原标题：INA196，INA197，INA198高端电流采集模块

基于INA196/INA197/INA198的高端电流采集模块设计与元器件优选

在现代电子系统中，高精度电流测量是至关重要的环节，无论是在电源管理、电机控制、电池监测，还是在工业自动化和消费电子产品中。德州仪器（Texas Instruments, TI）的INA196、INA197和INA198系列是专为高端电流检测应用而设计的电流分流监测器，它们以其高共模抑制比（CMRR）、宽输入共模电压范围和卓越的精度而闻名。本篇文章将深入探讨基于这些器件的高端电流采集模块设计，并详细阐述关键元器件的选择、其功能以及选择这些元器件的深层原因。

1. 高端电流采集模块概述

高端电流采集模块的核心目标是在高共模电压存在的情况下，精确测量负载电流。与低端电流检测（分流电阻连接在负载与地之间）不同，高端电流检测将分流电阻放置在电源与负载之间，这使得系统能够在不中断接地路径的情况下测量电流，尤其适用于电源线路、电池组或汽车电子等高电压应用。INA19x系列芯片正是为了应对这一挑战而生，它们能够承受高达80V甚至更高的共模电压，同时通过内部精密放大器将分流电阻两端的微小压降放大为可供ADC读取的电压信号。一个典型的高端电流采集模块通常由电流分流电阻、INA19x系列电流分流监测器、滤波电路、基准电压源、模数转换器（ADC）以及必要的保护电路组成。

2. INA196/INA197/INA198系列核心特性与选择依据

INA196、INA197和INA198是TI的增强型电流分流监测器系列，它们在基本功能上相似，但输出增益不同，这使得设计者可以根据实际应用需求选择最合适的型号。

• INA196： 提供20V/V的固定增益。适用于需要中等增益以保持较宽输入动态范围的应用。

• INA197： 提供50V/V的固定增益。当分流电阻产生的压降较小，需要更高增益来充分利用ADC的输入范围时，INA197是一个理想选择。

• INA198： 提供100V/V的固定增益。适用于测量极小电流或使用极小分流电阻的应用，以最大限度地减少功耗。

选择依据：

选择INA19x系列中具体型号的主要依据是电流测量范围、所需精度、分流电阻的选择以及ADC的输入范围。

1. 电流测量范围与分流电阻： 模块需要测量的最大和最小电流决定了分流电阻的阻值。通常，会选择一个能够产生最大100mV（甚至更低，例如50mV）压降的分流电阻，以避免过大的功耗和自发热，同时确保在最小电流时仍能产生可测量的压降。

2. ADC输入范围： 所选ADC的满量程输入电压是另一个关键参数。INA19x系列的输出电压应能充分覆盖ADC的输入范围，从而最大化ADC的有效分辨率。

3. 所需精度： 增益误差、失调电压、漂移和共模抑制比是影响精度的关键参数。INA19x系列具有较低的失调电压和漂移，以及出色的共模抑制比，这些特性直接决定了测量的准确性。

4. 环境温度： 器件的温度漂移特性对于在宽温度范围下保持精度至关重要。

为何选择这些器件？

选择INA19x系列的原因在于它们提供了一套高性能、高集成度和易于使用的解决方案：

• 宽共模电压范围： 它们能够承受高达80V的共模电压，使其适用于各种高压应用，而无需复杂的隔离或电平转换电路。

• 高精度： 极低的失调电压（通常低于200μV）、低增益误差和优异的温度漂移性能，确保了在宽动态范围内的精确测量。

• 高共模抑制比（CMRR）： 超过100dB的CMRR是其突出优点，这意味着即使在共模电压剧烈变化时，对差分信号的影响也能被有效抑制，从而保证了测量精度。

• 内部集成高精度放大器： 简化了外部电路设计，减少了元件数量和潜在的误差源。

• 低功耗： 对于电池供电或功耗敏感的应用，其低静态电流是一个重要优势。

• 小封装： 常见的SOT-23封装有助于减小PCB面积。

3. 核心元器件优选与作用剖析

一个高端电流采集模块不仅仅是INA19x芯片本身，更是一个协同工作的系统，其中每个元器件的选择都至关重要。

3.1. 电流分流电阻（Current Shunt Resistor）

电流分流电阻是电流测量的“心脏”，其作用是将流过负载的电流转换为可被INA19x系列芯片测量的微小电压。

优选型号与参数：

• 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电阻。

• 关键参数：

• 阻值： 根据最大测量电流和期望的最大分流电压（通常为50mV至100mV）计算。例如，最大电流为10A，期望最大分流电压为50mV，则分流电阻阻值为50mV/10A=0.005Ω（即5毫欧姆）。

