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[参考译文] 电流感应放大器解决方案

Guru**** 657930 points
Other Parts Discussed in Thread: INA226, LOG114, OPA192, INA121, INA190, INA191, OPA544, INA592, INA180, INA199
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/796282/current-sensing-amplifier-solution

主题中讨论的其他器件:INA226LOG114OPA192INA121INA190INA191OPA544INA592INA180INA199

大家好、

我们正在为射频模块测试 Jig 寻找电流感应放大器、以测量睡眠电流和上行链路电流[峰值]。 请向我推荐合适的解决方案来构建设计。

I 负载最小值:1uA [睡眠]

I Load Max:1A [峰值]

电源电压:3.3V

或者建议我采用合适的方法来实现相同的功能。

谢谢、

Rahul

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    你好 Raul、

    感谢您发帖到 E2E 放大器论坛。

    首先、让我说、您正在尝试测量1uA 至1A 的电流、这是一个100万到1的动态范围。 大多数放大器的输出电压将在50mV 至4.95V 之间摆动、前提是电源为5V、而输出的线性范围为50mV 至4.95V。 这最多是一个100:1的动态范围。 有一些数字电流感应放大器(如 INA226)可以感应动态范围为8192:1的单向电流。 最高动态范围的放大器之一是 LOG114、但我认为它在大于10mA 的电流下不起作用。 您可以在此处阅读有关此器件和另一种潜在分立式解决方案的更多信息:
    e2e.ti.com/.../747435 范围电流感应

    此外、这里有两个用于测量大电流范围的 TI 参考设计、尽管它们不能单独满足您的要求。
    http://www.ti.com/tool/TIPD135
    http://www.ti.com/tool/tipd104

    因此、您很可能需要将电流感应分为两个电路(因此两个放大器)或一个电路来改变增益或切换到不同的分流电阻器。 或者、如前面的链接所示、对于具有 OPA192等运算放大器或 INA121等仪表放大器的分立式解决方案、您可以使用不同的增益设置电阻器进行切换。

    以下是具有可调节增益的电流感应放大器列表:
    www.ti.com/.../products.html

    INA190是一款具有出色输出动态范围(~996:1)的电流感应放大器、可在整个温度范围内轻松感应1uA 的电流、且精度良好。 它还具有使能引脚、因此当射频模块正常运行时、它可以进入睡眠模式。 请参阅此电路指导手册:
    www.ti.com/.../sboa336.pdf

    其他选项包括在此处使用可编程增益或可变增益放大器(PGA/VGA):
    www.ti.com/.../overview.html

    话虽如此、您仍然需要考虑在两个电流电平下可以承受的误差、1A 电流的频率以及信号链的外观。

    此致、
    Peter Iliya
    电流感应应用
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    尊敬的 Peter:
    非常感谢您的快速响应。 我想使用 INA190来测量1uA 至104uA 的电流。 因此、以下解决方案是首次设计的完美选择。 我将实施该设计、并尽早回复您、以便在稍后讨论更多内容。
    "INA190是一款具有出色输出动态范围(~996:1)的电流感应放大器、可在整个温度范围内轻松感应1uA 的电流、且精度良好。 它还具有使能引脚、因此当射频模块正常运行时、它可以进入睡眠模式。 请参阅此电路指导手册:
    www.ti.com/.../sboa336.pdf"

    >我将按照您共享的链接中所附的相同参考设计开始。
    >我将开始设计并向您共享用于验证的原理图文件
    >请知道要跨差分引脚放置的电容值。

    谢谢、
    Rahul
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    Rahul、

    我很高兴我们能够获得解决方案来解决您的前半部分系统要求。 INA190附带 EVM (评估模块)、您可以在此处订购。 此 EVM 可让您焊接分流电阻器以进行快速测试。
    www.ti.com/.../ina190evm

    几乎可以在输入差分引脚上放置任何电容值。 当分流电阻较高(~ 1kOhm)时、最好将输入电容(Cdiff)增大到1nF。 可以设置更高的值、但这可能会缩短分流电压阶跃响应的稳定时间。 EVM 还具有用于放置 Cdiff 或其他滤波组件的焊盘。

    另请注意、如果您只是进行单向电流感应、INA191是另一种选择。 它的功能与 INA190相同、但采用 WCSP 封装且无 REF 引脚。

    此致、
    Peter Iliya
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    尊敬的 Peter:

    我们还需要使用 OPA544测量高功率运算放大器驱动器的电流。 电阻分流器放置在低侧、待测电流约为1mA 至1A。 我们可以使用 OPA192构建电流感应电路吗? 我们发现 OPA192具有非常好的直流特性。 您能否提供任何示例电路?

