Перейти к содержанию

INA180 и INA181 — усилители сигнала токового шунта TI до 26 В

INA180 и INA181 — недорогие усилители напряжения на токовом шунте: они усиливают падение в несколько милливольт в 20, 50, 100 или 200 раз и выдают аналоговый сигнал для АЦП микроконтроллера, причём шунт может стоять как в минусе, так и в плюсе шины до 26 В при питании самого усилителя от 2,7–5,5 В. INA181 отличается выводом REF, который позволяет измерять ток в обе стороны. Разбираем по двум даташитам выводы всех корпусов, параметры, выбор шунта и усиления, фильтр, защиту и ошибки в примерах TI.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

INA180 и INA181 — усилители сигнала токового шунта (TI называет их current-sense amplifier или current-shunt monitor). Внутри — дифференциальный усилитель с согласованными резисторами и фиксированным усилением: 20 В/В у исполнений A1, 50 — у A2, 100 — у A3 и 200 — у A4. Входы работают при синфазном напряжении от −0,2 до +26 В, даже если сам усилитель питается от 3,3 В, поэтому шунт можно ставить и в минусовом проводе нагрузки, и в плюсовом (измерение со стороны питания). Цифрового интерфейса нет: выход — напряжение, которое оцифровывает АЦП микроконтроллера. Обзор способов измерения тока — в статье «Датчики тока», подбор шунта — в калькуляторе «Токовый шунт».

У каждой микросхемы есть двух- и четырёхканальные версии: INA2180 и INA4180, INA2181 и INA4181. Параметры у всех одни, различаются число каналов, корпуса и ток потребления.

Коротко

  • Синфазное напряжение входов — −0,2…+26 В независимо от питания; предельно от GND − 0,3 до 26 В.
  • Питание — 2,7–5,5 В, ток 197 мкА тип. и 260 мкА макс. на одноканальную версию.
  • Усиление — 20, 50, 100 или 200 В/В (A1–A4), ошибка до ±1 %, полоса 350–105 кГц, нарастание 2 В/мкс.
  • Смещение — до ±150 мкВ при входе у земли и до ±500 мкВ при 12 В, дрейф до 1 мкВ/°C.
  • Выход — до 30 мВ от VS и 5 мВ от земли; у INA181 нулевой уровень задаёт вход REF (0…VS).
  • Корпуса — INA180: SOT-23-5 с двумя цоколёвками; INA181: SOT-23-6 и SC70-6.

Выводы

INA180 и INA181 — одноканальные

ВыводINA180, SOT-23-5, цоколёвка AINA180, SOT-23-5, цоколёвка BINA181, SOT-23-6 (DBV)INA181, SC70-6 (DCK)
OUT1416
GND2222
IN+3134
IN−4345
REF——51
VS5563

Цоколёвку A имеют INA180A1–A4, цоколёвку B — INA180B1–B4; корпус одинаковый, поэтому их различают по маркировке из приложения к даташиту: A1–A4 — 18ID, 1A8D, 1A9D, 1AAD; B1–B4 — 18RD, 1ABD, 1ACD, 1ADD. У INA181 в SOT-23-6 маркировка 18JD, 1AED, 1AFD, 1AGD (A1–A4), в SC70-6 — 1P8, 1PE, 1PF, 1PG. Размеры корпусов — на страницах SOT-23-5, SOT-23-6 и SC70-6.

IN+ подключают к стороне шунта, откуда приходит ток: при измерении в плюсовом проводе — к стороне источника, в минусовом — к стороне нагрузки. IN− — к другому выводу шунта. Тогда положительному току соответствует рост выходного напряжения.

Двух- и четырёхканальные версии

ВыводINA2180, VSSOP-8 и WSON-8INA2181, VSSOP-10 и WSON-10
OUT111
IN−122
IN+133
GND44
IN+257
IN−268
OUT279
REF1 / REF2—5 / 6
VS810

Площадку WSON можно оставить свободной или соединить с GND. Корпуса: INA2180 — VSSOP-8 (DGK) и WSON-8 2 × 2 (DSG), INA2181 — VSSOP-10 (DGS) и WSON-10 2 × 2 мм (DSQ). Четырёхканальные INA4180 и INA4181 выпускают в TSSOP-14 и TSSOP-20 соответственно; их выводы — в табл. 6-2 и 5-2 даташитов.

