INA226学习

简介

INA226是一款数字电流感测放大器，具有I2C-和SMBus兼容接口。它提供精确控制系统中精确决策所需的数字电流、电压和功率读数。
可编程寄存器允许灵活配置测量分辨率以及连续的Versus触发操作。

功能描述

基本ADC功能

INA226设备在电源总线上执行两次测量。流经分流电阻器的负载电流产生的电压产生分流电压，在IN+和IN-引脚处测量。该设备还可以通过将该电压连接到VBUS引脚来测量电源总线电压。差动分流电压是相对于IN引脚测量的，而母线电压是相对于接地测量的。

该设备通常由一个单独的电源供电，其电压范围为2.7 V至5.5 V。被监测的总线电压范围为0 V至36 V。基于总线电压寄存器的固定1.25 mV LSB，满标度寄存器产生40.96 V值。

由于共模输入范围和电源电压彼此独立，因此对电源排序没有特别的考虑；因此，总线电压可以在电源电压关闭的情况下出现，反之亦然。该装置进行两次测量，分流电压和母线电压。然后根据校准寄存器值将这些测量值转换为电流，然后计算功率。有关校准寄存器编程的更多信息，请参阅校准寄存器编程部分。

该设备有两种操作模式，连续模式和触发模式，这两种模式决定了ADC在这些转换后的工作方式。当设备处于正常工作模式时（即配置寄存器（00h）的mode位设置为“111”），它连续转换分流电压读数，然后转换总线电压读数。分流电压读数后，计算电流值。该电流值然后用于计算功率结果。这些值随后存储在累加器中，测量/计算序列重复，直到达到配置寄存器（00h）中设置的平均数。在每个序列之后，将测量和计算的当前值集附加到先前收集的值上。完成所有平均后，在相应的寄存器中更新分流电压、母线电压、电流和功率的最终值，然后可以读取这些值。这些值保留在数据输出寄存器中，直到被下一个完全完成的转换结果替换。读取数据输出寄存器不会影响正在进行的转换。
转换寄存器（00h）中的模式控制还允许选择仅转换分流电压或母线电压的模式，以便进一步允许用户配置监控功能以适应特定的应用要求。

所有电流和功率计算都在后台执行，不会影响转换时间。
在触发模式下，将任何触发转换模式写入配置寄存器（00h）（即配置寄存器（0h）的模式位设置为“001”、“010”或“011”）将触发单触发转换。
此操作产生一组测量值；因此，为了触发另一个单触发转换，即使模式没有改变，也必须再次写入配置寄存器（00h）。

除了两种操作模式（连续和触发）外，该设备还具有断电模式，可减少静态电流并关闭进入设备输入的电流，从而减少设备不使用时电源漏极的影响。从断电模式完全恢复需要40µs。当设备处于断电模式时，可以对设备的寄存器进行写入和读取。设备保持断电模式，直到其中一个活动模式设置写入配置寄存器（00h）。

尽管设备可以随时读取，并且上次转换的数据仍然可用，但提供了转换就绪标志位（掩码/启用寄存器，CVRF位）以帮助协调单触发或触发转换。转换就绪标志（CVRF）位在所有转换、平均和乘法操作完成后设置。

转换就绪标志（CVRF）位在以下条件下清除：写入配置寄存器（00h），除非为断电模式配置MODE位；读取掩码/启用寄存器（06h）

功率计算

电流和功率在分流电压和母线电压测量后计算，如图所示。电流在分流电压测量后根据校准寄存器中设置的值计算。如果校准寄存器中没有加载值，则存储的当前值为零。根据之前的电流计算和母线电压测量，在母线电压测量之后计算功率。如果校准寄存器中没有加载值，则存储的功率值也为零。同样，这些计算是在后台执行的，不会增加总的转换时间。这些电流和功率值被视为中间结果（除非平均值被设置为1），并存储在内部累加寄存器中，而不是相应的输出寄存器中。在每个测量样本之后，电流和功率的新计算值被附加到该累加寄存器，直到所有样本都已被测量并基于配置寄存器（00h）中设置的平均数进行平均。

