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[参考译文] INA181：ILOAD 的计算

admin
Guru**** 649970 points
Other Parts Discussed in Thread: INA181, INA250, INA185, INA190, INA191, INA186, INA226, INA236, AMC1302, AMC1300, OPA320, INA240
请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1099494/ina181-calculation-of-iload

器件型号：INA181
主题中讨论的其他器件： INA250、 INA185、 INA190、 INA191、 INA186、 INA226、 INA236、 AMC1302、 AMC1300、 OPA320、 INA296、 INA240、 INA241

尊敬的先生：

我们将测试 INA181A2的 EVM 板。 我们已连接5毫欧/4W (1%)分流电阻器、并尝试检查1至10安培的交流电流。 INA181A2的基准引脚为接地(单向配置的输出响应)。现在、通过 MCU、我们获得了 Vout 的值(以 Vrms 为单位)。我们使用公式计算 I LOAD  ILOAD =(Vout - Vref)/(Rsense *增益)

 
但问题在于 实际负载电流(I LOAD)会在计算后增加 Iload 中的误差。 (例如：实际 I LOAD 为1A，它显示的电流为1.5A。  如果实际 ILOAD 为3A、则显示为4.5A、依此类推)
我们认为 、我们的计算中没有考虑误差部分。 这是个问题 吗？ 如果是 、那么我们如何在 计算中获取误差部分？
 
第二件事是通知您、我们的 ILOAD 交流电流为1安培至10安培。 我们已将基准 引脚接地(单向配置的输出响应)。 因此，我们得到了半波输出，并且连接到了 MCU 的 ADC 引脚。 从该公式中、我们得出了 Vrms 并使用了上述 ILOAD 公式。 如果此问题有任何问题，请同时告知 。
 
 
 
此致、
Minesh Vyas、
JMV electronics、印度
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    TI__Guru**** 649970 points
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    尊敬的 Minesh：

    当测量电流为交流电时、为什么要在单向模式下运行 INA181？ 这将不起作用、因为 INA181的输出无法一直降至输出端的0V、因为由单电源供电的任何其他放大器：

    此外、输出会因进入饱和状态而失真。

    为什么不向 INA181的 REF 引脚施加合适的偏置电压、从而创建合适的伪接地？

    结果：无饱和、无失真。

    e2e.ti.com/.../minesh_5F00_ina181.TSC

    此外、您所得到的误差看起来像是由于使用不正确的分流器而产生的增益误差。 强烈建议使用这样一个四端子分流器：

    否则、与分流电阻串联的不可避免的焊点电阻会显著增加有效分流电阻。 使用所示的四端子分流器、感测两个微型端子分流器上的压降不可能由于焊点电阻而产生误差。

    Kai

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    TI__Guru**** 649970 points
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    您好、Kai、

    首先、非常感谢您的宝贵 支持。 这是我们首次监控 产品中的电流、因此没有相关经验 、因此请随时纠正我们的问题。
    在您的回复中 、您主要告知了以下两点：
    1) 1) INA181的单向模式：
       我们尝试了双向模式、方法是将2.5V (Vs/2)连接到 REF 引脚并监控 仅为正周期(高于2.5V)的 Vrms。 如果我们监测正 Vrms
        (高于2.5V)和负 (低于2.5V)周期，则结果为零。 因此、我们仅监控正周期的 Vrms。
      现在、ADC 基准 +为4.096V、因此在双向 模式下、我们在正周期内仅得到1.5V (Vp)(从2.5V 到4V、电流为0至10A)。 而在中    
       单向 、我们在正周期内获得4V (Vp)(0至10安培为0V 至4V)、因此为了获得良好的分辨率、我们使用单向模式。 结果和误差是  
       在这两种模式下都是相同的。 请就此问题提供您的建议并纠正我们的问题。
    2) 2)使用不正确的分流器
      是的、我们不使用4端 子分流器。 我们将安排4端子分流器，但同时，我们是否可以使用 EVM INA250A2？ 因为此 EVM 具有内置 的2毫欧 分流器。 我们有 EVM INA250A2库存。 请提供建议。
    谢谢、此致、
    Minesh Vyas、
    JMV electronics、印度。  
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    TI__Guru**** 649970 points
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    您好、Minesh、