Параметры

Электрические характеристики (с. 8 обоих даташитов): TA = 25 °C, VS = 5 В, VIN+ = 12 В, VSENSE = VIN+ − VIN−; у INA181 дополнительно VREF = VS / 2.

ПараметрМин.Тип.Макс.Условия
Смещение, приведённое ко входу—±25 мкВ±150 мкВVIN+ = 0 В
Смещение, приведённое ко входу—±100 мкВ±500 мкВVIN+ = 12 В
Дрейф смещения—0,2 мкВ/°C1 мкВ/°C−40…+125 °C
Подавление синфазного сигнала84 дБ100 дБ—VIN+ = 0…26 В, −40…+125 °C
Влияние питания—±8 мкВ/В±40 мкВ/ВVS = 2,7–5,5 В
Ошибка усиления—±0,1 %±1 %VOUT = 0,5 В…VS − 0,5 В, −40…+125 °C
Дрейф усиления—1,5 ppm/°C20 ppm/°C−40…+125 °C
Нелинейность—±0,01 %—VOUT = 0,5 В…VS − 0,5 В
Выход до плюса питания—VS − 0,02 ВVS − 0,03 Внагрузка 10 кОм на GND, −40…+125 °C
Выход до земли—0,5 мВ5 мВто же
Полоса (A1 / A2 / A3 / A4)—350 / 210 / 150 / 105 кГц—нагрузка 10 пФ
Скорость нарастания—2 В/мкс—
Шум, приведённый ко входу—40 нВ/√Гц—
Ёмкостная нагрузка без генерации—1 нФ—
Входной ток, INA180—0,1 / 80 мкА—VIN+ = 0 В / 12 В
Входной ток, INA181—−6 / 75 мкА—VIN+ = 0 В / 12 В
Ток потребления, INA180 / INA181—197 / 195 мкА260 мкА25 °C; во всём диапазоне до 300 мкА
Ток потребления, двухканальные—355–356 мкА500 мкАво всём диапазоне до 520 мкА
Ток потребления, четырёхканальные—690 мкА900 мкАво всём диапазоне до 1000 мкА

Предельные режимы: питание 6 В; разность входов ±26 В; синфазное напряжение входов от GND − 0,3 до 26 В (можно превысить, если ток вывода ограничен 5 мА); выход и REF — от GND − 0,3 до VS + 0,3 В, ток выхода до 8 мА; кристалл до 150 °C. ESD — ±3000 В по модели тела человека. Тепловое сопротивление кристалл–воздух: SOT-23-5 — 197,1 °C/Вт, SOT-23-6 — 198,7 °C/Вт, SC70-6 — 188,0 °C/Вт. Рабочая температура −40…+125 °C.

Выбор шунта и усиления

Выход INA180 — Uвых = I · Rш · G, у INA181 к этому прибавляется напряжение на REF (уравнение 1 даташита INA181). TI предлагает три ограничения:

  • мощность шунта: Rш ≤ Pмакс/Iмакс2;
  • выход не упирается в плюс: Iмакс · Rш · G < VSP − VREF, где VSP = VS − 0,03 В;
  • выход не упирается в землю: Iмин · Rш · G > VSN − VREF, где VSN = 5 мВ.

Кроме того, при положительном смещении нулевой ток не даёт нуля на выходе: выход не опускается ниже смещения, умноженного на усиление. Пример TI: смещение 40 мкВ у INA180A4 (200 В/В) — это 8 мВ на выходе, больше табличных 5 мВ. Шунт больше нескольких ом TI не рекомендует: входные токи около 80 мкА создают на нём заметную ошибку. Шунт подключают по четырёхпроводной схеме: отдельные дорожки от его выводов к IN+ и IN−, одинаковой длины.

Наш расчёт: однонаправленный ток до 5 А, INA180, питание и АЦП — 3,3 В, шунт рассеивает не больше 0,25 Вт.

