Перейти к содержанию

INA3221 — монитор тока и напряжения на три канала с I²C

INA3221 измеряет падение на трёх шунтах и напряжение трёх шин и отдаёт результат по I²C — удобно для контроля нескольких линий питания одной микросхемой. В отличие от INA219, ток и мощность он не считает: это делает программа. Разбираем по даташиту TI выводы, адреса, диапазоны, время измерения, тревоги и пересчёт кода в амперы.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

INA3221 — три одинаковых измерительных канала с общим 13-битным АЦП: каждый канал по очереди измеряет падение на своём шунте и напряжение шины относительно общего провода. Шунт ставят в плюс питания, между источником и нагрузкой — это измерение в верхнем плече. Как выбирать шунт и чего ждать от точности — в статье «Измерение тока» и в калькуляторе токового шунта.

Коротко

  • Каналы — три: напряжение шунта и шины в каждом, ток и мощность считает программа.
  • Шунт — ±163,8 мВ, шаг 40 мкВ, смещение до ±80 мкВ, ошибка усиления до 0,25 %.
  • Шина — 0–26 В, шаг 8 мВ, измеряется на выводе IN−.
  • Питание — 2,7–5,5 В, ток 350 мкА типично, 0,5 мкА в режиме выключения.
  • Интерфейс — I²C и SMBus, до 400 кГц и 2,44 МГц в быстром режиме, адреса 0x40–0x43.
  • Тревоги — Critical и Warning по каждому каналу, сумма шунтов, контроль питания PV, выход TC; все с открытым стоком.
  • Корпус — VQFN-16 4 × 4 мм, −40…+125 °C.

Выводы

ВыводОбозначениеНазначение
1IN−3шунт канала 3, сторона нагрузки; от него же измеряется напряжение шины
2IN+3шунт канала 3, сторона источника
3GNDобщий провод
4VSпитание 2,7–5,5 В
5A0выбор адреса: GND, VS, SDA или SCL
6SCLтактовый сигнал I²C, вход с открытым стоком
7SDAданные I²C, открытый сток
8Warningтревога по усреднённому значению, открытый сток
9Criticalтревога по каждому измерению, открытый сток
10PVвсе шины в норме (power valid), открытый сток
11IN−1шунт канала 1, сторона нагрузки
12IN+1шунт канала 1, сторона источника
13TCконтроль последовательности включения (timing control), открытый сток
14IN−2шунт канала 2, сторона нагрузки
15IN+2шунт канала 2, сторона источника
16VPUнапряжение подтяжки для схемы выхода PV
площадка—на общий провод или не подключать

Нумерация — по виду сверху на рисунке 5-1, против часовой стрелки от вывода 1 в левом верхнем углу. Каналы на корпусе разнесены: третий — на выводах 1–2, первый — на 11–12, второй — на 14–15. Все выходы тревог — открытый сток, им нужны подтяжки; на типовой схеме TI — 10 кОм.

Характеристики

По таблице 6.5 даташита: 25 °C, VS = 3,3 В, шина 12 В.

ПараметрЗначение
Напряжение шунтаот −163,84 до 163,8 мВ, шаг 40 мкВ
Напряжение шины0–26 В, шаг 8 мВ (шкала регистра — 32,76 В, но подавать больше 26 В нельзя)
Подавление синфазного110 дБ мин., 120 дБ тип.
Смещение шунта±40 мкВ тип., ±80 мкВ макс.; дрейф 0,1 / 0,5 мкВ/°C
Смещение шины±8 мВ тип., ±16 мВ макс.
Ошибка усиления (шунт и шина)0,1 % тип., 0,25 % макс.; дрейф 10 / 50 ppm/°C
Ток входовIN+ — 10 мкА; IN− — 10 мкА плюс нагрузка 670 кОм
Время одного преобразования140 мкс … 8,244 мс, восемь шагов, по умолчанию 1,1 мс
Усреднение1, 4, 16, 64, 128, 256, 512 или 1024 измерения
Ток питания350 мкА тип., 450 мкА макс.; выключение 0,5 / 2 мкА
I²Cдо 400 кГц (Fast) и до 2,44 МГц (High-speed); тайм-аут SMBus 28–35 мс

Входы IN+ и IN− выдерживают разность от −26 до +26 В, но напряжение на каждом из них — только от −0,3 до +26 В. TI предупреждает, что при обрыве цепи с индуктивностью выброс может превысить эти 26 В; тогда на входах нужна защита.

Время измерения и усреднение

В непрерывном режиме INA3221 по очереди измеряет шунт и шину первого канала, затем второго и третьего, и начинает сначала; выключенные каналы пропускаются. Время каждого измерения задают полями CT отдельно для шунта и шины, число усреднений — полем AVG, общим для всех каналов. Наш расчёт для настроек по умолчанию (оба времени по 1,1 мс, без усреднения): полный цикл трёх каналов — 3 × (1,1 + 1,1) = 6,6 мс; с усреднением по 16 — около 106 мс.

АЦП — дельта-сигма с частотой дискретизации около 500 кГц (±30 %), поэтому фильтр на входах нужен только против помех вблизи её гармоник выше 1 МГц. TI советует резисторы не больше 10 Ом и керамические конденсаторы 0,1–1,0 мкФ. Наш вывод о причине: ток входов около 10 мкА создаёт на последовательных резисторах падение, которое складывается со смещением шунта.

Пересчёт в ток

Калибровочного регистра, как у INA219 и INA226, у INA3221 нет: регистры хранят напряжения, и ток вычисляет программа. Код шунта — 13 бит со знаком в дополнительном коде, выровненных по левому краю: младшие три бита регистра всегда нули.

