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，可通過其深入了解系統(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)。電流測量存在多種方法和測量位置可供選擇，通過測量結(jié)果可評估這種提供了重要信息的信號。
低側(cè)感測
其中一個電流測量位置位于特殊負(fù)載或系統(tǒng)的接地返回路徑中。如果在該位置執(zhí)行電流測量，針對器件的要求是最低的，只需使用一個放大器處理向下接地的共模信號。如圖 1-1 所示，將一個小電流感測電阻（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 |
| 電流感測放大器 | + | + | 高側(cè)、高增益、高精度 | — |
低側(cè)感測的弊端之一是監(jiān)測的負(fù)載直接與系統(tǒng)接地相連會產(chǎn)生損耗。如圖 1-2 所示，當(dāng)電流流經(jīng)分流電阻時，元件兩端的電壓會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)基準(zhǔn)與所監(jiān)測負(fù)載的接地電勢產(chǎn)生電勢差。如果系統(tǒng)無法提供與系統(tǒng)電流成正比且上下浮動的接地電勢，這種變化的基準(zhǔn)連接存在問題。
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)測量位置難以檢測到某些故障條件。如果短路狀態(tài)導(dǎo)致電流通過另一條路徑而不是通過分流電阻接地，低側(cè)放大器將無法檢測到這一事件。
高側(cè)感測
在負(fù)載的高側(cè)測量電流，或直接與監(jiān)測的電源軌和電路的其余部分串聯(lián)時，可以避免低側(cè)電流測量過程發(fā)生系統(tǒng)基準(zhǔn)變化和短路路徑交替問題。高側(cè)位置支持測量完整的系統(tǒng)電流，以便檢測流經(jīng)非預(yù)期路徑的所有過剩電流。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。測量電流的典型信號鏈路徑是將電流感測電阻兩端的電壓進(jìn)行放大，然后將這個放大后的信號引入模數(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）的輸入范圍相對較小。所需的共模電壓會超過 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。
電流感測放大器是專為適應(yīng)這些高壓輸入電平而開發(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壓保護(hù)。
由電壓低至 1.7V 的電源供電時，INA190 電流感測放大器符合監(jiān)測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、微控制器和信號路徑放大器供電的低壓電源可能會被關(guān)閉。然而，即使監(jiān)測放大器掉電，電池應(yīng)仍與測量電路相連。INA190 具有容性耦合輸入級，可在被禁用或電源電壓為零時避免電池中出現(xiàn)不必要的電流消耗。
對于這種常開狀態(tài)，電流感測放大器的輸入電路經(jīng)專門設(shè)計(jì)，無論器件電源電壓如何，均可適應(yīng)整個輸入范圍。
無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，同時從電源中汲取極少的電流，并且不會遭到損壞。
圖 1-3 INA190：專用電流感測放大器備選器件建議
對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 芯片級封裝。對于電壓高達(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)控制和開關(guān)電源。INA301 電流感測放大器具有一個板載比較器，用于在芯片上執(zhí)行過流檢測。