• 功率额定值： 必须远大于I2×Rshunt的最大功耗，通常会留有1.5倍至2倍的安全裕度。例如，10A电流通过5mΩ电阻产生0.5W功耗，则需要选择1W或更高额定功率的电阻。

• 温度系数（TCR）： 这是最重要的参数之一，直接影响测量精度。选择TCR小于±50ppm/∘C甚至更低的电阻，例如±15ppm/∘C。低TCR意味着电阻值随温度变化的幅度很小。

• 公差（Tolerance）： 越小越好，通常选择±1%或±0.5%。更高精度的应用甚至会选择±0.1%。

• 感抗（Inductance）： 特别是在测量脉冲电流或高频电流时，低感抗的分流电阻（通常采用四端子开尔文连接）至关重要，以避免信号失真。

为何选择这些元器件？

• 高稳定性： 精密分流电阻采用特殊合金材料和制造工艺，确保在宽温度范围内阻值变化极小，从而保证了电流测量的准确性和重复性。

• 低TCR： 这是选择这些电阻的首要原因。TCR越低，电阻值受温度变化的影响越小，直接减小了由分流电阻自身特性引入的测量误差。

• 大功率能力： 能够承受高电流长时间流过而不会因过热导致阻值漂移或损坏。

• 四端子开尔文连接（Kelvin Connection）： 大多数高端分流电阻都支持这种连接方式。它将电流路径与电压测量路径分离，消除了引线电阻和焊点电阻对测量结果的影响，显著提高了测量精度。在INA19x的数据手册中，也会明确推荐使用开尔文连接。

3.2. 输入滤波电容（Input Filter Capacitors）

通常在INA19x芯片的输入引脚（VIN+和VIN-）处并联小电容，以及在输入端到地之间并联大电容。

优选型号与参数：

• 小电容： 陶瓷电容，例如村田（Murata）GRM系列、TDK C系列、KEMET C系列，容量通常为1nF到100nF。

• 大电容： 陶瓷电容或电解电容，容量取决于应用，从0.1μF到10μF。

• 关键参数：

• ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感）： 越低越好，以确保有效的去耦和滤波。陶瓷电容在这方面表现优异。

• 电压额定值： 必须远高于电路中的最大共模电压和差分电压。

• 温度特性： 选择X7R或C0G（NP0）等温度稳定的电介质。

为何选择这些元器件？

• 抑制高频噪声： INA19x系列芯片虽然具有高CMRR，但在高频共模噪声和差分噪声环境下，输入滤波电容是必不可少的。小容量陶瓷电容（例如1nF至100nF）能够有效滤除高频开关噪声、RF干扰等，防止其进入芯片内部影响测量。

• 提供局部去耦： 对于差分输入信号，输入电容有助于平滑信号，减少瞬态尖峰，确保INA19x内部放大器获得稳定的输入。

• 提高稳定性： 适当的输入滤波可以防止芯片在高频下振荡。

• 避免EMI/EMC问题： 良好的输入滤波能够降低电路对外部电磁干扰的敏感性，同时减少自身对外辐射。

3.3. 输出滤波电路（Output Filter Circuit）

INA19x的输出通常会连接一个简单的RC低通滤波器，在某些情况下还会增加一个缓冲器。

优选型号与参数：

• 电阻： Vishay Dale RN系列、Yageo RC系列等精密薄膜电阻，阻值通常在几百欧姆到几千欧姆。

• 电容： 村田（Murata）GRM系列、TDK C系列等陶瓷电容，容量通常在几纳法到几百纳法。

• 关键参数：

• 电阻： 低TCR（±50ppm/∘C或更低），低公差（±1%或更低）。

• 电容： C0G（NP0）或X7R电介质，低ESR/ESL。

• RC时间常数： 根据需要滤除的频率和信号的带宽要求来确定。通常会将滤波器截止频率设置在远高于信号带宽但远低于ADC采样率的频率。

为何选择这些元器件？

• 平滑输出信号： INA19x的输出可能包含一些高频噪声或纹波，尤其是当被测电流含有开关噪声时。RC低通滤波器能够有效滤除这些高频成分，提供一个更平滑、更稳定的直流电压信号供ADC采集。