    BTW、我们还评估使用 INA592作为低侧电流感应、INA592是否可用于此应用?

    最好

    本源
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    您好、Benyuan、

    您可能希望创建有关测量 OPA544低侧输出电流的新主题/帖子、因此涵盖精密运算放大器(OPA192)和差动放大器(INA592)的其他组可以为您提供帮助。 包括有关感应电流频率、输出电压范围以及放大器供电方式的信息、所有这些都需要包含在内。

    与此同时,我可以提供一些指导。 1mA 至1A 的动态范围对于单个放大器来说可能会有点困难、但这是可能的。 有关将运算放大器(如 OPA192)用于低侧感应的信息、请参阅《模拟工程师电路设计指导手册:标准电流感应技术的放大器》。

    您可以在下表中看到所有电势电路。

    使用 INA592可能很困难、因为您可能希望将增益从1/2增加到更易于管理的部分。

    您将需要考虑您的设备需要多大的带宽。 如果它感应非常快的电流瞬变、那么您可能还需要具有高压摆率和较短稳定时间的器件。

    如果您感应的1mA 至1A 电流是直流电流、则可以使用 INA226、这是一款具有 I2C 输出的数字电流传感器。 借助81.92mΩ Ω 的分流电阻器、您将能够使用低电压电源上的此单个器件感应1mA 至1A 的电流。

    此致、

    Peter Iliya

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    谢谢您、我想将电流范围从100mA 降至几安培、并使用 OPA192进行电流感应。 顺便说一下,指导手册很棒!
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    尊敬的 Peter:
    在这里、我计划采用以下方法、
    第1点:如您所述、要解决我的问题的前半部分、我将使用 INA190感应放大器[状态:电路板正在设计中]
    第2点:较高解决方案的下一个解决方案是什么、这意味着测量大于200mA 的额定电流、请告诉我该解决方案
    第3点:如何将这两个组合/将这两个组合拆分为单个电路板、是否存在精确测量的任何问题、以及制造电路的逻辑解决方案是什么?

    谢谢、
    Rahul
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    嗨、Rahul、

    前面链接中的电流感测电路是否不适用于点2 (感测>200mA)? 在不了解基本系统要求的情况下、很难说出您的解决方案应该是什么。

    有多少布板空间?
    200mA 时、您需要什么误差?
    系统是否需要低成本?
    您的功率预算是多少?
    允许的最大分流电阻器功耗是多少?
    高侧或低侧感应是首选吗? 高侧电压(VCM)是否为3.3V? 是否存在导致 VCM > 3.3V 的电压瞬变? 始终可能的最大和最小 VCM 是多少?
    当系统处于睡眠模式时,第2点的电流感应放大器是否需要关闭?
    您感应的是直流电流还是交流电流? 您是否尝试测量峰值负载电流?
    电流感应放大器是否需要快速阶跃响应时间?
    放大器驱动什么? ADC? 比较器输入? ADC 采样速度和位分辨率是多少?


    如果不知道这些问题,我就不能真正向您推荐解决方案或部件。 您知道、您可能可以使用第二个 INA190来测量200mA - 5A 电流。 测量电流的主要限制是输入失调电压或输入偏置电流。 当电流以毫安为单位时、这比大多数电流传感器的输入偏置电流大得多、以微安为单位。 只要您确保分流电阻器的额定功率足够高、以达到可能的最大电流电平、INA180也可能正常工作。
    --

    对于第3点,我再次不知道您要尝试实现哪种类型的系统。 我会说,将“点1”和“点2”所需的分流电阻器放置在同一条总线线路中会有问题。 这是 Ω、当系统完全正常工作时、检测 kΩ μ A 电流所需的~µA 100k Ω 至1k Ω 分流电阻器(RS1)将暴露在电流放大器中。 显然、这会导致 RS1爆炸。

