INA199 & ADS1115 & TL431 硬件设计指南

知识回顾

高侧电流采样

在高侧电流采样中，采样电阻靠近电源正端。这种方式需要有支持高压的放大器，因为采样电阻在高侧 MOS 和直流电源电压之间，使放大器的输入端始终有高电压。因此并不常见。并且只有在相应的 MOS 开启时，通过采样电阻的电流才是相电流。所以无论是高侧电流采样还是低侧电流采样都需要注意 PWM 和 ADC 之间的同步。

优点：

可检测负载是否短路
无地电平干扰

缺点：

共模电压高，使用非专用分立器件设计较复杂、成本高、面积大

低侧电流采样

在高侧电流采样中，采样电阻靠近地一侧。由于采样电阻在低侧 MOS 和地之间，保证了运放输入端的低电压。

优点：

共模电压低，可以使用低成本的普通运算放大器

缺点：

检流电阻引入地电平干扰，电流越大地电位干扰越明显，有时甚至会影响负载

相线电流采样

在相线电流采样中，采样电阻串联在电机相线上，因为电感中的电流不会突变，所以无论 PWM 占空比的状态如何，采样到的电流都是连续稳定的，检测的电流始终都是电机相电流，不需要注意 PWM 和 ADC 之间的同步。该方法的短板在于硬件，这种电流检测结构要求高精度双向放大器具有比常规低侧或高侧放大器更好的PWM抑制。

电压跟随器

电压跟随器（也称为单位增益放大器、缓冲放大器和隔离放大器）是一种电压增益为 1 的运算放大器电路。这意味着运算放大器不会对信号进行任何放大。

其输入阻抗近似无穷大，输出阻抗极小，不仅可以起到隔离的作用，还可以进行阻抗匹配，还可以起到增强电路的带负载能力。
输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。
电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。

ADS1115

简介

ADS1115 是德州仪器推出的具有 IIC 接口的16位 ADC 转换器，超小型 X2QFN 或 VSSOP 封装，低功耗（20uA），宽电压输入2.0V-5.5V，可编程数据转换速率 8SPS-860SPS，四个单端输入或两个差分输入。

地址选择

ADS1115 具有一个地址引脚 ADDR，用于设置器件的 IIC 地址。该引脚可以是连接到 GND，VDD，SDA 或 SCL，因此可以通过一对 IIC 引脚选择四个不同的地址。
将地址位接 GND，1001000,最后一位是确定 IIC 的写/读状态,写的时候是1，读的时候是0。所以 SLAVE ADDRESS 读写地址是 0x90/0x91(10010000/10010001)

ADDR PIN	SLAVE ADDRESS
GND	1001000
VDD	1001001
SDA	1001010
SCL	1001011

采集范围

通过配置 PGA 可以实现输入电压范围从 ±256 mV 到 ±6.144 V 之间，但电源电压为+5V，所以只能采集 0-5v 之间的电压。

INA199

特性

宽共模范围：-0.3 V 到 26 V
失调电压：±150µV（最大值）
精度：
- 增益误差（最大过热误差）：
  - ±1%（C 版本）
  - ±1.5%（A 和 B 版本）
- 0.5µV/°C 偏移漂移（最大值）
- 10ppm/°C 增益漂移（最大值）
增益选择：
- INA199x1：50V/V
- INA199x2：100V/V
- INA199x3：200V/V
静态电流：100μA（最大值）

REF 输入阻抗影响

与任何差分放大器一样，INA199 系列器件共模抑制比会受到 REF 输入端的任何阻抗的影响。当 REF 引脚被直接连接至大多数基准或者电源时，这个担心时没有必要的。当使用来自电源或基准电压的电阻分压器时，REF 引脚必须由运算放大器缓冲（电压跟随器）。

双向电流检测

上图是一种双向电流检测电路，能够在两个方向上测量流经电阻式分流器的电流。这种双向监测在包括充电和放电操作的应用中很常见，在此类应用中，电流流经电阻时，可能改变方向。只要在REF脚加上偏置，就能检测正负电流。正负电流方向根据输出电压判断，是高于REF脚的偏置电压还是低于REF脚偏置电压。
通过向 REF 引脚施加电压，可以测量双向流动的电流；如上图所示。施加到 REF 的电压 (Vref) 设置与零输入电平状态相对应的输出状态。然后，对于正差分信号（相对于 IN– 引脚），输出变为增至高于 Vref；而对于负差分信号，则变为降至低于 Vref。施加到 REF 引脚的这一基准电压可设置为 0V 至 V+ 之间的任何值。对于双向应用，VREF 通常设置为中标度，以便在两个电流方向上实现相等的信号范围。在某些情况下，当双向电流和相应的输出信号无需对称时，VREF 可设置为中标度以外的电压。

TL431

简介

TL431 是一个三端可调分流并联稳压器，提供良好的温度稳定性。典型的动态输出阻抗为 0.2Ω，阴极电流调节范围为 1-100mA，可以实现 2.5V-36V 可调的稳压值。被广泛运用于基准源、比较器、运放等功能。

上图为TL431的等效框图，Vref 是一个内部的 2.5V 基准源，接在运放的反相输入端。当 REF 端（同相端）的电压非常接近 Vref 时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着 REF 端电压的微小变化，通过内部功率三极管的电流将发生变化。