）

集成電流檢測電阻器

集成式電流檢測,模數(shù)轉(zhuǎn)換器

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

第4章：集成電流檢測信號鏈

集成電流檢測信號路徑 在電子系統(tǒng)中，電流測量可提供反饋，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量的信號。

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

要優(yōu)化電流檢測信號鏈，必須針對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://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 測量誤差會(huì)比較小。然而，分流電阻上的信號越大，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中所占的百分比變大，因此也會(huì)增大測量誤差。

通過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在滿量程輸入電流電平下不會(huì)超過 ADC 的滿量程輸入范圍。

INA210是一款專用電流檢測放大器，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。

圖1顯示了運(yùn)算放大器測量分流電阻器上產(chǎn)生的差分電壓并將放大的信號發(fā)送到單端 ADC 的情形。 全差分輸入ADC可以直接監(jiān)測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)影響小信號的測量精度。

ADC 基準(zhǔn)是該信號路徑中您必須評估的另一個(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，無需放大輸入信號以最大限 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) 來精確測量小分流電壓。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)測電流 檢測電阻器上的壓降，如圖 3 所示。

除了能夠直接測量電流流過時(shí)分流電阻器上產(chǎn)生的電壓，INA226 還可以測量共模電壓。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 電壓測量和單端總線電壓測量之間進(jìn)行切換。 您可以將系統(tǒng)中存在的電流檢測電阻器值編程到 INA226 的配置寄存器中。根據(jù)該電流檢測電阻器值和測量的分流電壓，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。 對于性能要求較低的應(yīng)用，INA199 仍然具有專用電流檢測放大器的優(yōu)勢。 對于實(shí)現(xiàn)過流檢測的應(yīng)用，INA301 采用了集成比較器， 可實(shí)現(xiàn)用時(shí)短至 1μs 的片上過流檢測。 對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ADC。

集成電流檢測電阻器

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

電阻是檢測系統(tǒng)中流經(jīng)的電流最為常用的感測元件。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)測電流信號的一種常見信號鏈配置包括模擬前 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)通過減少功能來避免發(fā)生有害工況。

適當(dāng)?shù)碾娮柚颠x擇對于優(yōu)化信號鏈路徑至關(guān)重要。電阻值以及分流電阻兩端對應(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)生的信號成正比，并發(fā)送到電流檢測放大器。 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），可影響測量精度。這些內(nèi)部誤差對于總體測量精 度的影響隨著輸入信號的增大而降低。當(dāng)輸入信號下降時(shí)，相應(yīng)的測量誤差隨之增大。信號電平和可接受的測 量精度之間的這種關(guān)系通常為電流檢測電阻器選擇提供較低的限制。全新根據(jù)應(yīng)用針對該組件的可接受功率損耗來限制電流檢測電阻器的上限值。

使用電阻器進(jìn)行電流測量的一個(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)定的測量。精密電流檢測放大 器的測量功能針對連接極小信號進(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。 這部分電阻器的一種趨勢是封裝可用性和電阻器值都會(huì)降低。

另一種趨勢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放大器與 2mΩ 集成電流檢測電阻器相結(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)電流檢測解決方案過程中最為常見的問題之一。低歐姆值分流電阻器可降低電流檢測功率 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)附加測量誤差。糟糕的布局技術(shù)是這些測量誤差的最常見來源。

需要使用開爾文連接（也稱四端子連接或強(qiáng)制檢測）來確保最大限度地降低額外產(chǎn)生的電阻，進(jìn)而改變在放大 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)來降低寄生電阻影響；不過，如果采用 INA250 或 INA253，就無需為此擔(dān)憂。

如前所述，典型的電流檢測信號鏈路徑包括電流檢測 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放大器組合 時(shí)域。INA260 將電流檢測電阻器、測量前端和 ADC組合到一個(gè)器件中。

將精密低漂移電流檢測與這些精密電流檢測器件配對使 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 測量解決方案。少數(shù)電流檢測電阻器目錄產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)精密且溫度穩(wěn)定的測量，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電阻 器，搭配使用針對電流檢測應(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 的測量性能，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大測量增益誤差為 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，請使用 INA210 獨(dú)立電流檢測放大器。 對于需要獨(dú)立數(shù)字電源監(jiān)控器的應(yīng)用，請使用 INA226。 對于實(shí)現(xiàn)過流檢測的應(yīng)用，INA301 采用了集成比較器， 可實(shí)現(xiàn)時(shí)間短至 1μs 的片上過流檢測。

集成式電流檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在不同的系統(tǒng)中，用來測量電流的信號鏈路徑通常都是一致的。無論是在計(jì)算機(jī)、汽車還是電機(jī)中測量電流， 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，以便將信號轉(zhuǎn)換為更易于測量的比例值（電壓或電流）。

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

信號路徑中其余塊的選擇基于系統(tǒng)將如何使用該測量電流信息。對于大多數(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的模擬前端 (AFE)、用于數(shù)字化處理傳感器放大信號的模數(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)測量的電流水平。

對AFE的一項(xiàng)要求是允許直接連接到在檢測電阻器上形成的差分信號。AFE 的單端輸出 可簡化連接到后續(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)確測量很小的信號，從而降低對檢測電阻器的功率耗散要求。

下一個(gè)信號鏈塊是ADC，它用于將放大的傳感器信號數(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)勢和限制。由于ADC集成到處理器中，因此一項(xiàng)明顯的優(yōu)勢是組件更少。板載ADC通道的現(xiàn)有指令集進(jìn)一步降低了對用于支持獨(dú)立 ADC的額外軟件的要求。不過，數(shù)字控制器的硅工藝節(jié)點(diǎn)通常針對精密模擬的優(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） 來選擇器件。

該信號鏈有一種變體，即使用 ADC 直接在電流檢測電阻器上進(jìn)行測量，從而完全無需電流檢測放大器。標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器將會(huì)在取代AFE并直接測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。

如果不對檢測電阻器的壓降進(jìn)行放大，則無法充分利用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，旨在直接測量較小的信號，從而可以直接測量分流電壓。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）是特定于電流檢測的 ADC，可解決該共模限制問題。該器件具有 16 位 Δ-Σ 內(nèi)核，可監(jiān)測高達(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 在電流檢測電阻器上進(jìn)行測量。INA226 能夠通過 2.5 μV 的最低有效位 (LSB) 步長和 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 號水平保持較高的測量精度。

盡管 INA226 能夠精確測量小分流電壓，但該器件還具有可用于電流檢測應(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) 上的電流檢測電阻器的特定值對其進(jìn)行編程。通過獲知電流檢測電阻器值，INA226 可以在每次轉(zhuǎn)換時(shí)直接將測量的分流電壓轉(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量切換到單端電壓配置，從而可以直接測量共模電壓。利用電壓測量以及之前測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。 可以對該警報(bào)監(jiān)視器進(jìn)行配置，以測量超出范圍的情況（如過流、過壓或過功率）。

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

備選器件建議

對于性能要求較低的應(yīng)用，INA230 仍可以利用專用電 流檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。 對于測量的電流低于 15A 的附加精密測量功能，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 集成電流檢測電阻器。

對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)。對于 AFE 性能要求較低的應(yīng)用，INA210 仍可以利用專用電流檢測放大器的優(yōu)點(diǎn)。