    我将查看这一点、并将很快做出响应。

    此致、

    Peter

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    TI__Guru**** 649970 points
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    嗨、Minesh、

    首先、Kai 在前一篇文章中说的一切都是正确的、尤其是在将 INA181 OUT 引脚满贯到 GND 时、您将在 Arms 测量中得到的失真误差。 如果频率过高且器件甚至未达到正确的 Vout 峰值、则这种情况尤其糟糕。  

    其次、您可以使用 INA250A2；但是、您仍然需要解决您提到的输出饱和/动态范围折衷问题。

    第三、请确保器件输入引脚上的输入共模电压保持在器件额定值范围内、即-0.3V < Vcm < 26V。 您可以使用 INA181测量交流电流、但如果电压也是交流电且低于-0.3V、则不能测量交流电流。  如果 VCM 为交流电、则需要使用不同的方法来测量交流电流。

    测量平均/RMS 电流并不容易。  以下是一些选项：

    1.使用双向 CSA 测量双向电流。

    1. 使用双向 CSA (例如 INA181、INA185、INA250)测量交流电流，V_REF = Vs/2 = 1/2 = 1/2 Vs。
      1. 通过 MCU 后处理执行 RMS 计算。
      2. 精度受低负载电平限制。 低负载时的误差由器件输入失调电压决定。
    2. 与1相同、但使用整流二极管仅测量正电流。  
      1. 这使您可以 将动态范围加倍、因为您可以设置 REF=GND。
      2. 缺点是您可能没有空间、或者它可能与系统不兼容。
      3. 不建议在 OUT 引脚(与输入相反)处使用整流二极管、因为如果 OUT 是电压信号、则会从可变二极管 VF 中得到误差。
        1. 如果放大器是输出电流信号放大器、则解决了 VF 问题；但是、您仍将使放大器输出饱和、这将导致失真。
    3. 在高输入阻抗双向放大器(例如 INA190/INA186/INA191或仪表放大器)的输入端放置一个差分输入 RCR 滤波器
      1. 这有助于解决动态范围问题。
      2. 输入 RCR 滤波器需要具有低组件容差、以便在许多系统中保持衰减系数稳定。
      3. INA190/186/191是唯一一款2MΩ 使用的电流感应放大器、因为它们具有高输入阻抗(>8 Ω)。 INA181的 ZIN =~2.5kΩ Ω、因此输入滤波器将导致显著的增益变化和增益误差。
      4. 这是电路原理图、但 REF 将设置为 Vs/2。
    4. 使用数字 CSA (例如 INA236、INA226) 对数据进行数字化、然后通过 MCU 后处理执行 RMS 计算。
      1. 这些器件可以测量平均电流；但是、这不是 RMS、正如您所说的、如果您对直流偏移为0V 的信号求平均值、则可以得到0V 的平均值。 因此、如果您希望使用器件的平均值计算功能、则需要按照我在选项2中建议的方法来校正信号。
    5. 使用本文档中所示的分立式解决方案：
      1. https://www.ti.com/lit/an/slyt545/slyt545.pdf?ts=1652144262317&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
    6. 使用市场上提供的真 RMS 电流传感器。  

    希望这一切都有意义。  

    此致、

    Peter

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    TI__Guru**** 649970 points
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    尊敬的 Minesh：

    您能否显示原理图？

    Kai

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    TI__Guru**** 649970 points
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    尊敬的 Peter：
     非常感谢您在 我的技术查询中提供的宝贵信息。
    我从你的答复中了解到的是什么  
    1)是的、我尝试 测量0至10安培交流电(电压也是230 VAC)。 因此、首先 、正如您正确地说过的、我必须改变我的方法。 随附一个小原理图 。 请建议一种纠正方法。
          
    2) 2)如前所述、 测量 RMS 的选项不同。我不确定哪种选项合适、因为我认为首先必须选择 方法 (如上所述)。 但我可以选择第一个选项、因为我使用 MCU 进行 RMS 计算、在我的应用中、如果精度受到低负载电平的限制、这是可以的。  
    3) 3)完成上述两点后、我将讨论分流器。
    谢谢、 此致、
    Minesh Vyas、
    JMV electronics、印度
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    TI__Guru**** 649970 points
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    尊敬的 Minesh：