  • Шунт: R ≤ 0,25 / 5² = 10 мОм; берём 10 мОм, при 5 А на нём 50 мВ и 0,25 Вт — резистор нужен на 0,5 Вт и больше.
  • Усиление: 5 × 0,01 × G < 3,3 − 0,03 = 3,27 В, то есть G < 65. Берём INA180A2 (50): при 5 А выход 2,5 В.
  • Нижняя граница: 5 мВ на выходе — это 5 / (0,01 × 50) = 10 мА; смещение до 150 мкВ при шунте в минусе — 15 мА, до 500 мкВ при шунте в плюсе 12 В — 50 мА.
  • Погрешность при 5 А и шунте в плюсе 12 В: смещение 0,5 / 50 = 1 %, усиление 1 %; сумма в квадратуре (RSS, как в уравнении 7 даташита) — √(1² + 1²) ≈ 1,4 %, худший случай простым сложением — 2 %. Допуск самого шунта добавляется сверху.

Тот же расчёт для своих токов и АЦП можно проверить в калькуляторе «Бюджет погрешности АЦП».

Вывод REF у INA181: ток в обе стороны

Напряжение на REF — выход при нулевом токе: положительный ток поднимает выход выше REF, отрицательный опускает ниже. REF допускает от 0 до VS. Для симметричного диапазона на REF подают половину питания, для однонаправленного измерения REF соединяют с землёй — тогда INA181 работает как INA180. Чтобы точно измерять малые токи в одном направлении, TI советует поднять REF выше 50 мВ — выход уйдёт из зоны у земли. Источник напряжения для REF должен быть низкоомным: TI рекомендует буферизовать его, иначе растёт синфазная ошибка; лучше всего брать опорное напряжение того же АЦП. Если соединить REF с VS, выход без тока стоит примерно на 200 мВ ниже питания и реагирует только на отрицательный ток.

Наш расчёт: ток заряда и разряда аккумулятора ±15 А, INA181A1 (20 В/В), VS = 3,3 В, REF = 1,65 В, шунт 5 мОм.

  • Вверх: (3,27 − 1,65) / (0,005 × 20) = 16,2 А; вниз: (1,65 − 0,005) / (0,005 × 20) = 16,45 А — запас до ±15 А есть.
  • При +10 А выход 1,65 + 10 × 0,005 × 20 = 2,65 В, при −10 А — 0,65 В.
  • Мощность шунта при 15 А — 15² × 0,005 = 1,1 Вт.

На INA2181 два канала можно соединить цепочкой — выход первого на REF второго: при одинаковых шунтах выход второго канала даёт сумму токов, а при перевёрнутых входах — их разность, что TI предлагает для обнаружения утечки (с. 27–29).

Фильтр и защита входов

Лучшее место для фильтра — RC-цепь на выходе, к входу АЦП с высоким сопротивлением. Фильтр на входах возможен, но последовательные резисторы TI ограничивает 10 Ом: внутренние входные резисторы RINT (25, 10, 5 и 2,5 кОм у A1–A4) образуют с ними делитель и добавляют ошибку усиления. По табл. 9-2 коэффициент равен 25 000 / (21 RF + 25 000) у A1, 10 000 / (9 RF + 10 000) у A2, 1000 / (RF + 1000) у A3 и 2500 / (3 RF + 2500) у A4. Пример TI: A2 с резисторами 10 Ом даёт коэффициент 0,991 и дополнительную ошибку около 0,89 %. Наш расчёт для тех же 10 Ом: у A1 — 0,83 %, у A4 — 1,19 %; у A4 это уже больше допуска усиления самой микросхемы (±1 %).

Если выход ушёл в насыщение из-за перегрузки, после её снятия он возвращается к правильному значению примерно за 20 мкс; инверсии фазы при перегрузке нет.

