ZHCA967A March 2019 – March 2022 INA180-Q1 , INA181-Q1 , INA186-Q1 , INA240-Q1
1
監(jiān)控汽車 12V 電池的電流可獲得各種應(yīng)用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如模塊電流消耗、負(fù)載診斷和負(fù)載反饋控制。TI 電流感測(cè)產(chǎn)品組合可以通過(guò)模擬和數(shù)字電流感測(cè)放大器 (CSA) 器件解決這一問(wèn)題，這些器件經(jīng)過(guò)汽車認(rèn)證，具有集成功能，即使采用低壓導(dǎo)軌供電，也能在 12V 環(huán)境下工作。本文檔提供了建議的器件和架構(gòu)，以解決該領(lǐng)域中的電流感測(cè)問(wèn)題。
圖 1-1 由 12V 電源軌供電的電流感測(cè)放大器該領(lǐng)域中存在一些由電氣瞬態(tài)保護(hù)法規(guī) ISO7637-2 和 ISO16750-2、跨接啟動(dòng)、反極性和冷啟動(dòng)等條件導(dǎo)致的限制因素。通常，系統(tǒng)級(jí)保護(hù)和抑制方案可用于保護(hù)下游電路免受這些電壓浪涌情況的影響。這些解決方案中包含的器件類型為智能高側(cè)開(kāi)關(guān)、智能二極管或其他分立式實(shí)施方案。這些產(chǎn)品可能帶有內(nèi)部集成電流感測(cè)功能，但它們通常不太準(zhǔn)確（最大誤差為 ±3% 至 ±20%），并且動(dòng)態(tài)范圍有限。
專用的 TI 電流傳感器具有很低的功耗，并且即使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，在汽車環(huán)境中也具有很高的精度（誤差小于 1%）。
與分立式解決方案或附加了集成電流感測(cè)功能的 IC 相比，匹配的內(nèi)部增益網(wǎng)絡(luò)和輸入失調(diào)電壓歸零功能可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供較低的測(cè)量漂移。利用該放大器的集成特性和技術(shù)，無(wú)需進(jìn)行溫度和系統(tǒng)校準(zhǔn)，一切都可以通過(guò)低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)。
通常，一般的系統(tǒng)保護(hù)方案無(wú)法完全抑制或防止電壓浪涌，因此這些主要法規(guī)會(huì)轉(zhuǎn)化為典型的電壓承受能力要求。根據(jù)系統(tǒng)情況，電流傳感器可能需要承受負(fù)載突降、電池反向保護(hù)、快速負(fù)載開(kāi)關(guān)和電感反沖電壓。例如，在負(fù)載突降條件下，使用 12V 電池電源軌需要至少 40V 的承受能力。務(wù)必選擇具有符合系統(tǒng)最壞情況 VCM 條件的輸入共模電壓 (VCM) 額定值的電流傳感器。否則，在這些情況下需要使用輸入電壓鉗位方案來(lái)保護(hù)器件。
共有多種可由 12V 汽車電池供電并能承受高達(dá) 40V 及更高臨界電壓水平的 TI 電流（功率）感應(yīng)放大器。最終，它們提供了非常精確的零漂移、高帶寬和低成本解決方案。表 1-1 利用在線 TI 產(chǎn)品選擇工具，列出了在需要 40V 承受能力的汽車 12V 電池電源軌上進(jìn)行高側(cè)電流感測(cè)的備選器件。應(yīng)注意，表 1-1 中的所有器件都具有多個(gè) 20V/V 至 500V/V 的增益變體。
| TI 電流 感測(cè)放大器 |
VCM
承受能力 |
VOS_MAX (25 °C) |
BW | 最大增益誤差 (25°C) | IQ_MAX (25 °C) |
特性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| INA240-Q1 | -6V 至 +90V | ±25μV | 400kHz | ±0.2% | 2.4mA | PWM 抑制（極高的 CMRR）、AEC Q100（溫度等級(jí) 1 和 0） |
| INA190-Q1 | -0.3V 至 +42V | ±10μV | 45kHz | ±0.3% | 65μA | INA186-Q1 的更精確版本。寬動(dòng)態(tài)范圍。 |
| INA186-Q1 | -0.3V 至 +42V | ±50μV | 45kHz | ±1% | 65μA | 低輸入偏置電流（IB = ±500pA 典型值）。寬動(dòng)態(tài)范圍。工作電源電壓 (VS) 為 1.7V。 |
| INA180-Q1 (INA181-Q1) | -0.3V 至 +28V | ±500μV | 350kHz | ±1% | 0.5mA | 單通道、雙通道和四通道。單向或雙向版本 |