    您可以将分流器移至市电电压的中性点、并将 INA181的信号接地也连接至市电电压的中性点。 这样、您将执行低侧电流测量、共模输入电压将大幅降低：

    当然、您仍必须检查分流器上的任何噪声是否会超过允许的共模输入电压范围。 INA181的输入电压不得超过 INA181接地引脚电压的0.3V、即使不是短暂的。 最后、您必须选择能够承受更多负向输入电压的 INA。

    此外、如果您可以触摸您的电路、并且电源电压的中性点未连接到保护接地端、则最终可能需要保护隔离。

    Kai

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    TI__Guru**** 649970 points
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    尊敬的 Kai：

    感谢您的回复，我将根据您的建议修改原理图，并尽快回复您。我也会关心适当的隔离。
     
    同时，请澄清以下几点：
    1)如果我仅计算正波的 RMS 值(高于2.5V)，然后计算 I LOAD。   这是正确的吗？
    2)我在 Vout 和 MCU 的 ADC 引脚之间连接了 RC (1K 欧姆和.1uf)。 我是否应保持连接？
    3) 3)您已在 Vout 和 GND 之间连接10K。 我是否应添加此项？
    谢谢、 此致、
    Minesh Vyas、
    JMV electronics、印度。
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    嗨、Minesh、

    1) 1)您只能使用正极波来计算 RMS 电流、但您必须假设负载为纯交流波或单整流波、这两种情况下的 RMS 值都不同。 您也可以根据一个完整周期或加载周期的倍数来计算 RMS 值。 这将需要将 REF 设置为 Vs/2。

    2) 2) INA181和 ADC 之间的 RC 通常称为电荷桶滤波器、用于稳定通过 ADC 动态切换加载的放大器输出。 为了确定最佳值、您需要了解 MCU 的 BW 要求。 这些所需的带宽会因 ADC 位数、采样率、转换时间和采集时间而异。 检查 MCU 是否有推荐的 RC。  

    3) 3)没有必要在 OUT 引脚上连接10k 负载。 负载电阻器有助于放大器向其接地轨摆动较低、但在该应用中似乎没有必要。  

    关于将分流器和放大器移到中性侧、我会谨慎操作。 中性点可能未接地、或者可能存在反极性连接、因此这些是系统可能需要考虑的问题。 需要注意的另一个注意事项是、当您在低侧进行感应时、您可能无法检测到系统运行时可能发生的任何从热接地到接地的故障电流。

    您可以考虑使用我们的隔离产品之一、您可以通过以下链接进行浏览。 其中包括隔离式电流感应放大器(例如 AMC1300、AMC1302)、隔离式 ADC 和隔离式数字发送器/接收器。 所有这些产品都允许您使用接地参考系统/MCU 隔离高压电源。 但是、如果您要使用 AMC1302、则需要一个随交流电源移动的浮动直流电源。 这可以通过交流/直流并联稳压器电源来实现。 为此、您可以将 HOT 和 NETURAL 连接到全桥整流器、平滑电阻器和电容器、然后连接5V 齐纳稳压器、将平滑的整流直流电压降至5V 电源

    https://www.ti.com/isolation/overview.html

    此致、

    Peter

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    尊敬的 Peter：
    感谢您的持续支持。
    根据您上次的答复、我了解 RMS 计算、RC 选择和10K 负载电阻器的要点1至3。
    但在阅读完最后两段之后 ，我 无法 决定如何继续。 我是否应按照 Kai 建议的原理图或选择新的 CSA (如 AMC1302)？   
    我的要求 是仅测量 0至10安培交流电(和230 V 交流电)。 在我的产品中、我仅使用一个隔离式5V 直流电源连接到 MCU 和 CSA 电路(通过降压变压器)。   
     您能不能将我放在一个方向上、以便我可以研究您建议的 CSA 和原理 图、从而实现更高的目标。  可以使用 INA181Ax 吗？  
    很抱歉，我打扰了您和 Kai，但我想知道   我能不能让 TI CSA 满足我的要求？  
    谢谢、此致、
    Minesh Vyas、
    JMV 电子产品、
     