• 防止混叠（Anti-Aliasing）： 如果没有适当的输出滤波器，ADC在采样高于其奈奎斯特频率的噪声时，会将这些高频噪声“折叠”到信号带宽内，导致测量误差。输出滤波器作为抗混叠滤波器，确保进入ADC的信号频率低于奈奎斯特频率。

• 与ADC接口： 某些ADC的输入阻抗可能较高，直接驱动会导致信号衰减或失真。一个适当的RC滤波器可以与ADC的采样保持电路协同工作，提供一个稳定的电荷源。

• 精密电阻： 确保滤波器的截止频率稳定，不受温度或时间影响。

3.4. 模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）

ADC将INA19x输出的模拟电压转换为数字信号，供微控制器或处理器处理。

优选型号与参数：

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

• 关键参数：

• 分辨率（Resolution）： 通常选择12位、16位、甚至24位的ADC，具体取决于所需的测量精度。更高的分辨率可以捕捉更微小的电流变化。

• 采样率（Sampling Rate）： 根据被测电流的动态特性和应用需求确定。对于慢速变化的电流，几百赫兹到几千赫兹的采样率可能就足够了；对于快速变化的电流，可能需要更高的采样率。

• 噪声性能（Noise Performance）： ADC的有效位数（ENOB）和噪声自由度（Noise-Free Resolution）是衡量其噪声性能的关键指标。低噪声ADC可以更好地分辨微小的信号。

• 输入类型： 单端、差分或伪差分。通常，差分输入ADC能更好地抑制共模噪声。

• 接口： I2C、SPI、UART等，选择与微控制器兼容的接口。

• 内部基准电压源： 一些ADC集成高精度基准电压源，可以简化设计。

为何选择这些元器件？

• 高分辨率和低噪声： 这是实现高精度电流测量的基础。INA19x系列输出的电压信号本身精度高，因此需要一个同样高精度的ADC来充分利用其性能，避免ADC自身的量化噪声和热噪声成为主要的误差源。

• 匹配信号范围： ADC的输入范围应与INA19x的输出范围匹配，从而最大限度地利用ADC的动态范围，避免信号过载或分辨率不足。

• 稳定性： 高端ADC通常具有良好的增益和失调漂移特性，确保在不同温度和时间下测量结果的一致性。

• 接口兼容性： 方便与微控制器集成，实现数据的快速高效传输。

3.5. 基准电压源（Reference Voltage Source）

如果ADC或INA19x（对于INA19x不是必需，但对于ADC是）需要外部基准电压，其精度和稳定性将直接影响整个系统的精度。

优选型号与参数：

• Analog Devices ADR系列（ADR45xx）、Texas Instruments REF50xx系列、Maxim MAX6126系列等高精度低噪声基准电压源。

• 关键参数：

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

• 温度系数（Temperature Coefficient）： 越低越好，例如±5ppm/∘C或更低，这是衡量其温度稳定性的关键指标。

• 噪声（Noise）： 低频噪声和宽带噪声都应尽可能低。

• 长期稳定性（Long-Term Stability）： 衡量其在长时间运行后输出电压的漂移程度。

• 电源抑制比（PSRR）： 能够有效抑制电源波动对基准电压输出的影响。

为何选择这些元器件？

• 保证测量精度： ADC将模拟信号转换为数字信号时，其转换结果是相对于基准电压的。一个不准确或不稳定的基准电压源会直接引入系统性的测量误差。因此，高精度的基准电压源是必不可少的。