    如果不了解您的系统,您可以通过点2的分流电阻周围的两个 FET 来解决此问题(我们将此分流电阻称为 RS2,假设它在毫欧范围内)。 当系统正常运行时、FET 可能会导通、并使 RS2成为大电流的主要导通路径。 当系统进入睡眠模式时、FET 关闭、并使 RS1成为低电流的主要导通路径。

    有许多方法可以实现这一目标、但您最终将获得最佳的了解。 您还可以将单个 FET 与 RS1并联。 在睡眠模式下、FET 将关断、而在高电流模式下、FET 将导通并在 RS1上短路、从而使电流通过 FET 而不是 RS1。 在这种情况下、您需要确保漏源泄漏电流远小于 INA190的 IB (输入偏置电流)。
    希望这对您有所帮助。
    -Peter

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    嗨、Rahul、

    如果您不知道我们有电流感应视频培训系列、请点击此处:
    training.ti.com/getting-started-current-sense-amplifiers

    这些视频实际上有助于展示电流感应放大器的工作原理。

    最棒的
    Peter
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    尊敬的 Peter:

    谢谢  

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    e2e.ti.com/.../SCHEMATIC1-_5F00_-PAGE1.pdfDearPeter、

    测试了我的电路、我通过 DMM 获取以下读数、

    分流电阻:0.00Ohm 1%

    输入电压:3.3

    放大器输出:51uV

    这就是我通过设计的电路 PFA 获得的结果。

    预期结果低于预期结果、

    射频模块睡眠电流:2uA

    我的集成部件似乎有问题。 请帮助找到我的模块预期的实际电流。(或)请告诉我在这里是否发生了错误。

    谢谢、

    Rahul

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    嗨、Rahul、

    我在原理图中看到了几个问题。 第一、您可能通过在 OUT 引脚放置过大的电容器来使 INA190变得不稳定。 您使用 INA190在无隔离电阻(R2 =0)的情况下驱动0.1uF 电容(C3)。 我们将最大容性负载规格为1nF。 我首先要移除 C3。

    其次、如果您尝试使用2mΩ Ω 分流电阻器测量2uA、则无法实现您的目标。 这会产生9nV 的分流电压、鉴于其输入偏移电压最大为10uV、INA190将无法感应到该电压 此外、9nV 远低于70nV/rtHz 的输入噪声密度。 您不能相信 OUT 引脚上的任何电压测量值小于器件的 VZL (零电流输出电压)。 数据表中的电气特性表第6.5节规定了 VZL。 对于 INA190A1、VZL 最大值为3mV 因此、小于3mV 的任何值都不可靠、可能不意味着任何值、这使得51uV 测量毫无意义。

    Ω 使用增益为25V/V 的 INA190A1版本、您需要将分流电阻器增加至200k Ω 这意味着2uA 时的输入分流电压为400uV、增益为25V/V、因此 INA190A1输出引脚的读数为10mV。 您还可以 Ω 一个15k Ω 分流电阻器来选择 INA190A5 (500V/V 增益)。 这意味着2uA 时的输入分流电压为30uV、增益为500V/V、因此 INA190A5输出引脚的读数为15mV。

    实际上、器件的输入失调电压(Vos)会在上述示例中增加显著误差、尤其是当分流电压仅为30uV 时。 如果您需要更高的精度、则很可能需要增加分流电阻。

    此致、
    Peter

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    尊敬的 Peter:
    该建议效果完美。 谢谢!
    让我来告诉您计划、即针对2种感应电路、1种是低电流测量方法、另一种是高电流[150mA~200mA]
    第一个级别是可以的、现在继续到下一个级别、我需要测量150mA ~ 200mA 的电流、这是我的射频模块的峰值电流。 针对电路组合进行设计、以便从放大器 INA190A1中获取合适的输出。
    请向我推荐合适的组件值、使其在>150mA 的值下工作。

    最后、我将在单个电路板中添加这两个电路、并测试这两个组合。

    谢谢、
    Rahul
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    尊敬的 Peter:
    已尝试使用以下配置、

    分流电阻器:1Ohm 1%

    输入电压:3.3

    放大器输出:3.19V

    计算得出的关断电压:V1 - V2 [0.14641V]

    电流:146mA

    请确认计算值是否正确?