Наш расчёт для шунта 0,1 Ом. Шаг тока — 40 мкВ / 0,1 Ом = 0,4 мА, шкала — 163,8 мВ / 0,1 Ом ≈ 1,638 А. Если регистр шунта прочитан как 0x0FA0, то код после сдвига на 3 — 500, напряжение — 500 × 40 мкВ = 20 мВ, ток — 0,2 А. Мощность — произведение тока на напряжение шины из соседнего регистра. Шунт под нужный ток и мощность рассеяния подбирают в калькуляторе токового шунта.

Тревоги и контроль питания

  • Critical срабатывает по каждому отдельному измерению шунта, если оно превысило предел канала; к тому же выводу можно привязать предел суммы шунтов двух или трёх каналов — для неё TI советует одинаковые шунты.
  • Warning сравнивает с пределом усреднённое значение — для медленной перегрузки.
  • PV поднимается, когда все три шины выше верхнего порога (по умолчанию 10 В), и падает, когда любая опускается ниже нижнего (9 В); пороги программируются.
  • TC проверяет порядок включения: после того как шина канала 1 достигла 1,2 В, микросхема ждёт 1,2 В на шине канала 2 четыре полных цикла измерений (около 28,6 мс при настройках по умолчанию) и, не дождавшись, прижимает вывод TC к нулю.

Регистры 0xFE и 0xFF возвращают идентификаторы производителя 0x5449 и кристалла 0x3220 — по ним программа проверяет, что на адресе действительно INA3221.

Сравнение с INA219

INA3221INA219
Каналов31
Шунт±163,8 мВ, шаг 40 мкВдо ±320 мВ, шаг 10 мкВ
Шина0–26 В, шаг 8 мВдо 26 В, шаг 4 мВ
Ток и мощностьсчитает программарегистры тока и мощности после калибровки
Адресов416
ТревогиCritical, Warning, PV, TCнет

Наш вывод: INA3221 выгоден, когда нужно следить за несколькими шинами — например, 5 В, 3,3 В и батареей — и важны тревоги без постоянного опроса. Для одной линии с удобным расчётом в амперах и ваттах проще INA219 или INA226, а при необходимости гальванической развязки — датчик Холла ACS712. Об адресах на шине — на странице «Адрес I²C», о протоколе — «SMBus».

Частые вопросы

Какая распиновка у INA3221?

Корпус VQFN-16 4 × 4 мм: 1 — IN−3, 2 — IN+3, 3 — GND, 4 — VS (питание 2,7–5,5 В), 5 — A0, 6 — SCL, 7 — SDA, 8 — Warning, 9 — Critical, 10 — PV, 11 — IN−1, 12 — IN+1, 13 — TC, 14 — IN−2, 15 — IN+2, 16 — VPU. Площадку снизу соединяют с общим проводом или оставляют свободной.

Какой адрес I²C у INA3221?

Один из четырёх по выводу A0: на GND — 0x40, на VS — 0x41, на SDA — 0x42, на SCL — 0x43. Значит, на одной шине помещается до четырёх микросхем, то есть двенадцать каналов. Те же адреса 0x40–0x43 занимают INA219 и INA226, поэтому при совместном использовании адреса раздают заранее.

Как пересчитать показания INA3221 в ток?

Регистр шунта хранит напряжение с шагом 40 мкВ в старших 13 битах, знак — в дополнительном коде. Код сдвигают вправо на 3 бита, умножают на 40 мкВ и делят на сопротивление шунта. Наш пример для 0,1 Ом: шаг тока 0,4 мА, шкала ±1,638 А. Напряжение шины — так же, с шагом 8 мВ, оно измеряется на выводе IN− относительно GND.

Можно ли поставить шунт INA3221 в минус?

TI описывает INA3221 как монитор в верхнем плече, и напряжение шины он измеряет на выводе IN− относительно своего GND. Входы допускают от 0 до 26 В, так что шунт в минусе ток измерить позволит, но напряжение шины тогда будет почти нулевым и бесполезным (наш вывод). Если нужен шунт в минусе и напряжение шины, удобнее INA226 с отдельным входом VBUS.

Источники

  1. Texas Instruments. INA3221 26V, Triple Channel, 13-Bit, I2C Output Current and Voltage Monitor With Alerts (SBOS576C, May 2012, revised September 2026) — с. 1 — шина 0–26 В, смещение до ±80 мкВ, ошибка усиления до 0,25 %, питание 2,7–5,5 В, 350 мкА, −40…+125 °C, VQFN-16 4 × 4 мм; разд. 4 — сравнение с INA226, INA219, INA209; рис. 5-1 и табл. 5-1 — выводы; разд. 6.5 — характеристики (шунт ±163,84 мВ, CMR 110–120 дБ, смещения ±40/±80 мкВ и ±8/±16 мВ, токи входов 10 мкА и 10 мкА ∥ 670 кОм, 13 бит, шаги 40 мкВ и 8 мВ, ошибка усиления 0,1/0,25 %, время преобразования 140 мкс…8,244 мс, тайм-аут SMBus 28–35 мс, ток 350/450 мкА и 0,5/2 мкА); разд. 7.3 — последовательность измерений, сумма шунтов, тревоги critical и warning, power-valid 10 и 9 В; разд. 7.4 — усреднение, фильтр входа и частота дискретизации 500 кГц; табл. 7-1 — адреса; разд. 7.5 — I²C до 400 кГц и 2,44 МГц; разд. 8 — регистры, ID 0x5449 и 0x3220, поля AVG и CT
  2. Texas Instruments. INA219 Zerø-Drift, Bidirectional Current/Power Monitor With I2C Interface (SBOS448G, revised December 2015) — для сравнения: один канал, шаг шины 4 мВ, шкала 16 или 32 В, калибровочный регистр и регистры тока и мощности, 16 адресов

Нашли ошибку?

Смотрите также