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    尊敬的 Minesh：

    由于我们不知道您的应用程序的详细信息、因此没有简单的答案。 重要的问题是：触摸电源的中性点是否危险？ 如果是危险的、则必须进行一些安全隔离。 但这不一定位于分流器上。 有三种情况：

    1.中性是一个危险的电势，您直接在分流器上使用隔离放大器。

    2、中性是一个危险的电势、但您仍然需要在分流器上使用 INA181、并在稍后通过数字隔离器在信号链中进行安全隔离、例如

    3、中性线没有危险的潜在危险，因为它安全地连接到保护接地端。 在这种情况下、INA181可以保持与分流器的连接、稍后在信号链中进行额外的安全隔离不太重要(但仍然强烈建议！)

    如果您不确定如何继续、如果您不熟悉这些内容、我将转到第1点、并直接在分流器上使用隔离放大器。

    当然、如果您不想将分流器连接到市电的中性点、而是连接到230VAC、我肯定会直接在分流器处找到隔离放大器。

    Kai

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    您好 Kai、

    感谢您的回复、是的、您答对了、这没有简单的答案。
    让我们开始这项工作、因为我们希望通过 INA181测量0至10安培交流电(@230 VAC)。 因此、我们可以检查 INA181在测量0至10安培交流电时的功能和适用性。
    我们首先重点使用 INA 181、分流器和 MCU 制作完整的测试板、测量0至10安培交流电(@230VAC)。 我们将要处理的隔离器件。 成功使用 INA181测量0至10安培的交流电流后、我们将了解如何在产品中实施该器件。 (如备选案文2所建议)。
    在我们的产品中、我们使用不同 的电源、例如实时电源、冷电源以及实时和冷电源。 因此、我们将处理隔离器件。 其次、我们的产品中没有输出/输入(供客户使用)。
    现在，如果我们继续执行以下操作，是否正常？
     我们将使用 您上一次答复中建议的原理图将中性点与 GND 连接。如果  需要、我们将在分流和 RMS 计算中进行必要的更正、并了解我们如何获得正确的 I LOAD。
    谢谢、 此致、
    MInesh Vyas、
    JMV electronics、印度。
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    尊敬的 Minesh：

    是的、从我的角度来看、您可以这样做。 1k 100nF 电荷桶滤波器似乎是一个不错的选择、假定您不希望每秒采集1000次以上的样本。 您希望使用什么 ADC？

    Kai

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    您好、Kai、

    好的、我们正在 进行相应的工作、在此之前、如果 需要 纠正任何问题、请告知以下几点。
    1)我们使用 PIC16F15344 (MCU)，它具有10位 ADC。   ADC 的 Vref +为4.098V (这是固定电压基准)，Vref -接地。
    2) 2)为了计算 RMS、我们仅在  正周期内每500微秒采集一次样本。 因此、我们检查每个正周期的 RMS。
       在 50个正周期内执行相同的操作、并获取 这些50个 RMS 值的平均值。 这是 我们用于计算 I Ioad 的最终 RMS。
    3) 3) INA181基准引脚连接 在2.5V (Vs/2)上、我们的线路频率 为50Hz。 因此，如果我们获取一个完整周期(正 负波)的 RMS
       然后它将变为零、以便我们仅计算正 周期 RMS。
    谢谢、此致、
    Minesh Vyas、
    JMV electronics、印度
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    尊敬的 Minesh：

    1k 100nF 电荷桶滤波器的充电电流仅为500µs μ A、最高充电率为99.3%。 这是您的应用中的问题吗？

    根据 RMS 计算、我首先从每个读取2.5V Vref 的 ADC 中减去、然后通过考虑正值和负值来计算 RMS。  

    Kai

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    您好、Kai、

    好的、
    1) 1)我将每1毫秒采集一次样本 、并使用1K 和100nF (作为电荷)  
       铲斗过滤器)。
    2) 2)是的、我从  ADC 中减去2.5V Vref。
    3) 3)现在最后一点是，我还可以考虑 正波和负波。
    但是，当我们计算  全波 RMS ( 正负)时，该值将变为零或接近零，因此 I LOAD 也将为零，那么我们如何计算 I LOAD？  
    谢谢、此致、
    MInesh Vyas、
    JMV electronics、印度
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    尊敬的 Minesh：

