ZHCA667F December 2020 – October 2022 INA186 , INA186-Q1 , INA190 , INA190-Q1 , INA199 , INA199-Q1 , INA210 , INA210-Q1 , INA211 , INA211-Q1 , INA212 , INA212-Q1 , INA213 , INA213-Q1 , INA214 , INA214-Q1 , INA215 , INA215-Q1 , INA225 , INA225-Q1 , INA240 , INA240-Q1 , INA301 , INA301-Q1
電流是一種信號(hào)，可通過(guò)其深入了解系統(tǒng)的運(yùn)行方式因而獲得寶貴的信息。在既定條件下，執(zhí)行任務(wù)所需的電流恒定不變，因此可將電流信息作為確定系統(tǒng)是否按預(yù)期運(yùn)行的有用指標(biāo)。電流測(cè)量存在多種方法和測(cè)量位置可供選擇，通過(guò)測(cè)量結(jié)果可評(píng)估這種提供了重要信息的信號(hào)。
低側(cè)感測(cè)
其中一個(gè)電流測(cè)量位置位于特殊負(fù)載或系統(tǒng)的接地返回路徑中。如果在該位置執(zhí)行電流測(cè)量，針對(duì)器件的要求是最低的，只需使用一個(gè)放大器處理向下接地的共模信號(hào)。如圖 1-1 所示，將一個(gè)小電流感測(cè)電阻（也稱“分流電阻”）與系統(tǒng)接地返回路徑串聯(lián)，電阻上隨即產(chǎn)生與電流成正比的電壓。
圖 1-1 低側(cè)電流感測(cè)許多不同類型的放大器能夠提供這種輸入電壓范圍低至接地的低側(cè)性能。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器、差分放大器、儀表放大器及電流感測(cè)放大器都具有共模輸入范圍（包括接地端）。
表 1-1 提供了這四類放大器在電流感測(cè)應(yīng)用中的概要比較情況。
| VCM = 0V | VCM > 0V | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) | |
|---|---|---|---|---|
| 運(yùn)算放大器 | + | x | 低成本 | 高精度、 低側(cè) |
| 差分放大器 | + | + | 高側(cè) | 低增益、 成本 |
| 儀表放大器 | + | x | 高精度、高增益 | 低側(cè)、 成本 |
| 電流感測(cè)放大器 | + | + | 高側(cè)、高增益、高精度 | — |
低側(cè)感測(cè)的弊端之一是監(jiān)測(cè)的負(fù)載直接與系統(tǒng)接地相連會(huì)產(chǎn)生損耗。如圖 1-2 所示，當(dāng)電流流經(jīng)分流電阻時(shí)，元件兩端的電壓會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)基準(zhǔn)與所監(jiān)測(cè)負(fù)載的接地電勢(shì)產(chǎn)生電勢(shì)差。如果系統(tǒng)無(wú)法提供與系統(tǒng)電流成正比且上下浮動(dòng)的接地電勢(shì)，這種變化的基準(zhǔn)連接存在問(wèn)題。
圖 1-2 不斷變化的負(fù)載基準(zhǔn)除了系統(tǒng)接地不斷變化外，在低側(cè)測(cè)量位置難以檢測(cè)到某些故障條件。如果短路狀態(tài)導(dǎo)致電流通過(guò)另一條路徑而不是通過(guò)分流電阻接地，低側(cè)放大器將無(wú)法檢測(cè)到這一事件。
高側(cè)感測(cè)
在負(fù)載的高側(cè)測(cè)量電流，或直接與監(jiān)測(cè)的電源軌和電路的其余部分串聯(lián)時(shí)，可以避免低側(cè)電流測(cè)量過(guò)程發(fā)生系統(tǒng)基準(zhǔn)變化和短路路徑交替問(wèn)題。高側(cè)位置支持測(cè)量完整的系統(tǒng)電流，以便檢測(cè)流經(jīng)非預(yù)期路徑的所有過(guò)剩電流。遠(yuǎn)離低側(cè)位置可消除電流引起的分流電壓而導(dǎo)致的系統(tǒng)接地變化。
在高側(cè)位置執(zhí)行電流測(cè)量面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是，放大器必須與大輸入電壓軌（例如高壓電池）相連。測(cè)量電流的典型信號(hào)鏈路徑是將電流感測(cè)電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，然后將這個(gè)放大后的信號(hào)引入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。與通信和工業(yè)設(shè)備中受監(jiān)控的電壓軌相比，ADC（包括作為分立器件以及在微控制器中集成的情況）的輸入范圍相對(duì)較小。所需的共模電壓會(huì)超過(guò) 60V，因此要求放大器支持遠(yuǎn)超出低壓元件所允許輸入范圍的輸入信號(hào)。
電流感測(cè)放大器是專為適應(yīng)這些高壓輸入電平而開(kāi)發(fā)的專用放大器，能夠使放大器后的低壓元件保持在線性輸入范圍內(nèi)并為這些元件提供過(guò)壓保護(hù)。
由電壓低至 1.7V 的電源供電時(shí)，INA190 電流感測(cè)放大器符合監(jiān)測(cè)高壓電源軌以及連接低壓元件的要求，如圖 1-3 所示。
如果系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)斷或睡眠狀態(tài)，為 ADC、微控制器和信號(hào)路徑放大器供電的低壓電源可能會(huì)被關(guān)閉。然而，即使監(jiān)測(cè)放大器掉電，電池應(yīng)仍與測(cè)量電路相連。INA190 具有容性耦合輸入級(jí)，可在被禁用或電源電壓為零時(shí)避免電池中出現(xiàn)不必要的電流消耗。
對(duì)于這種常開(kāi)狀態(tài)，電流感測(cè)放大器的輸入電路經(jīng)專門(mén)設(shè)計(jì)，無(wú)論器件電源電壓如何，均可適應(yīng)整個(gè)輸入范圍。
無(wú)論是否存在電源電壓，INA190 都可以在輸入引腳上承受完整的 40V 輸入電壓，同時(shí)從電源中汲取極少的電流，并且不會(huì)遭到損壞。
圖 1-3 INA190：專用電流感測(cè)放大器備選器件建議
對(duì)于需要在較小封裝中以較低電壓使能閾值充分發(fā)揮 INA190 性能的應(yīng)用，INA191 可采用小型 0.96mm2 芯片級(jí)封裝。對(duì)于電壓高達(dá) 110V 并具有快速穩(wěn)定要求的應(yīng)用，使用具有高帶寬的 INA296B 是專用電流檢測(cè)放大器的理想選擇。INA241B 還提供高達(dá) 110V 的輸入共模電壓范圍，并采用增強(qiáng)型 PWM 抑制電路，適用于具有大共模輸入電壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，例如電機(jī)控制和開(kāi)關(guān)電源。INA301 電流感測(cè)放大器具有一個(gè)板載比較器，用于在芯片上執(zhí)行過(guò)流檢測(cè)。