除了每次采样后累积的电流和功率外，还收集分流和母线电压测量值。在测量了所有样本并进行了相应的电流和功率计算之后，将这些参数中的每一个的累积平均值加载到相应的输出寄存器中，然后可以在那里读取它们。

报警引脚

INA226有一个报警限制寄存器（07h），允许对报警引脚进行编程，以响应单个用户定义的事件或转换就绪通知（如果需要）。屏蔽/启用寄存器允许用户从五个可用功能中选择一个来监视和/或设置转换就绪位以控制报警引脚的响应。根据所监控的功能，用户将在报警限值寄存器中输入一个值，以设置相应的阈值，从而确定报警引脚。
报警引脚允许监控几个可用报警功能中的一个，以确定是否超过了用户定义的阈值。可监控的五个报警功能为：
•并联电压上限（SOL）
•并联电压下限（SUL）
•母线电压上限（BOL）
•总线电压下限（BUL）
•功率上限（POL）
报警引脚是开路漏极输出。当屏蔽/启用寄存器中选择的报警功能超过报警限制寄存器中编程的值时，该引脚被断开。一次只能启用和监视其中一个警报功能。如果启用了多个报警功能，则处于最高有效位位置的选定功能优先，并响应报警限制寄存器值。例如，如果同时选择了并联电压过限功能和并联电压欠限功能，则当并联电压寄存器超过报警限寄存器中的值时，报警引脚断言。
设备的“转换就绪”状态也可以通过“警报”引脚进行监控，以通知用户设备何时完成了上一次转换并准备开始新的转换。转换就绪状态可通过报警引脚以及其中一个报警功能进行监控。如果警报功能和转换就绪都在警报引脚上启用以监控，则在警报引脚被断言后，必须在警报之后读取掩码/启用寄存器，以确定警报的来源。通过读取掩码/启用寄存器中的转换就绪标志（CVRF，位3）和警报功能标志（AFF，位4），可以确定警报源。如果不需要转换就绪功能且未设置CNVR位，则报警引脚仅根据启用的报警功能对超出的报警限值作出响应。
如果不使用报警功能，报警引脚可以保持浮动，而不会影响设备的操作。

设备功能模式

平均和转换时间注意事项

INA226装置为分流电压和母线电压测量提供可编程转换时间（t CT）。这些测量的转换时间可从140μs到8.244 ms不等。转换时间设置以及可编程平均模式允许设备配置为优化给定应用中的可用定时要求。例如，如果系统要求每5ms读取一次数据，则可以将设备配置为分流和母线电压测量的转换时间设置为588μs，平均模式设置为4。这种配置导致数据大约每4.7ms更新一次。该设备还可以配置有用于分流和母线电压测量的不同转换时间设置。这种类型的方法在总线电压趋于相对稳定的应用中很常见。这种情况可以允许相对于分流电压测量减少专注于母线电压测量的时间。分流电压转换时间可以设置为4.156 ms，母线电压转换时间设置为588μs，平均模式设置为1。该配置还导致数据大约每4.7 ms更新一次。
转换时间设置和使用的平均模式之间存在权衡。平均特征可以通过有效地滤波信号来显著提高测量精度。这种方法允许设备减少测量中可能由噪声耦合到信号中引起的任何噪声。更大数量的平均值使得设备能够更有效地减少测量的噪声分量。
所选择的转换时间也会对测量精度产生影响。图显示了多次转换时间，以说明噪声对测量的影响。为了实现可能的最高精度测量，根据系统的时序要求，使用最长允许转换时间和最高平均数的组合。

