原標題：INA196，INA197，INA198高端電流采集模塊

基于INA196/INA197/INA198的高端電流采集模塊設計與元器件優選

在現代電子系統中，高精度電流測量是至關重要的環節，無論是在電源管理、電機控制、電池監測，還是在工業自動化和消費電子產品中。德州儀器（Texas Instruments, TI）的INA196、INA197和INA198系列是專為高端電流檢測應用而設計的電流分流監測器，它們以其高共模抑制比（CMRR）、寬輸入共模電壓范圍和卓越的精度而聞名。本篇文章將深入探討基于這些器件的高端電流采集模塊設計，并詳細闡述關鍵元器件的選擇、其功能以及選擇這些元器件的深層原因。

1. 高端電流采集模塊概述

高端電流采集模塊的核心目標是在高共模電壓存在的情況下，精確測量負載電流。與低端電流檢測（分流電阻連接在負載與地之間）不同，高端電流檢測將分流電阻放置在電源與負載之間，這使得系統能夠在不中斷接地路徑的情況下測量電流，尤其適用于電源線路、電池組或汽車電子等高電壓應用。INA19x系列芯片正是為了應對這一挑戰而生，它們能夠承受高達80V甚至更高的共模電壓，同時通過內部精密放大器將分流電阻兩端的微小壓降放大為可供ADC讀取的電壓信號。一個典型的高端電流采集模塊通常由電流分流電阻、INA19x系列電流分流監測器、濾波電路、基準電壓源、模數轉換器（ADC）以及必要的保護電路組成。

2. INA196/INA197/INA198系列核心特性與選擇依據

INA196、INA197和INA198是TI的增強型電流分流監測器系列，它們在基本功能上相似，但輸出增益不同，這使得設計者可以根據實際應用需求選擇最合適的型號。

• INA196： 提供20V/V的固定增益。適用于需要中等增益以保持較寬輸入動態范圍的應用。

• INA197： 提供50V/V的固定增益。當分流電阻產生的壓降較小，需要更高增益來充分利用ADC的輸入范圍時，INA197是一個理想選擇。

• INA198： 提供100V/V的固定增益。適用于測量極小電流或使用極小分流電阻的應用，以最大限度地減少功耗。

選擇依據：

選擇INA19x系列中具體型號的主要依據是電流測量范圍、所需精度、分流電阻的選擇以及ADC的輸入范圍。

1. 電流測量范圍與分流電阻： 模塊需要測量的最大和最小電流決定了分流電阻的阻值。通常，會選擇一個能夠產生最大100mV（甚至更低，例如50mV）壓降的分流電阻，以避免過大的功耗和自發熱，同時確保在最小電流時仍能產生可測量的壓降。

2. ADC輸入范圍： 所選ADC的滿量程輸入電壓是另一個關鍵參數。INA19x系列的輸出電壓應能充分覆蓋ADC的輸入范圍，從而最大化ADC的有效分辨率。

3. 所需精度： 增益誤差、失調電壓、漂移和共模抑制比是影響精度的關鍵參數。INA19x系列具有較低的失調電壓和漂移，以及出色的共模抑制比，這些特性直接決定了測量的準確性。

4. 環境溫度： 器件的溫度漂移特性對于在寬溫度范圍下保持精度至關重要。

為何選擇這些器件？

選擇INA19x系列的原因在于它們提供了一套高性能、高集成度和易于使用的解決方案：

• 寬共模電壓范圍： 它們能夠承受高達80V的共模電壓，使其適用于各種高壓應用，而無需復雜的隔離或電平轉換電路。

• 高精度： 極低的失調電壓（通常低于200μV）、低增益誤差和優異的溫度漂移性能，確保了在寬動態范圍內的精確測量。

• 高共模抑制比（CMRR）： 超過100dB的CMRR是其突出優點，這意味著即使在共模電壓劇烈變化時，對差分信號的影響也能被有效抑制，從而保證了測量精度。

• 內部集成高精度放大器： 簡化了外部電路設計，減少了元件數量和潛在的誤差源。

• 低功耗： 對于電池供電或功耗敏感的應用，其低靜態電流是一個重要優勢。

• 小封裝： 常見的SOT-23封裝有助于減小PCB面積。

3. 核心元器件優選與作用剖析

一個高端電流采集模塊不僅僅是INA19x芯片本身，更是一個協同工作的系統，其中每個元器件的選擇都至關重要。

3.1. 電流分流電阻（Current Shunt Resistor）

電流分流電阻是電流測量的“心臟”，其作用是將流過負載的電流轉換為可被INA19x系列芯片測量的微小電壓。

優選型號與參數：

• Dale（Vishay）WSL系列、Susumu KRL系列、Bourns CSM系列、Ohmite FC4L系列等精密大功率分流電阻。

• 關鍵參數：

• 阻值： 根據最大測量電流和期望的最大分流電壓（通常為50mV至100mV）計算。例如，最大電流為10A，期望最大分流電壓為50mV，則分流電阻阻值為50mV/10A=0.005Ω（即5毫歐姆）。