    谢谢、
    Rahul
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    嗨、Rahul、

    如果 INA190A1的放大器输出(VOUT)为3.19V (25V/V 增益)、则输入分流电压(Vshunt)为3.19V/25 = 127.6mV。

    1Ω 欧姆定律、这意味着您的感应电流为127.6mV/μ s = 127.6mA。

    最棒的
    Peter
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    尊敬的 Peter:
    我们能否使用高增益放大器构建一个电路来感测上电流和下电流、可能是500V [INA190]。 需要您的建议来进一步考虑。

    谢谢、
    Rahul
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    任何进一步更新
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    嗨、Rahul、

    我不确定你要做什么。 我将假定您仍在尝试测量150mA 至200mA 的电流、在使用电流感应放大器时、这需要一个非常简单的电路。 您之前说过 VS=3.3V、分流电阻为1Ω Ω;但是、对于许多放大器、这在3.3V 电源下不起作用。 为了缩放 INA190 (或 INA199或 INA180等任何其他放大器)的分流电阻器、您必须确定 VS 和在最小电流下允许的最大误差量)。 我在前面的一个线程中包含了有关如何计算误差的链接、但这里又是这些链接。

    https://training.ti.com/getting-started-current-sense-amplifiers-session-5-understanding-different-types-error-current-shunt?cu=456802

    下面是 INA190的一个示例。 请注意、即使使用最低增益选项(25V/V)、我也需要将分流电阻器减小至500mΩ Ω、以便 VOUT 信号不会在200mA 负载电流下饱和。 请考虑下载 我们的 TINA 仿真器 以及 您选择的电流感应放大器模型。

     e2e.ti.com/.../INA190A1_5F00_simulation.TSC

    此致、

    Peter

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    尊敬的 Peter:

    感谢您的所有评论。

    让我明白您的意思。 我有一个称为针对射频模块设置测试 Jig 的解决方案。

    在 RFmodule 测试期间、我需要在每个功能测试期间测量电流。

    一个是峰值电流测量、另一个是睡眠电流测量。

    我使用 INA190A 放大器电路单独构建了这两种电路。

    实际目标、

    >我需要将这两种解决方案结合到单个测试过程中。 请帮帮我。  

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    嗨、Rahul、

    您能否将两个电路都放置在同一个射频模块上? 如果您将两个电路的分流电阻器串联放置在您的射频模块上、会发生什么情况。

    这是最直接、最简单的方法来完成您的要求。 Ω、当您的模块以峰值电流(200mA)运行时、很可能会出现问题、该电流会流经您的15 μ A 大分流电阻器。 第一个问题是、如果分流电阻的额定值不正确、它可能会烧断。 因此、在这种情况下、它需要至少 R*I^2 = 15Ω Ω*(0.2A^2)= 0.6W 的额定功率。

    第二个问题是这个分流电阻器会使您的射频电压下降3伏= 15Ω Ω*0.2A、因此下游电路可能看不到它们需要看到的电压。

    因此、我建议使用增益最高的 INA190A5 (500V/V)来测量休眠电流、以便尽可能减小此分流电阻。 但是、您只能在 INA190A5输出引脚饱和之前大幅降低分流电阻。 一旦 Vsense = Rshunt*SLEEP_CURRENT 变得很小,INA190A5输出将不会处于线性区域,并且其输出将满贯到接地。 这就是我们提供零电流输出电压规格的原因、因此您知道当器件以接地为基准(VREF=0V)时 VOUT 应该有多大。

    如果您为 INA190A5 REF 引脚提供基准电压、您可以进一步减小分流电阻。 这样可将输出电压(VOUT)偏移 REF 电压。 Vout 始终等于以下公式:

    VOUT = Vsense *增益+ VREF

    其中 Vsense = VIN+- VIN-

    虽然这需要额外的电压源和电路、但提供基准电压可让您测量更小的电压、因为您可以差分读取 INA190的输出电压。 也就是说、ADC 将读取相对于 VREF 而不是相对于 GND 的 VOUT。

    总的来说、INA190的输入失调电压(Vos)仍然会限制测量睡眠电流的精度;然而、您可以在系统中编程一个失调电压校准程序、其中 Vos 可由 ADC 测量、并记录到存储器中、然后从那里的所有测量值中减去。