过滤和输入注意事项

测量电流通常是有噪声的，并且这种噪声很难定义。INA226设备通过允许在配置寄存器（00h）中独立选择转换时间和平均数，提供了多种过滤选项。可独立设置分流电压和母线电压测量的转换时间，以增加配置电源母线监控的灵活性。
内部ADC基于Δ∑前端，典型采样率为500 kHz（±30%）。该架构具有良好的固有噪声抑制；然而，在采样率谐波处或非常接近采样率谐波时发生的瞬变会引起问题。因为这些信号在1MHz或更高，所以可以通过在设备的输入端合并滤波来管理它们。高频允许在滤波器上使用低值串联电阻器，对测量精度的影响可以忽略不计。一般来说，只有在500 kHz（±30%）采样率（大于1 MHz）的精确谐波下存在瞬变时，才需要对设备输入进行滤波。
使用尽可能低的串联电阻（通常为10Ω或更小）和陶瓷电容器进行滤波。该电容器的推荐值介于0.1μF和1μF之间。图显示了在输入端添加了过滤器的设备
过载条件是设备输入的另一个考虑因素。设备输入被指定为允许输入两端的电压为40 V。大的差动情况可能是分流器负载侧对地短路。这种类型的事件可能导致分流器两端的电源电压满（只要电源或储能电容器支持）。消除对地短路可能导致感应回扣，其可能超过设备的40V差分和共模额定值。电感反冲电压最好由齐纳型瞬态吸收装置（通常称为transzorbs）结合足够的储能电容来控制。请参阅TI设计，电流分流监测器的瞬态鲁棒性（TIDU473），其中描述了一种高侧电流分流监测仪，用于测量电流流经电流传感电阻器时产生的电压。
在分流器一侧或两侧没有大型储能电解质的应用中，输入过应力状态可能由施加到输入的电压的过大dV/dt引起。硬物理短路是该事件的最可能原因，特别是在没有大电解质的应用中。出现此问题是因为在大电流可用的系统中，过大的dV/dt会激活器件中的ESD保护。测试表明，在装置的每个输入端串联增加10Ω电阻器，足以保护输入端不受该dV/dt故障的影响，直至装置的额定电压为40V。在所述范围内选择这些电阻器对精度的影响最小。

程序设计

INA226设备的一个重要方面是，它不必测量电流或功率。该设备测量施加在IN+和IN-输入引脚之间的差分电压以及施加在VBUS引脚上的电压。为了使设备报告电流和功率值，用户必须对电流寄存器（04h）的分辨率和应用中存在的分流电阻器的值进行编程，以产生输入引脚之间施加的差分电压。功率寄存器（03h）内部设置为编程Current_LSB的25倍。Current_LSB和分流电阻值都用于计算校准寄存器值，该装置根据测量的分流和母线电压计算相应的电流和功率值。
校准寄存器根据公式1计算。该公式包括术语Current_LSB，它是当前寄存器（04h）的LSB编程值。用户使用该值将电流寄存器（04h）中的值转换为以安培为单位的实际电流。电流寄存器（04h）的最高分辨率可以通过使用基于最大预期电流的最小允许电流LSB获得，如等式2所示，通常将Current_LSB的值选择为该值以上的最接近的整数，以简化电流寄存器（04h）和功率寄存器（03h）分别转换为安培和瓦特。R SHUNT项是用于在输入引脚两端产生差分电压的外部分流器的值。

对校准寄存器编程后，电流寄存器（04h）和功率寄存器（03h）根据相应的分流电压和母线电压测量值进行相应更新。在校准寄存器编程之前，电流寄存器（04h）和功率寄存器（03h）保持为零。

校准寄存器编程

图27显示了标称10-a负载，该负载在2-mΩ分流电阻器上产生20mV的差分电压。
INA226的总线电压在外部VBUS输入引脚处测量，在本例中，该引脚连接到in引脚，以测量传递到负载的电压电平。在本例中，VBUS引脚的测量值小于12 V，因为由于分流电阻器两端的电压降，IN引脚的电压为11.98 V。
对于本例，假设最大预期电流为15 a，则使用公式2计算current_LSB为457.7μa/位。使用500μa/比特或1 mA/比特的current_LSB值将大大简化从电流寄存器（04h）和功率寄存器（03h）到安培和瓦特的转换。对于本例，为Current_LSB选择了1 mA/位的值。将此值用于Current_LSB确实会以少量的分辨率换取用户端更简单的转换过程。使用本例中的等式1，Current_LSB值为1 mA/位，分流电阻器为2 mΩ，校准寄存器值为2560或A00h。