    不可以、这不会变为零、因为计算 RMS 意味着获取平方值的平均值。

    我建议考虑两个半波、因为如果叠加谐波、区分两个半波可能会很复杂。 然后、您可以在正半波中具有负向电压、反之亦然。 此外、正半波和负半波不需要完全对称。

    Kai

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    嗨、Minesh、

    因此、您使用降压变压器为 MCU 和 CSA 生成隔离式浮动5V 电源、对吧？ 这似乎是您在第一个帖子中能够在230VAC 线路电压上获得电流测量而不会使器件发热的方法。 如果是这种情况、那么您似乎可以使用 INA181继续测量高侧(热)上的线路电流。 您还可以测量中性点的返回电流；然而、测量低侧电流的缺点是您无法检测热接地故障电流、但这甚至不是您的要求。

    总体而言、无论您选择何种技术、我强烈建议始终使用高压差分探头测量 INA181的输入共模电压(相对于 INA181 GND 引脚的 V_IN+和 V_IN-)。 这样、您就可以确认 INA181 GND 随线路电压变化、并且 VCM 保持在0V 至26V 的工作 VCM 限值范围内。

    了解隔离和保护后、应直接确定如何将输出转换为 RMS 电流。 获得良好交流数据的最佳做法是确保 INA181输出保持在线性工作区域内(最大~100mV 至4.9V)。 如果 VOUT 超过此值、则器件输出级将变饱和、从而导致饱和延迟和测量误差/失真。 任何放大器都是如此。 确保这一点的最佳方法是确保 OUT 偏置为1/2 Vs (Vs/2)、因为正峰值和负峰值大多是垂直对称的。 因此、请考虑将 ADC REF+设置为 VDD、将 ADC REF-设置为 GND。 要计算必要的增益、请使用以下公式：

    Vshunt_peak =(4.9V-2.5V)/增益

    rsh_max = Vshunt_peak/Imax_peak

    使用这些公式以及允许的最大 rsh 功率耗散来确定最佳增益和 Rshunt 值。

    如 Kai 所述、确定 RMS 意味着您首先对测量进行平方运算、因此负测量始终为正、因此最终 RMS 计算始终大于0。 这是 RMS 的点。

    对于电荷桶滤波器、请参阅数据表中 MCU ADC 的 BW 要求。 所需的 BW 取决于所选的转换和采集时间。 您还可以使用此应用手册了解有关确定最佳电荷降压滤波器的更多信息。 INA181 SPICE 模型对闭环带宽和输出阻抗进行了建模、因此您可以将其与 TINA 中 MCU ADC 的分立式模型结合使用以完成分析。

    https://www.ti.com/lit/an/sboa443/sboa443.pdf

    我建议首先使用 INA181和 ADC 之间的高带宽、精确运算放大器缓冲器(例如 OPA320)开始设计分析。 请注意、缓冲器仍然需要一个基本的 RC 电荷桶滤波器。 确定测量精度和 MCU 代码后、使用 INA181和计算得出的 RC 电荷桶滤波器直接移除缓冲器并驱动 MCU、以确保在移除缓冲器之前和之后具有相似的精度和性能。

    此致、

    Peter

  • 0
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    您好、Kai、
    好的，我明白了你的观点。 我将考虑正 波和负波、并在 I LOAD 计算中找到全波的 RMS。
    现在，我  再次继续实验 ， 并返回给您结果。
    谢谢、此致、
    Minesh Vyas、
    JMV 电子产品、
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    您好、Peter

    非常感谢您的回复、是的、我们使用降压变压器进行隔离。 现在、我们将再次使用  INA181进行电流测量实验。 我们将非常关注您描述 的要点、并很快返回结果。
    谢谢、 此致、
    Minesh Vyas、
    JMV electronics、印度。
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    TI__Guru**** 649970 points
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    祝你好运:-)

  • 0
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    嗨、Minesh、

    没问题。 如有任何疑问和/或更新、请在论坛上发布软件包。

    此致、

    Peter

  • 0
    TI__Guru**** 649970 points
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    您好 Kai / Peter

