ZHCA967A March 2019 – March 2022 INA180-Q1 , INA181-Q1 , INA186-Q1 , INA240-Q1
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监控汽车 12V 电池的电流可获得各种应用的关键数据，例如模块电流消耗、负载诊断和负载反馈控制。TI 电流感测产品组合可以通过模拟和数字电流感测放大器 (CSA) 器件解决这一问题，这些器件经过汽车认证，具有集成功能，即使采用低压导轨供电，也能在 12V 环境下工作。本文档提供了建议的器件和架构，以解决该领域中的电流感测问题。
图 1-1 由 12V 电源轨供电的电流感测放大器该领域中存在一些由电气瞬态保护法规 ISO7637-2 和 ISO16750-2、跨接启动、反极性和冷启动等条件导致的限制因素。通常，系统级保护和抑制方案可用于保护下游电路免受这些电压浪涌情况的影响。这些解决方案中包含的器件类型为智能高侧开关、智能二极管或其他分立式实施方案。这些产品可能带有内部集成电流感测功能，但它们通常不太准确（最大误差为 ±3% 至 ±20%），并且动态范围有限。
专用的 TI 电流传感器具有很低的功耗，并且即使在整个温度范围内，在汽车环境中也具有很高的精度（误差小于 1%）。
与分立式解决方案或附加了集成电流感测功能的 IC 相比，匹配的内部增益网络和输入失调电压归零功能可在整个温度范围内提供较低的测量漂移。利用该放大器的集成特性和技术，无需进行温度和系统校准，一切都可以通过低成本来实现。
通常，一般的系统保护方案无法完全抑制或防止电压浪涌，因此这些主要法规会转化为典型的电压承受能力要求。根据系统情况，电流传感器可能需要承受负载突降、电池反向保护、快速负载开关和电感反冲电压。例如，在负载突降条件下，使用 12V 电池电源轨需要至少 40V 的承受能力。务必选择具有符合系统最坏情况 VCM 条件的输入共模电压 (VCM) 额定值的电流传感器。否则，在这些情况下需要使用输入电压钳位方案来保护器件。
共有多种可由 12V 汽车电池供电并能承受高达 40V 及更高临界电压水平的 TI 电流（功率）感应放大器。最终，它们提供了非常精确的零漂移、高带宽和低成本解决方案。表 1-1 利用在线 TI 产品选择工具，列出了在需要 40V 承受能力的汽车 12V 电池电源轨上进行高侧电流感测的备选器件。应注意，表 1-1 中的所有器件都具有多个 20V/V 至 500V/V 的增益变体。
| TI 电流 感测放大器 |
VCM
承受能力 |
VOS_MAX (25 °C) |
BW | 最大增益误差 (25°C) | IQ_MAX (25 °C) |
特性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| INA240-Q1 | -6V 至 +90V | ±25µV | 400kHz | ±0.2% | 2.4mA | PWM 抑制（极高的 CMRR）、AEC Q100（温度等级 1 和 0） |
| INA190-Q1 | -0.3V 至 +42V | ±10µV | 45kHz | ±0.3% | 65µA | INA186-Q1 的更精确版本。宽动态范围。 |
| INA186-Q1 | -0.3V 至 +42V | ±50µV | 45kHz | ±1% | 65µA | 低输入偏置电流（IB = ±500pA 典型值）。宽动态范围。工作电源电压 (VS) 为 1.7V。 |
| INA180-Q1 (INA181-Q1) | -0.3V 至 +28V | ±500µV | 350kHz | ±1% | 0.5mA | 单通道、双通道和四通道。单向或双向版本 |
根据表 1-1，与 INA186-Q1 相比，INA240-Q1 提供了最佳的性能，但并没有针对监控 12V 电池进行优化，而 INA186-Q1 则需要更低的功耗和成本以及更小的封装尺寸。INA186-Q1 具有高交流 CMRR (140dB) 和大动态范围（在整个温度范围内具有 VOUT 至 VS - 40mV 的范围）。此外，INA186-Q1 具有独特的容性耦合输入架构，与大多数 CSA 相比，其差分输入电阻增加了 3 个数量级。凭借高输入阻抗，用户能够过滤器件输入端的电流噪声，同时对增益的影响微乎其微。如果 R1 = 1kΩ，使用数据表公式，除 A1 (25V/V) 之外的所有变体的有效增益均降低 43.5m%。图 1-2 显示了 INA186-Q1 在电池监控中的使用。在输入端（而不是输出端）进行滤波意味着电流噪声不会被放大，并且 INA186-Q1 可以将更干净的信号驱动到 ADC 中，而无需在 ADC 之后加载输出滤波器。
图 1-2 由 12V 电池供电且带/不带噪声过滤功能的
INA186-Q1凭借广泛的电流感测产品系列，用户能够在采用常见的输入保护方案时对折衷因素进行优化。如果所选的器件指示绝对最大共模电压额定值不能超过最大预期电压浪涌，则器件需要输入保护。除一些无源器件以外，电流传感器还需要在输入端提供瞬态电压抑制 (TVS) 或齐纳二极管以进行保护。图 1-3 显示了使用成本优化型电流传感器 INA181-Q1 的示例。
图 1-3 针对 VCM > 28V
提供输入保护的 INA181-Q1在图 1-3 中，二极管 D1 将器件的输入 VCM 钳位到 28V 以下，该电压是 INA181-Q1 的绝对最大电压。R2 是可选的，可以包含该组件以防止 D1 和 CSA 的内部 ESD 结构同时打开，但通常不需要该组件。如果需要 R2，则该组件应小于 R1。二极管的额定功率取决于预期电压上升最大值，但更重要的是取决于导通电流。可以通过增加 R1 电阻来减小二极管电流，但这会降低电路的有效增益，更关键的是，对于大多数电流传感器（INA186-Q1 除外）而言，这会使增益误差方差增大。
鉴于 INA181-Q1 的内部电阻增益网络和输入差分电阻，工程师可以使用数据表中的公式通过 R1计算有效电路增益。请记住，添加外部电阻器会使系统增益误差方差超出数据表中给出的限值。这是因为 INA181-Q1 内部电阻器匹配为比率度量，但未调整为其典型值，因此其绝对值会变化 ±20%。
总体而言，工程师可以选择 INA181-Q1，因为采用输入保护时的总成本较低，并且增益误差变化的增加是可以接受的；不过，具有更高额定 VCM 的器件是更简单的解决方案，能够以更低的复杂性和更少的组件在整个温度范围内提供精确的电流感测。
备选器件建议
有关需要更大 VCM 范围或集成功能（例如分流电阻器或比较器）的应用，请参阅表 1-2。
| 器件 | 优化参数 | 性能折衷 |
|---|---|---|
| INA253 | 集成的 2mΩ 分流电阻器（包含在增益误差规格中）。增强型 PWM 抑制 | IQ |
| INA301-Q1 | BW 和压摆率。具有可调阈值和 1µs 警报响应时间的内部比较器 | 40V VCM 最大值 |
| INA302-Q1, INA303-Q1 | BW 和压摆率。具有可调阈值和 1µs 警报响应时间的双路比较器输出 | 40V VCM 最大值 |
| LMP8278Q-Q1 | -12V 至 +50V VCM 承受能力。可调增益和滤波。缓冲输出 | VOS |
| INA1x8-Q1, INA1x9-Q1 | ≥60VCM。电流输出（可调增益）。经调整的输入电阻器。关断后具有低 IB | VOS |