然后，通过将并联电压寄存器（01h）内容的十进制值乘以校准寄存器的十进制数值，然后除以2048来计算电流寄存器（04h），如等式3所示。在本例中，并联电压寄存器包含值8000（表示20mV），将其乘以2560的校准寄存器值，然后除以2048以产生10000或2710h的当前寄存器（04h）的十进制值。将该值乘以1 mA/位将得到示例中所述的原始10-A电平。
总线电压寄存器（02h）的最低有效位是固定的1.25 mV/位，这意味着VBUS引脚上的11.98 V导致寄存器值为2570h，或十进制等效值为9584。请注意，总线电压寄存器的最高有效位始终为零，因为VBUS引脚只能测量正电压。
然后，通过将电流寄存器的十进制值10000乘以总线电压寄存器（02h）的十进制数值9584，然后除以20000，计算功率寄存器（03h），如等式4所定义。在本例中，功率寄存器（03 h）的结果为12B8h，或十进制等效值4792。
将该结果乘以功率LSB（25倍于[1×10–3 Current_LSB]），得到的功率计算值为（4792×25 mW/bit），即119.82 W。功率LSB与电流_LSB的比率固定为25。在本例中，编程的1 mA/bit Current_LSB得到的功率LSB为25 mW/bit。该比率在内部编程，以确保功率计算的缩放在可接受的范围内。输送到负载的功率的手动计算将使用11.98 V（12 V CM–20 mV分流压降）的母线电压乘以10 A的负载电流，得出119.8 W的结果。
表1列出了配置、测量和计算该设备电流和功率值的步骤。

简单电流分流监测器的使用（无需编程）

如果只需要读取分流电压降和母线电压，并使用默认上电复位配置和分流和母线电压的连续转换，则无需任何编程即可使用该设备。
如果不对设备校准寄存器进行编程，设备将无法提供有效的电流或功率值，因为这些输出都是使用加载到校准寄存器中的值导出的。

默认设置

寄存器的默认通电状态如本数据表的寄存器映射部分所示。这些寄存器是易失性的，如果被编程为表4所示的默认值以外的值，则必须在每次设备通电时重新编程。编程部分给出了具体编程校准寄存器的详细信息，并根据公式1进行计算。

总线概述

INA226提供与I2C和SMBus接口的兼容性。I2C和SMBus协议基本上彼此兼容。
本数据表中使用I2C接口作为主要示例，仅当讨论两个系统之间的差异时才指定SMBus协议。两条线路（SCL和SDA）将设备连接到总线。SCL和SDA都是开漏连接。
发起数据传输的设备称为主设备，由主设备控制的设备为从设备。
总线必须由产生串行时钟（SCL）、控制总线访问并产生启动和停止条件的主设备控制。
为了寻址特定设备，当SCL为高时，主机通过将数据信号线（SDA）从高逻辑电平拉到低逻辑电平来启动启动条件。总线上的所有从机在SCL的上升沿上移位从机地址字节，最后一位指示是读操作还是写操作。在第九个时钟脉冲期间，被寻址的从设备通过生成确认并将SDA拉低来响应主设备。
然后开始数据传输，并发送8位数据，随后是确认位。在数据传输期间，当SCL为高时，SDA必须保持稳定。当SCL为高时，SDA的任何变化都被解释为启动或停止条件。
在传输完所有数据后，主机生成一个停止条件，当SCL为高时，通过将SDA从低拉到高来指示。该设备在其接口上包括28毫秒超时，以防止锁定总线。

串行总线地址

要与INA226通信，主设备必须首先通过从设备地址字节寻址从设备。从地址字节由七个地址位和一个指示操作是读操作还是写操作的方向位组成。
该设备有两个地址引脚A0和A1。表2列出了16个可能地址中每一个的引脚逻辑电平。该设备在每个总线通信上对引脚A0和A1的状态进行采样。在接口上发生任何活动之前建立引脚状态

串行接口

INA226仅作为I2C总线和SMBus上的从属设备运行。通过开路漏极SDA和SCL线路连接到总线。SDA和SCL引脚具有集成尖峰抑制滤波器和施密特触发器，以将输入尖峰和总线噪声的影响降至最低。尽管该设备将尖峰抑制集成到数字I/O线路中，但适当的布局技术有助于将耦合到通信线路中的量降至最低。这种噪声引入可能由两条通信线路本身之间的电容耦合信号边缘或系统中存在的其他开关噪声源引起。在印刷电路板（PCB）上的层之间平行地布线迹线通常会减少通信线之间的耦合效应。屏蔽通信线路减少了意外噪声耦合到数字I/O线路的可能性，这些噪声可能被错误地解释为启动或停止命令。
INA226支持快速模式（1 kHz至400 kHz）和高速模式（1 kHz至2.94 MHz）的传输协议。所有数据字节首先传输最高有效字节。