根據(jù)表 1-1，與 INA186-Q1 相比，INA240-Q1 提供了最佳的性能，但并沒(méi)有針對(duì)監(jiān)控 12V 電池進(jìn)行優(yōu)化，而 INA186-Q1 則需要更低的功耗和成本以及更小的封裝尺寸。INA186-Q1 具有高交流 CMRR (140dB) 和大動(dòng)態(tài)范圍（在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有 VOUT 至 VS - 40mV 的范圍）。此外，INA186-Q1 具有獨(dú)特的容性耦合輸入架構(gòu)，與大多數(shù) CSA 相比，其差分輸入電阻增加了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)。憑借高輸入阻抗，用戶能夠過(guò)濾器件輸入端的電流噪聲，同時(shí)對(duì)增益的影響微乎其微。如果 R1 = 1k?，使用數(shù)據(jù)表公式，除 A1 (25V/V) 之外的所有變體的有效增益均降低 43.5m%。圖 1-2 顯示了 INA186-Q1 在電池監(jiān)控中的使用。在輸入端（而不是輸出端）進(jìn)行濾波意味著電流噪聲不會(huì)被放大，并且 INA186-Q1 可以將更干凈的信號(hào)驅(qū)動(dòng)到 ADC 中，而無(wú)需在 ADC 之后加載輸出濾波器。
圖 1-2 由 12V 電池供電且?guī)?不帶噪聲過(guò)濾功能的
INA186-Q1憑借廣泛的電流感測(cè)產(chǎn)品系列，用戶能夠在采用常見(jiàn)的輸入保護(hù)方案時(shí)對(duì)折衷因素進(jìn)行優(yōu)化。如果所選的器件指示絕對(duì)最大共模電壓額定值不能超過(guò)最大預(yù)期電壓浪涌，則器件需要輸入保護(hù)。除一些無(wú)源器件以外，電流傳感器還需要在輸入端提供瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 或齊納二極管以進(jìn)行保護(hù)。圖 1-3 顯示了使用成本優(yōu)化型電流傳感器 INA181-Q1 的示例。
圖 1-3 針對(duì) VCM > 28V
提供輸入保護(hù)的 INA181-Q1在圖 1-3 中，二極管 D1 將器件的輸入 VCM 鉗位到 28V 以下，該電壓是 INA181-Q1 的絕對(duì)最大電壓。R2 是可選的，可以包含該組件以防止 D1 和 CSA 的內(nèi)部 ESD 結(jié)構(gòu)同時(shí)打開(kāi)，但通常不需要該組件。如果需要 R2，則該組件應(yīng)小于 R1。二極管的額定功率取決于預(yù)期電壓上升最大值，但更重要的是取決于導(dǎo)通電流?？梢酝ㄟ^(guò)增加 R1 電阻來(lái)減小二極管電流，但這會(huì)降低電路的有效增益，更關(guān)鍵的是，對(duì)于大多數(shù)電流傳感器（INA186-Q1 除外）而言，這會(huì)使增益誤差方差增大。
鑒于 INA181-Q1 的內(nèi)部電阻增益網(wǎng)絡(luò)和輸入差分電阻，工程師可以使用數(shù)據(jù)表中的公式通過(guò) R1計(jì)算有效電路增益。請(qǐng)記住，添加外部電阻器會(huì)使系統(tǒng)增益誤差方差超出數(shù)據(jù)表中給出的限值。這是因?yàn)?INA181-Q1 內(nèi)部電阻器匹配為比率度量，但未調(diào)整為其典型值，因此其絕對(duì)值會(huì)變化 ±20%。
總體而言，工程師可以選擇 INA181-Q1，因?yàn)椴捎幂斎氡Ｗo(hù)時(shí)的總成本較低，并且增益誤差變化的增加是可以接受的；不過(guò)，具有更高額定 VCM 的器件是更簡(jiǎn)單的解決方案，能夠以更低的復(fù)雜性和更少的組件在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供精確的電流感測(cè)。
備選器件建議
有關(guān)需要更大 VCM 范圍或集成功能（例如分流電阻器或比較器）的應(yīng)用，請(qǐng)參閱表 1-2。
| 器件 | 優(yōu)化參數(shù) | 性能折衷 |
|---|---|---|
| INA253 | 集成的 2mΩ 分流電阻器（包含在增益誤差規(guī)格中）。增強(qiáng)型 PWM 抑制 | IQ |
| INA301-Q1 | BW 和壓擺率。具有可調(diào)閾值和 1μs 警報(bào)響應(yīng)時(shí)間的內(nèi)部比較器 | 40V VCM 最大值 |
| INA302-Q1, INA303-Q1 | BW 和壓擺率。具有可調(diào)閾值和 1μs 警報(bào)響應(yīng)時(shí)間的雙路比較器輸出 | 40V VCM 最大值 |
| LMP8278Q-Q1 | -12V 至 +50V VCM 承受能力?？烧{(diào)增益和濾波。緩沖輸出 | VOS |
| INA1x8-Q1, INA1x9-Q1 | ≥60VCM。電流輸出（可調(diào)增益）。經(jīng)調(diào)整的輸入電阻器。關(guān)斷后具有低 IB | VOS |