• 功率額定值： 必須遠大于I2×Rshunt的最大功耗，通常會留有1.5倍至2倍的安全裕度。例如，10A電流通過5mΩ電阻產生0.5W功耗，則需要選擇1W或更高額定功率的電阻。

• 溫度系數（TCR）： 這是最重要的參數之一，直接影響測量精度。選擇TCR小于±50ppm/°C甚至更低的電阻，例如±15ppm/°C。低TCR意味著電阻值隨溫度變化的幅度很小。

• 公差（Tolerance）： 越小越好，通常選擇±1%或±0.5%。更高精度的應用甚至會選擇±0.1%。

• 感抗（Inductance）： 特別是在測量脈沖電流或高頻電流時，低感抗的分流電阻（通常采用四端子開爾文連接）至關重要，以避免信號失真。

為何選擇這些元器件？

• 高穩定性： 精密分流電阻采用特殊合金材料和制造工藝，確保在寬溫度范圍內阻值變化極小，從而保證了電流測量的準確性和重復性。

• 低TCR： 這是選擇這些電阻的首要原因。TCR越低，電阻值受溫度變化的影響越小，直接減小了由分流電阻自身特性引入的測量誤差。

• 大功率能力： 能夠承受高電流長時間流過而不會因過熱導致阻值漂移或損壞。

• 四端子開爾文連接（Kelvin Connection）： 大多數高端分流電阻都支持這種連接方式。它將電流路徑與電壓測量路徑分離，消除了引線電阻和焊點電阻對測量結果的影響，顯著提高了測量精度。在INA19x的數據手冊中，也會明確推薦使用開爾文連接。

3.2. 輸入濾波電容（Input Filter Capacitors）

通常在INA19x芯片的輸入引腳（VIN+和VIN-）處并聯小電容，以及在輸入端到地之間并聯大電容。

優選型號與參數：

• 小電容： 陶瓷電容，例如村田（Murata）GRM系列、TDK C系列、KEMET C系列，容量通常為1nF到100nF。

• 大電容： 陶瓷電容或電解電容，容量取決于應用，從0.1μF到10μF。

• 關鍵參數：

• ESR（等效串聯電阻）和ESL（等效串聯電感）： 越低越好，以確保有效的去耦和濾波。陶瓷電容在這方面表現優異。

• 電壓額定值： 必須遠高于電路中的最大共模電壓和差分電壓。

• 溫度特性： 選擇X7R或C0G（NP0）等溫度穩定的電介質。

為何選擇這些元器件？

• 抑制高頻噪聲： INA19x系列芯片雖然具有高CMRR，但在高頻共模噪聲和差分噪聲環境下，輸入濾波電容是必不可少的。小容量陶瓷電容（例如1nF至100nF）能夠有效濾除高頻開關噪聲、RF干擾等，防止其進入芯片內部影響測量。

• 提供局部去耦： 對于差分輸入信號，輸入電容有助于平滑信號，減少瞬態尖峰，確保INA19x內部放大器獲得穩定的輸入。

• 提高穩定性： 適當的輸入濾波可以防止芯片在高頻下振蕩。

• 避免EMI/EMC問題： 良好的輸入濾波能夠降低電路對外部電磁干擾的敏感性，同時減少自身對外輻射。

3.3. 輸出濾波電路（Output Filter Circuit）

INA19x的輸出通常會連接一個簡單的RC低通濾波器，在某些情況下還會增加一個緩沖器。

優選型號與參數：

• 電阻： Vishay Dale RN系列、Yageo RC系列等精密薄膜電阻，阻值通常在幾百歐姆到幾千歐姆。

• 電容： 村田（Murata）GRM系列、TDK C系列等陶瓷電容，容量通常在幾納法到幾百納法。

• 關鍵參數：

• 電阻： 低TCR（±50ppm/°C或更低），低公差（±1%或更低）。

• 電容： C0G（NP0）或X7R電介質，低ESR/ESL。

• RC時間常數： 根據需要濾除的頻率和信號的帶寬要求來確定。通常會將濾波器截止頻率設置在遠高于信號帶寬但遠低于ADC采樣率的頻率。

為何選擇這些元器件？

• 平滑輸出信號： INA19x的輸出可能包含一些高頻噪聲或紋波，尤其是當被測電流含有開關噪聲時。RC低通濾波器能夠有效濾除這些高頻成分，提供一個更平滑、更穩定的直流電壓信號供ADC采集。