    我非常高兴地通知你，在你的合作 和支持下，我将向你通报情况。 现在、我可以 使用 INA 181测量100mA 至10A 交流电(230V 交流电)的电流。 我完成了主要更改  
    1) 1)  通过将 REF 引脚连接到2.5V (Vs/2)、在双向模式下使用 INA 181。
    2) 2)在计算 RMS 值时、我考虑 了正波和负波。
    3)  3)电荷桶滤波器使用1k 和100nF 并每 1ms 采集一次 ADC 样本。
    4)我已连接一个5ml 欧姆1% 4W 的分流 器(但我仍将改进分流器)。
     
    最后一个问题是关注 这两 种情况、我得到了相同和正确的读数、因此建议使用哪种读数。
     a)根据 我之前 的电子邮件中给出的原理图。(没有引脚 IN+或 IN-连接到 GND。)
     b)根据 Kai 先生的原理图 。(中性点连接到 GND。)
     
    再次非常感谢大家。
     
    此致、
    Minesh Vyas、
    JMV electronics、印度。
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    嗨、Minesh、

    很高兴阅读。 对于您上一次的查询、这应该是系统级要求。 如果要检测热接地故障事件、则 应将 INA181置于高侧。 但是、您可能不关心故障电流的检测(GFCI 电路的任务是检测大于5mArms 典型值的故障)。 因此、在极少数情况下、可能会出现一些故障泄漏、但这不足以触发 GFCI。 因此、它会叠加到您测量的负载上。 如果 FAULT = 3mArms 且负载= 100mArms、这可能会增加~3%的误差。 这甚至不包括某些机器(如洗衣机)中电机驱动器噪声引起的谐波泄漏瞬变。 如果有可能出现反极性情况、则可能必须考虑这些因素。

    您可以将 INA181置于中性侧、甚至可能不需要降压隔离变压器、因为中性点与接地端具有相同的电势； 然而、如果有可能出现反极性连接、用户将电线或电气连接翻转至负载、那么 INA181将暴露在230VAC 的电压下、而不提供保护/隔离和吹气。

    总体而言、由于热侧可能会出现泄漏噪声、我强烈建议为 INA181使用输入滤波器、如下所示。 保持输入电阻器< 10欧姆、否则会出现明显的增益衰减。 选择一个电容器、该电容器将截止频率(fc)设置为高于 ADC 采样率和/或 高于您可能需要的任何阶跃响应要求、从而不会不必要地降低系统速度。 有关 大多数 电流感应放大器的输入电阻器为何小于10欧姆的更多说明、请参阅链接。

    如果您最终需要更高的精度、请考虑 INA185、INA186、INA190、INA240、 INA241、INA296。 INA185在功能上与 INA181相同、但规格更准确、封装更小。 INA186/INA190 (低功耗)非常出色、因为您可以使用输入滤波器和高达1kOhm 的输入电阻器、而对增益的变化很小、因此允许您使用更低的电容/更严格的容差 CF。 INA240/INA241/INA296 是有益 的、因为它们可以在内部生成精确(0.1%)的 VREF=Vs/2、而无需额外的电路。 它们还具有更高的交流 CMRR 和更高的带宽、因此您可以轻松增大 ADC 采样率/位数、但在感应50Hz 信号时、您不需要非常高的采样率

    但愿这对您有所帮助。

    最棒的

    Peter

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    您好、Peter、
     
    非常感谢 您 提供的宝贵信息。 好的、我们将根据应用需求最终确定原理图。 另外、尝试使用 INA 181的输入滤波器并检查结果。 我们还将研究您建议的 CSA、看看我们是否可以为我们的产品使用另一个 CSA。
     
    目前 我们正在关闭 此查询、如果 需要 、我们将通过 E2E 帖子再次与您联系。
    我们非常感谢您和 Kai 先生的支持 与合作。  非常感谢。
     
    此致、
     
    Minesh Vyas、
    JMV electronics、印度。
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    祝你好运

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    当然、Minesh Anytime。  

    请将您的任何其他问题/更新发布回您的网站。

    最棒的

    Peter