• 低温度漂移： 确保测量结果在不同环境温度下保持一致，避免因温度变化导致的误差。

• 低噪声： 减少基准电压自身的噪声对ADC转换结果的影响，从而提高系统的信噪比。

3.6. 电源去耦电容（Power Supply Decoupling Capacitors）

在INA19x芯片的电源引脚（VCC）附近放置去耦电容。

优选型号与参数：

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

• 大容量电解电容或陶瓷电容： TDK C系列、KEMET C系列、Nichicon UPM系列，1μF到10μF。

• 关键参数：

• ESR和ESL： 越低越好，陶瓷电容在这方面表现优异。

• 电压额定值： 必须高于电源电压。

• 安装位置： 尽可能靠近芯片的电源引脚。

为何选择这些元器件？

• 提供局部瞬时电流： 当芯片内部电路切换时，会产生瞬时电流需求。去耦电容能够快速提供这些电流，防止电源轨上的电压跌落。

• 滤除电源噪声： 电源线上可能存在高频噪声，去耦电容可以将其短路到地，防止噪声通过电源线进入芯片内部，影响其正常工作和测量精度。

• 提高稳定性： 稳定的电源对于任何模拟电路都至关重要，去耦电容有助于抑制电源波动，确保INA19x稳定工作。

3.7. 保护二极管与TVS管（Protection Diodes and TVS Diodes）

为了保护INA19x芯片免受过压或反向电压的损坏。

优选型号与参数：

• 肖特基二极管（Schottky Diodes）： Vishay BAT系列、ON Semiconductor MBR系列，如BAT54S（双肖特基二极管）。

• 瞬态电压抑制二极管（TVS Diodes）： Littelfuse SMF/SMAJ/SMBJ系列、ON Semiconductor SMMxG系列，选择钳位电压略高于系统最大正常电压，但低于芯片最大额定电压的型号。

• 关键参数：

• 正向压降（Forward Voltage）： 肖特基二极管的正向压降低，可减小压降损失。

• 反向恢复时间（Reverse Recovery Time）： 肖特基二极管的反向恢复时间极短，适用于高频应用。

• 钳位电压（Clamping Voltage）： TVS管在瞬态事件发生时将电压钳位到的最大值。

• 峰值脉冲功率（Peak Pulse Power）： TVS管能够吸收的瞬态能量。

为何选择这些元器件？

• ESD保护： 肖特基二极管可以提供对输入引脚的静电放电（ESD）保护，将过高的静电电压钳位到安全水平。

• 瞬态过压保护： 在电源或信号线上可能出现瞬态高压尖峰（如雷击、开关瞬态、电机反向电动势等）。TVS管能够快速响应并吸收这些能量，将电压限制在INA19x芯片的安全工作范围内，防止芯片损坏。

• 反向电压保护： 如果输入端意外施加了反向电压，二极管可以阻止反向电流进入芯片，从而保护内部电路。

4. 模块设计考虑与布局布线

除了优选元器件，良好的电路设计和PCB布局布线对于实现高端电流采集模块的性能也至关重要。

• 开尔文连接： 对于分流电阻，务必采用四端子开尔文连接。这意味着电流路径与INA19x的差分输入电压检测路径是分开的。这将消除引线电阻和焊盘电阻对测量精度的影响。

• 短而粗的走线： 分流电阻到INA19x输入引脚（VIN+和VIN-）之间的差分走线应尽可能短、等长且靠近，以减少噪声耦合和寄生电感。这些走线应远离数字信号线和开关电源线。

• 良好的接地层： 确保整个模块有一个低阻抗的、连续的接地层。模拟地和数字地应通过一点连接，以避免地环路噪声。

• 电源去耦： 去耦电容应尽可能靠近INA19x的VCC引脚放置，并使用短的走线连接到电源和地。

• 输出滤波： RC滤波器应靠近INA19x的输出引脚和ADC的输入引脚放置。

• 热管理： 大电流分流电阻在工作时会发热，需要通过PCB的铜箔或散热片进行有效散热，以确保其温度漂移在可接受范围内。

5. 总结

基于INA196、INA197、INA198系列的高端电流采集模块是实现高精度电流监测的关键组件。成功的模块设计不仅依赖于这些卓越的TI芯片，更离不开对每一个外部元器件的深思熟虑和优化选择。从低TCR的精密分流电阻、高性能的滤波电容，到高分辨率低噪声的ADC和稳定的基准电压源，每一个环节都对最终的测量精度和系统稳定性产生深远影响。通过精选元器件，并结合合理的电路设计和布局布线，我们可以构建出鲁棒、精确且可靠的高端电流采集解决方案，满足各种严苛的应用需求。持续关注元器件供应商的最新产品和行业发展趋势，将有助于工程师们在性能、成本和尺寸之间做出最佳权衡。