• 防止混疊（Anti-Aliasing）： 如果沒有適當的輸出濾波器，ADC在采樣高于其奈奎斯特頻率的噪聲時，會將這些高頻噪聲“折疊”到信號帶寬內，導致測量誤差。輸出濾波器作為抗混疊濾波器，確保進入ADC的信號頻率低于奈奎斯特頻率。

• 與ADC接口： 某些ADC的輸入阻抗可能較高，直接驅動會導致信號衰減或失真。一個適當的RC濾波器可以與ADC的采樣保持電路協同工作，提供一個穩定的電荷源。

• 精密電阻： 確保濾波器的截止頻率穩定，不受溫度或時間影響。

3.4. 模數轉換器（Analog-to-Digital Converter, ADC）

ADC將INA19x輸出的模擬電壓轉換為數字信號，供微控制器或處理器處理。

優選型號與參數：

• Texas Instruments ADS系列（如ADS1115、ADS1220）、Analog Devices AD7124、Microchip MCP342X系列等高分辨率、低噪聲ADC。

• 關鍵參數：

• 分辨率（Resolution）： 通常選擇12位、16位、甚至24位的ADC，具體取決于所需的測量精度。更高的分辨率可以捕捉更微小的電流變化。

• 采樣率（Sampling Rate）： 根據被測電流的動態特性和應用需求確定。對于慢速變化的電流，幾百赫茲到幾千赫茲的采樣率可能就足夠了；對于快速變化的電流，可能需要更高的采樣率。

• 噪聲性能（Noise Performance）： ADC的有效位數（ENOB）和噪聲自由度（Noise-Free Resolution）是衡量其噪聲性能的關鍵指標。低噪聲ADC可以更好地分辨微小的信號。

• 輸入類型： 單端、差分或偽差分。通常，差分輸入ADC能更好地抑制共模噪聲。

• 接口： I2C、SPI、UART等，選擇與微控制器兼容的接口。

• 內部基準電壓源： 一些ADC集成高精度基準電壓源，可以簡化設計。

為何選擇這些元器件？

• 高分辨率和低噪聲： 這是實現高精度電流測量的基礎。INA19x系列輸出的電壓信號本身精度高，因此需要一個同樣高精度的ADC來充分利用其性能，避免ADC自身的量化噪聲和熱噪聲成為主要的誤差源。

• 匹配信號范圍： ADC的輸入范圍應與INA19x的輸出范圍匹配，從而最大限度地利用ADC的動態范圍，避免信號過載或分辨率不足。

• 穩定性： 高端ADC通常具有良好的增益和失調漂移特性，確保在不同溫度和時間下測量結果的一致性。

• 接口兼容性： 方便與微控制器集成，實現數據的快速高效傳輸。

3.5. 基準電壓源（Reference Voltage Source）

如果ADC或INA19x（對于INA19x不是必需，但對于ADC是）需要外部基準電壓，其精度和穩定性將直接影響整個系統的精度。

優選型號與參數：

• Analog Devices ADR系列（ADR45xx）、Texas Instruments REF50xx系列、Maxim MAX6126系列等高精度低噪聲基準電壓源。

• 關鍵參數：

• 初始精度（Initial Accuracy）： 越低越好，例如±0.05%或更低。

• 溫度系數（Temperature Coefficient）： 越低越好，例如±5ppm/°C或更低，這是衡量其溫度穩定性的關鍵指標。

• 噪聲（Noise）： 低頻噪聲和寬帶噪聲都應盡可能低。

• 長期穩定性（Long-Term Stability）： 衡量其在長時間運行后輸出電壓的漂移程度。

• 電源抑制比（PSRR）： 能夠有效抑制電源波動對基準電壓輸出的影響。

為何選擇這些元器件？

• 保證測量精度： ADC將模擬信號轉換為數字信號時，其轉換結果是相對于基準電壓的。一個不準確或不穩定的基準電壓源會直接引入系統性的測量誤差。因此，高精度的基準電壓源是必不可少的。