Когда питание VS снимают, чтобы сэкономить ток, входы всё равно нагружают шину: от каждого входа к OUT и GND (у INA181 — к REF) больше 500 кОм, а при синфазном напряжении выше VS и включённом питании в каждый вход течёт ещё около 55 мкА. Наш расчёт: при выключенном усилителе на шине 12 В это около 12 / 0,5 = 24 мкА на вход — для аккумулятора, который хранится месяцами, это заметно. По питанию VS нужен конденсатор не меньше 0,1 мкФ вплотную к выводам; землю АЦП TI советует соединять с GND усилителя как можно ближе к нему.

INA180 и INA181 против INA226

INA180, INA181INA226
Выходаналоговый, 20–200 В/ВI²C, 16 бит
Шина−0,2…26 В0–36 В
Смещениедо ±150 мкВ (вход у земли), до ±500 мкВ (12 В)до ±10 мкВ
Ошибка усилениядо ±1 %до 0,1 %
Полоса105–350 кГцвремя преобразования 140 мкс…8,244 мс
Питание и ток2,7–5,5 В, 197 мкА тип.2,7–5,5 В, 330 мкА тип.
Ток в обе стороныINA181 — через REFда
Напряжение и мощностьнетизмеряет сам

Данные INA226 — из карточки INA219 и INA226. Наш вывод: INA180 и INA181 нужны там, где ток меняется быстро и сигнал идёт на компаратор защиты или на АЦП с высокой частотой выборки — ток мотора, импульсный преобразователь, защита от перегрузки. Для измерения энергии, заряда аккумулятора и медленного контроля потребления точнее и проще цифровой INA226 или трёхканальный INA3221. Датчики на эффекте Холла вроде ACS712 нужны, когда требуется гальваническая развязка от силовой цепи — у INA180 и INA181 её нет.

Расхождения в документации

  • Смещение в примере INA180. В разделе 9.2.2 сказано, что смещение «specified to be 125 µV (maximum)» при VCM = 0 В и VS = 5 В, но в таблице характеристик максимум 150 мкВ, и сам расчёт в том же абзаце ведётся с 150 мкВ (0,75 % при 20 мВ на шунте). Верное значение — 150 мкВ.
  • Наибольшее усиление в примере INA181. Раздел 8.2.2 получает по уравнению 3 наибольшее усиление 122,5 при 20 А, шунте 1 мОм и REF = 2,5 В. Наш расчёт с VSP = VS − 0,03 = 4,97 В из таблицы: (4,97 − 2,5) / 0,02 = 123,5; 122,5 получается при VSP = 4,95 В. В аналогичном примере INA180 (248,5) использовано именно 4,97 В. На выбор исполнения A3 это не влияет.
  • Входной ток в двух даташитах. У INA180 входной ток при VIN+ = 0 В — 0,1 мкА тип., при 12 В — 80 мкА; у INA181 — −6 и 75 мкА; текст разделов о выборе шунта в каждом даташите повторяет свою цифру (80 и 75 мкА). Кроме того, INA180 измеряет CMRR, влияние питания и ток потребления при VSENSE = 10 мВ, а INA181 — при 0 мВ и VREF = VS / 2. Наш вывод: числа близки, но сравнивать их напрямую нельзя.
  • Корпус INA4181. В таблице тепловых характеристик INA181 столбец INA4181 подписан «PW (TSSOP) 14 PINS», хотя INA4181 выпускается в TSSOP-20; 14 выводов — у INA4180.

Частые вопросы

Чем INA180 отличается от INA181?

У INA181 есть вывод REF: напряжение на нём становится выходом при нулевом токе, и выход отклоняется от него вверх и вниз — так измеряют ток заряда и разряда, ток мотора в обе стороны. У INA180 этот уровень зашит на земле, он измеряет ток только в одном направлении. Поэтому корпуса разные: INA180 — SOT-23-5, INA181 — SOT-23-6 и SC70-6. Усиления (20, 50, 100, 200), синфазный диапазон −0,2…26 В, смещение и полоса у них одинаковые.

Какая распиновка у INA180 в SOT-23-5?