寄存器描述

INA226使用一组寄存器保存配置设置、测量结果、最小/最大限值和状态信息。所有16位设备寄存器都是两个8位字节。

配置寄存器（00h）（读/写）

配置寄存器设置控制设备的操作模式。该寄存器控制分流和母线电压测量以及所用平均模式的转换时间设置。
控制选择测量哪些信号的操作模式也在配置寄存器中编程。
可以随时读取配置寄存器，而不会影响或影响设备设置或正在进行的转换。写入配置寄存器将停止正在进行的任何转换，直到写入序列完成，从而根据配置寄存器的新内容开始新的转换（00h）。此暂停可防止用于下一次完成转换的条件出现任何不确定性。
重置位
第15位将该位设置为“1”将生成与上电重置相同的系统重置。将所有寄存器重置为默认值，自我清除。
平均模式位9–11
确定采集和平均的样本数。表6显示了所有AVG比特设置和每个比特设置的相关平均数。

母线电压转换时间位6–8
设置母线电压测量的转换时间。表7显示了每个位设置的VBUSCT位选项和相关转换时间。

并联电压转换时间位3–5
设置并联电压测量的转换时间。表8显示了每个位设置的VSHCT位选项和相关转换时间。

操作模式位0-2
选择连续、触发或断电操作模式。这些位默认为连续分流和总线测量模式。模式设置如表9所示。

分流电压寄存器（01h）（只读）

分流电压寄存器存储当前分流电压读数V Shunt。负数以2的补码格式表示。通过对绝对值二进制数进行补码并加1，生成负数的两个补码。MSB=“1”表示负数。
示例： 对于V SHUNT=–80 mV的值：
1.取绝对值：80 mV
2.将此数字转换为整数十进制数（80 mV÷2.5µV）=32000 3.将此数字转化为二进制数=0111 1101 0000 0000
4.对二进制结果进行补码=1000 0010 1111 1111
5.将补码加上“1”以创建两者的补码结果=1000 0011 0000 0000=8300h如果启用了平均，该寄存器显示平均值。
满量程=81.92 mV（十进制=7FFF）；LSB:2.5μV。

总线电压寄存器（02h）（只读）

总线电压寄存器存储最近的总线电压读数VBUS。
如果启用了平均，该寄存器将显示平均值。
满量程=40.96 V（十进制=7FFF）；LSB=1.25 mV。

功率寄存器（03h）（只读）

如果启用了平均，该寄存器将显示平均值。
功率寄存器LSB内部编程为等于Current_LSB编程值的25倍。
根据等式4，功率寄存器通过将电流寄存器的十进制值与总线电压寄存器的十进位值相乘，以瓦特为单位记录功率。

平均寄存器（04h）（只读）

如果启用了平均，该寄存器将显示平均值。
根据等式3，通过将并联电压寄存器中的十进制值与校准寄存器的十进制数值相乘来计算电流寄存器的值。

校准寄存器（05h）（读/写）

该寄存器向设备提供用于产生测量差分电压的分流电阻器的值。它还设置当前寄存器的分辨率。编程该寄存器设置Current_LSB和Power_LSB。该寄存器也适用于整个系统校准。有关校准寄存器编程的更多信息，请参阅校准寄存器编程。

以下报警略

掩码/启用寄存器（06h）（读/写）

掩码/启用注册表选择启用的功能，以控制报警引脚以及该引脚的工作方式。如果启用多个功能，则最高有效位位置报警功能（D15-D11）优先，并响应报警限制寄存器。

警报限制寄存器（07h）（读/写）

警报限制寄存器包含用于与屏蔽/启用寄存器中选择的寄存器进行比较的值，以确定是否已超过限制。

制造商ID寄存器（FEh）（只读）

制造商ID寄存器存储制造商的唯一标识号。

模具ID寄存器（FFh）（只读）

模具ID寄存器存储模具的唯一标识号和修订ID。