INA260 — монитор тока, напряжения и мощности со встроенным шунтом

Выводы

Силовой ток идёт через три параллельных вывода с каждой стороны, поэтому TI в примере разводки (рис. 41) подводит к ним широкие полигоны и прямые дорожки — так ток распределяется по выводам равномерно, а полигоны отводят тепло. Корпус — TSSOP-16 по чертежу TI PW0016A (4220204/B, 12/2023): 5,0 × 4,4 мм, шаг 0,65 мм.

Параметры

Условия таблицы (с. 6–7): TA = 25 °C, VS = 3,3 В, VIN+ = 12 В, VBUS = 12 В, если не указано иное.

Предельные режимы (с. 5): постоянный ток через шунт ±15 А; IN+, IN− и VBUS — от −0,3 до 40 В; VS — до 6 В; SDA, SCL и ALERT — от −0,3 до 6 В; A0 и A1 — до VS + 0,3 В; ток выхода с открытым стоком — 10 мА; температура кристалла — до 150 °C. Защита от электростатики — ±2000 В по модели тела человека и ±1000 В по модели заряженного прибора. Тепловое сопротивление кристалл — среда RθJA — 115,6 °C/Вт, кристалл — плата RθJB — 46,8 °C/Вт.

Входы SDA и SCL допускают до 6 В — это и предел, и верхняя граница единицы в таблице, — поэтому подтяжки шины I²C можно вести к 5 В и при VS = 3,3 В. Единица на них — от 0,7 · VS. Наш расчёт: при VS = 5 В это 3,5 В, и выход микроконтроллера на 3,3 В её не гарантирует — при смешанных уровнях INA260 лучше питать от 3,3 В.

Шунт, 15 А и нагрев

Встроенный резистор — это 2 мОм из полных 4,5 мОм между выводами IN+ и IN−; остальное — выводы, рамка и разварка. По словам TI (разд. 8.3.1), допустимый ток определяется теплом, которое выделяется на всех 4,5 мОм, а не только на шунте. Наш расчёт: при 15 А это 15² · 0,0045 ≈ 1,01 Вт, при 10 А — 0,45 Вт, сам кристалл при 3,3 В и 310 мкА потребляет около 1 мВт.

Пределы из того же раздела и рис. 21: 15 А постоянно при температуре воздуха до 85 °C без обдува на плате с силовыми полигонами из меди 1 oz; выше 85 °C ток снижают до 10 А при 125 °C; с обдувом и медью 2 oz — 15 А во всём диапазоне. Кратковременные перегрузки выше 15 А допустимы по кривой рис. 22 (ток от времени при 25 °C), а таблица характеристик даёт пример: 30 А в течение 5 с меняют сопротивление шунта на ±0,05 %.

Табличное RθJA = 115,6 °C/Вт для этого режима не годится. Наш расчёт: 1,01 Вт · 115,6 °C/Вт ≈ 117 °C перегрева — вместе с 85 °C воздуха это далеко за пределом 150 °C, хотя по тексту даташита этот режим разрешён. Значит, тепло уходит через выводы IN± в медные полигоны, а не через корпус в воздух, и площадь полигонов — часть расчёта. Ширину дорожек под ток подберите в калькуляторе ширины дорожки.

Адрес и регистры

Адрес I²C задают выводы A1 и A0, каждый — четырьмя вариантами подключения (табл. 2): A1 выбирает старшую пару бит (GND — 0x40, VS — 0x44, SDA — 0x48, SCL — 0x4C), A0 — младшую (GND — +0, VS — +1, SDA — +2, SCL — +3). Это наш пересчёт двоичных адресов 1000000–1001111 из таблицы в шестнадцатеричный вид. Микросхема — только ведомое устройство и SCL не растягивает.

Регистр мощности хранит произведение кодов тока и напряжения шины с шагом 10 мВт (табл. 1): 3A7Fh = 14 975 → 149,75 Вт при 12,5 А и 11,98 В. Отрицательный ток (из IN− в IN+) приходит в дополнительном коде, а мощность при этом остаётся положительной. Настройки не сохраняются: после каждого включения регистры возвращаются к значениям из таблицы 4.

Наш расчёт для значения 6127h после сброса: усреднение 1, время преобразования напряжения и тока — по 1,1 мс, режим 111 — непрерывное измерение тока и напряжения. Полный цикл — около 2,2 мс, то есть данные обновляются примерно 450 раз в секунду.

Время преобразования и усреднение

Поля VBUSCT и ISHCT задают время преобразования напряжения и тока отдельно: 140, 204, 332 и 588 мкс, 1,1, 2,116, 4,156 и 8,244 мс (тип.; в графе максимумов — от 154 мкс до 9,068 мс, по нашему расчёту на 10 % больше типовых). Поле AVG усредняет 1, 4, 16, 64, 128, 256, 512 или 1024 цикла. Пример TI (разд. 8.4.1): если данные нужны раз в 5 мс, можно взять 588 мкс для обоих каналов и 4 усреднения — данные обновятся примерно через 4,7 мс (наш расчёт: 2 · 0,588 · 4 = 4,704 мс). Чем длиннее время и больше усреднений, тем ниже шум (рис. 24).