Есть две: исполнения INA180A1–A4 (цоколёвка A) — 1 OUT, 2 GND, 3 IN+, 4 IN−, 5 VS; исполнения INA180B1–B4 (цоколёвка B) — 1 IN+, 2 GND, 3 IN−, 4 OUT, 5 VS. Отличить их можно по маркировке: у A1 — 18ID, у B1 — 18RD, у A2 — 1A8D, у B2 — 1ABD. У INA181 в SOT-23-6: 1 OUT, 2 GND, 3 IN+, 4 IN−, 5 REF, 6 VS.

Можно ли измерять INA180 ток в плюсовом проводе 24 В?

Да: синфазное напряжение входов — от −0,2 до +26 В независимо от питания 2,7–5,5 В, и предел 26 В соблюдается даже без питания на VS. Но запаса у 24-вольтовой шины почти нет: выбросы при отключении мотора или реле, бросок при подключении аккумулятора легко превышают 26 В. TI предлагает резисторы до 10 Ом в цепи входов и стабилитроны или супрессор. Для автомобильной сети 12 В без такой защиты микросхему не ставят.

Как выбрать шунт и усиление для INA180?

Сначала наибольшее сопротивление шунта по допустимой мощности: R ≤ P / I². Затем усиление: I_макс · R · G должно быть меньше VS − 0,03 В (у INA181 — меньше VS − 0,03 В − VREF). Наименьший измеряемый ток ограничен снизу выходом не ближе 5 мВ к земле и смещением до 150 мкВ (при шине 12 В — до 500 мкВ). Пример: 5 А, 3,3 В, шунт 10 мОм и усиление 50 дают 2,5 В на выходе.

Источники

  1. Texas Instruments. INAx180 Low- and High-Side Voltage Output, Current-Sense Amplifiers (SBOS741H, April 2017, revised July 2022) — с. 1 — особенности, корпуса; с. 4 — табл. 5-1, исполнения A1–A4 и B1–B4 (цоколёвка A и B); с. 4–6 — выводы SOT-23-5, VSSOP-8, WSON-8, TSSOP-14; с. 7 — предельные режимы, рекомендуемые условия, тепловые характеристики; с. 8 — электрические характеристики; с. 16–20 — синфазный диапазон, выход до шин, перегрузка и восстановление 20 мкс, отключение питания и входные цепи 500 кОм; с. 21–24 — подключение, уравнения 1–3 выбора шунта и усиления, входной фильтр, табл. 9-1 и 9-2, уравнения 4–5; с. 25–26 — пример расчёта 40 А, уравнения 6–7; с. 26–27 — защита от выбросов выше 26 В, разводка; с. 32–35 — заказные номера и маркировка; чертежи DBV0005A, DGK0008A, DSG0008A, PW0014A
  2. Texas Instruments. INAx181 Bidirectional, Low- and High-Side Voltage Output, Current-Sense Amplifiers (SBOS793H, April 2017, revised November 2023) — с. 1 — особенности, корпуса; с. 3 — табл. 4-1 исполнений; с. 4–6 — выводы SOT-23-6, SC70-6, VSSOP-10, WSON-10, TSSOP-20; с. 7 — предельные режимы (REF от GND − 0,3 до VS + 0,3 В), рекомендуемые условия, тепловые характеристики; с. 8 — электрические характеристики при VREF = VS / 2; с. 18 — уравнение 1, VOUT = I · R · G + VREF; с. 20–22 — однонаправленный и двунаправленный режимы, REF на VS, перегрузка, отключение; с. 23–26 — подключение, уравнения 2–6; с. 27–29 — сложение и вычитание токов на INA2181; с. 30–31 — пример расчёта ±20 А, уравнения 7–8; с. 32 — защита от выбросов; с. 40–42 — заказные номера и маркировка
  3. Texas Instruments. INA226 36V, 16-Bit, Ultra-Precise I2C Output Current, Voltage, and Power Monitor With Alert (SBOS547C, revised August 2026) — для сравнения: шина 0–36 В, шунт ±81,92 мВ, смещение до ±10 мкВ, ошибка усиления до 0,1 %, питание 2,7–5,5 В, 330 мкА тип., время преобразования 140 мкс…8,244 мс, выход I²C (значения — по карточке INA219 и INA226 на сайте, составленной по этому даташиту)

Нашли ошибку?

Смотрите также