• 低溫度漂移： 確保測量結果在不同環境溫度下保持一致，避免因溫度變化導致的誤差。

• 低噪聲： 減少基準電壓自身的噪聲對ADC轉換結果的影響，從而提高系統的信噪比。

3.6. 電源去耦電容（Power Supply Decoupling Capacitors）

在INA19x芯片的電源引腳（VCC）附近放置去耦電容。

優選型號與參數：

• 小容量陶瓷電容： 村田（Murata）GRM系列、TDK C系列，100nF到1μF。

• 大容量電解電容或陶瓷電容： TDK C系列、KEMET C系列、Nichicon UPM系列，1μF到10μF。

• 關鍵參數：

• ESR和ESL： 越低越好，陶瓷電容在這方面表現優異。

• 電壓額定值： 必須高于電源電壓。

• 安裝位置： 盡可能靠近芯片的電源引腳。

為何選擇這些元器件？

• 提供局部瞬時電流： 當芯片內部電路切換時，會產生瞬時電流需求。去耦電容能夠快速提供這些電流，防止電源軌上的電壓跌落。

• 濾除電源噪聲： 電源線上可能存在高頻噪聲，去耦電容可以將其短路到地，防止噪聲通過電源線進入芯片內部，影響其正常工作和測量精度。

• 提高穩定性： 穩定的電源對于任何模擬電路都至關重要，去耦電容有助于抑制電源波動，確保INA19x穩定工作。

3.7. 保護二極管與TVS管（Protection Diodes and TVS Diodes）

為了保護INA19x芯片免受過壓或反向電壓的損壞。

優選型號與參數：

• 肖特基二極管（Schottky Diodes）： Vishay BAT系列、ON Semiconductor MBR系列，如BAT54S（雙肖特基二極管）。

• 瞬態電壓抑制二極管（TVS Diodes）： Littelfuse SMF/SMAJ/SMBJ系列、ON Semiconductor SMMxG系列，選擇鉗位電壓略高于系統最大正常電壓，但低于芯片最大額定電壓的型號。

• 關鍵參數：

• 正向壓降（Forward Voltage）： 肖特基二極管的正向壓降低，可減小壓降損失。

• 反向恢復時間（Reverse Recovery Time）： 肖特基二極管的反向恢復時間極短，適用于高頻應用。

• 鉗位電壓（Clamping Voltage）： TVS管在瞬態事件發生時將電壓鉗位到的最大值。

• 峰值脈沖功率（Peak Pulse Power）： TVS管能夠吸收的瞬態能量。

為何選擇這些元器件？

• ESD保護： 肖特基二極管可以提供對輸入引腳的靜電放電（ESD）保護，將過高的靜電電壓鉗位到安全水平。

• 瞬態過壓保護： 在電源或信號線上可能出現瞬態高壓尖峰（如雷擊、開關瞬態、電機反向電動勢等）。TVS管能夠快速響應并吸收這些能量，將電壓限制在INA19x芯片的安全工作范圍內，防止芯片損壞。

• 反向電壓保護： 如果輸入端意外施加了反向電壓，二極管可以阻止反向電流進入芯片，從而保護內部電路。

4. 模塊設計考慮與布局布線

除了優選元器件，良好的電路設計和PCB布局布線對于實現高端電流采集模塊的性能也至關重要。

• 開爾文連接： 對于分流電阻，務必采用四端子開爾文連接。這意味著電流路徑與INA19x的差分輸入電壓檢測路徑是分開的。這將消除引線電阻和焊盤電阻對測量精度的影響。

• 短而粗的走線： 分流電阻到INA19x輸入引腳（VIN+和VIN-）之間的差分走線應盡可能短、等長且靠近，以減少噪聲耦合和寄生電感。這些走線應遠離數字信號線和開關電源線。

• 良好的接地層： 確保整個模塊有一個低阻抗的、連續的接地層。模擬地和數字地應通過一點連接，以避免地環路噪聲。

• 電源去耦： 去耦電容應盡可能靠近INA19x的VCC引腳放置，并使用短的走線連接到電源和地。

• 輸出濾波： RC濾波器應靠近INA19x的輸出引腳和ADC的輸入引腳放置。

• 熱管理： 大電流分流電阻在工作時會發熱，需要通過PCB的銅箔或散熱片進行有效散熱，以確保其溫度漂移在可接受范圍內。

5. 總結

基于INA196、INA197、INA198系列的高端電流采集模塊是實現高精度電流監測的關鍵組件。成功的模塊設計不僅依賴于這些卓越的TI芯片，更離不開對每一個外部元器件的深思熟慮和優化選擇。從低TCR的精密分流電阻、高性能的濾波電容，到高分辨率低噪聲的ADC和穩定的基準電壓源，每一個環節都對最終的測量精度和系統穩定性產生深遠影響。通過精選元器件，并結合合理的電路設計和布局布線，我們可以構建出魯棒、精確且可靠的高端電流采集解決方案，滿足各種嚴苛的應用需求。持續關注元器件供應商的最新產品和行業發展趨勢，將有助于工程師們在性能、成本和尺寸之間做出最佳權衡。