Режимы MODE: 000 и 100 — сон (Power-Down), 001–011 — однократное измерение тока, напряжения или обоих по записи в регистр 00h, 101–111 — непрерывное. После выхода из сна нужно 40 мкс (разд. 8.3.3). Флаг CVRF в регистре 06h ставится, когда закончены все преобразования, усреднение и умножение, и сбрасывается чтением этого регистра или записью в регистр конфигурации.

ALERT: превышение тока, напряжения и мощности

Вывод ALERT следит за одной из пяти функций (разд. 8.3.3.2): превышение тока (OCL), ток ниже порога (UCL), напряжение шины выше (BOL) или ниже порога (BUL), мощность выше порога (POL); дополнительно его можно настроить на сигнал готовности данных (CNVR). Если выбрано несколько функций, работает старшая по номеру бита. Полярность (APOL) и защёлка (LEN) — в том же регистре 06h. Выход — открытый сток, подтяжку TI ведёт к VS (разд. 9.2.2); если ALERT не нужен, его оставляют свободным.

Пример из даташита (табл. 9–12): защита от превышения напряжения шины 5,5 В — Mask/Enable = 2008h (BOL), Alert Limit = 1130h. Наш расчёт: 1130h = 4400, 4400 · 1,25 мВ = 5,5 В. Реакция — за 1–2 цикла преобразования, при сильном превышении — быстрее одного (разд. 9.2.3): с временем 140 мкс это 140–280 мкс, с 1,1 мс — 1,1–2,2 мс. Для быстрой защиты от короткого замыкания INA260 медленный — для неё ставят компаратор или электронный предохранитель.

Подключение

Минимальная схема (рис. 38): 0,1 мкФ между VS и GND у выводов, подтяжки SDA, SCL и ALERT к питанию логики, VBUS — к той линии, напряжение которой нужно измерять. Включать питание VS и силовую шину можно в любом порядке: входы выдерживают 0–36 В и при выключенном VS (разд. 10). Подтяжки шины I²C подбираются как обычно — в калькуляторе подтяжек I²C.

При измерении в плюсе (high-side) IN+ подключают к источнику, IN− — к нагрузке, а VBUS — к IN− или к нагрузке. При измерении в минусе IN+ соединяют с минусом нагрузки, IN− — с общим проводом, а VBUS всё равно ведут к плюсу питания нагрузки: иначе регистр 02h покажет падение на шунте, а не напряжение питания, и мощность будет неверной.

INA260 и INA226

Наш расчёт: ±5 мА на шунте 2 мОм — это ±10 мкВ, то есть тот же предел смещения, что у INA226 на его входе. Различие в том, что у INA226 шунт можно взять больше: с резистором 10 мОм смещение ±10 мкВ означает лишь ±1 мА, зато потери выше. INA260 удобен для токов в единицы ампер, где важны готовые амперы без калибровки и компактная плата; для малых токов (десятки миллиампер) точнее INA226 с шунтом 0,1 Ом или INA219.

Расхождения в документации

• Тепловой режим. Раздел 8.3.1 разрешает 15 А при 85 °C без обдува, а таблица 7.4 даёт RθJA = 115,6 °C/Вт: по ней при 1 Вт на 4,5 мОм кристалл перегреется на 117 °C и выйдет за 150 °C. Таблица снята на стандартной плате JEDEC без силовых полигонов; для расчёта нагрева INA260 она не подходит.
• Предел регистра мощности. Разд. 8.6.4 и бит OVF ограничивают мощность значением A3D7h = 419,43 Вт, а рекомендуемые условия допускают 15 А при 36 В. Наш расчёт: 15 · 36 = 540 Вт — при таком сочетании регистр переполнится и поднимет OVF.
• Обозначения полей MODE. Таблица 5 называет биты режима MODE2…MODE0, а рисунок 30 и таблицы 9–10 — MODE3…MODE1.
• Тайм-аут SMBus. Разд. 8.5.3 говорит о тайм-ауте 28 мс, примечание (4) к таблице 7.5 — что интерфейс сбрасывается, если SCL в нуле «больше 28 мс», а в самой таблице 28 мс — типовое значение, 35 мс — максимум, минимума нет. Наш вывод: сброс гарантирован только после 35 мс, рассчитывать на 28 мс нельзя.
• Точность «0,15 %». Особенности на с. 1 называют 0,15 % системной ошибки усиления без оговорок; в таблице это предел только при 25 °C, во всём диапазоне температур — 0,5 % и только для токов до ±10 А.