基于 INA282 的集成电压电流检测电路设计与优化

发表时间：2019-11-20T13:18:42.423Z 来源：《中国电业》2019年15期 作者： 吴哲

[导读] 利用外并电阻中点接地和加TVS管的输入全对称结构，有效地降低了共模输入影响

摘要：集成化、微小化是自动化仪表的发展趋势，双向电流检测器INA282因其宽共模输入、高抗共模信号能力，使得电流表可在不使用隔离电源的情况下对共电源系统进行在线测量，很好地解决各个功能表之间不能相互独立工作的问题，适合于智能仪表集成设计。详细给出了基于INA282的多表头设计过程，并对调试过程中出现的数字显示不稳，芯片容易烧坏等问题进行了分析和优化设计，利用外并电阻中点接地和加TVS管的输入全对称结构，有效地降低了共模输入影响，提高了系统性价比。经测试，电流误差小于1．5%，电压误差小于2%，制成集成仪表模块嵌入到自主研发的实验箱中，工作稳定可靠。 关键词：INA282;优化设计;全对称结构;共模抑制比;仪表集成 引言

近年来，磁性器件在开关变换器中的应用研究发展迅速，特别是磁集成技术成为提高变换器性能新的研究方向。所谓磁集成技术，是将电路拓扑中分离磁性元器件(包括储能电感和功率变压器等)集成在一个磁芯结构中。研究表明[9-10]，通过适当的反向耦合方式，合理的参数设计，该技术不仅可以有效地减小磁性器件体积和损耗，而且在特定条件下，还可减小输出纹波电流、提高系统动态响应。另一方面，随着微处理器的飞速发展，对其供电用电压调整模块(VRM)的性能要求愈来愈高，由于电压调整模块的负载电流不断增加，同时输出电压要求不断降低，因此，两相并联VRM逐渐不能满足低电压、大电流的发展趋势。多相并联VRM(一般指三相至六相并联)由于其具有分散各相电流应力，进一步减小输出总电流纹波，提高输出纹波频率等优点，逐渐地被采纳。但是，如何将磁集成应用到多相磁集成中至今仍没有取得突破性进展，特别是关于多相磁集成的磁路分析和仿真建模等问题仍需要深入地研究。 1产业链结构更趋平衡

近些年，在我国集成电路产业总体规模持续扩张的过程中，产业链结构也得到了一定程度的优化。在设计、制造、封装测试三个细分产业链环节中，设计和制造的技术含量更高，封装测试的附加值相对较低。因此，在短期内难以突破国外集成器件制造商（IDM）垄断格局的情况下，我国集成电路产业结构的优化，应该体现在设计和制造环节的占比逐渐提高上。2016年，我国集成电路设计业销售额为1644.3亿元，占集成电路产业销售总额的37.9%，比2011年提高了10.7个百分点；2016年，集成电路制造业销售额为1126.9亿元，占集成电路产业销售总额的26%，比2011年降低了1.7个百分点；2016年，集成电路封装测试业销售额为1563.3亿元，占集成电路产业销售总额的36.1%，比2011年降低了9个百分点。

2INA282的集成电压电流检测电路设计与优化 2.1稳定电表显示

电路设计好后，基本实现了对电压和电流的测量，调试过程也很顺利，但最后测试时，发现不同芯片测量的电压误差达到10%，尤其是工作一段时间后，电压表数据出现跳动，显示不稳定。分析问题的可能原因是芯片的差分输入电阻不稳定。查阅芯片数据手册上给的值为6kΩ，实测未开封的TI原厂芯片，一片输入电阻为5．98kΩ，另一片为5．68kΩ，显然INA282的差分输入内阻并不是理想的6kΩ，而且即便是同一批次的芯片，输入阻抗也不相同，而且电阻值会随着通电时间的长短而变化。而造成输入电阻值不恒为6kΩ的原因，应该是输入端里面存在半导体器件，半导体器件的电阻值是容易受到温度的影响的，以此为标准设计的电压表，也会出现显示数字不稳定现象。按照这种思路，显然只需将表头的输入电阻稍作减小，在差分输入端并接一个680Ω的电阻，同时把串联电阻270kΩ改为27kΩ即可。芯片差分输入6kΩ左右的电阻与外面的680Ω的小电阻并联，在芯片内部的电阻阻值变化时，对整个并联后系统阻值影响减小了，电路分压比变得更稳定了。如假设输入电阻5．5kΩ～6．5kΩ，并联680Ω电阻后，阻值变化范围为605．18Ω～615．60Ω，中点电阻约为610．78Ω，可知相对变化小于1%，满足要求，且输入差分电阻大于50kΩ，是优于80C51表头的。 2.2创新能力难以引领工业转型升级

集成电路是专利密集型高技术产业。由于我国的集成电路产业起步较晚，加之核心技术受制于人，因此国内集成电路企业在设计、制造工艺、封装测试各环节的核心技术创新和专利布局的积累上，与国际行业巨头相比，依然有较大差距，特别是发明专利比例较低。2015年中国大陆集成电路产业专利权人申请公开的29735件专利中，发明专利约占三分之二，而美国、日本、韩国、欧洲及中国台湾地区集成电路产业专利权人申请公开的专利中，发明专利比例超过九成。集成电路是重要的共性技术，国内集成电路企业的发明专利占比偏低，在一定程度上表明企业的核心创新能力不足。在技术创新领域处于追赶状态的集成电路产业，目前还很难支撑其他工业行业的以数字化、智能化、网络化为特征的重大技术创新，从而增加了以创新驱动工业转型升级的难度。 2.3降低系统成本

通过以上优化，设计的电压电流表基本实现了预定的功能，但电路的改变使系统成本增加，加工、调试的过程也更加繁杂(TVS管要以特定方向安装)。简化系统，提高性价比是电路进一步优化目标。考虑到既然INA282被损坏是因为过高的共模输入，那么只要能在外部削弱输入端的共模电压那就能够保护芯片，除前面介绍的在两端都加TVS管之外，还可以利用输入全对称结构，把并联在芯片差分输入端外部的电阻的电位中点接地来抑制共模电压。

2.4资本投入力度不利于增强工业转型升级的自主性

集成电路是资本密集型高技术产业，特别是随着集成电路工艺技术的不断进步，集成电路制造业投资规模越来越大。虽然近些年来在国内市场需求的拉动和国家政策的支持下，中国集成电路固定资产投资快速增长。2015年，国内集成电路制造业固定资产投资为671.4亿元，比2012年的343.9亿元增长了95%。但是，应该看到，与国际集成电路巨头相比，国内集成电路产业的投资规模还很小。根据市场研究机构Semi-conductorIntelligence公布的估算数据，2015年三星电子、台积电的资本支出分别是151亿美元、108亿美元。也就是说，2015年我国集成电路制造业全行业的固定资产投资额，还不及这两大巨头中任一家的资本支出。进一步分析我国集成电路制造业固定资产投资的资金来源结构，可以发现，剔除外商直接投资额，2015年中国集成电路制造业固定资产投资只有471.8亿元。如果不能在全球集成电路产业增长的低谷期通过逆周期投资对领先企业形成追赶压力，一旦行业周期反转进入复苏和繁荣阶段，国内企业作为后发者就会面临更大竞争压力，进而会对我国工业转型升级的自主性产生一定负面影响。 结语

（1）利用回转器－电容模型对两相磁集成电感进行等效电路建模分析，并由此推导出多相并联耦合磁集成的模型。（2）利用对称矩阵的相似对角化理论推导出通用N相磁集成的关系式，利于计算机仿真设计，为磁集成的建模提供一种新颖的研究方法。（3）比较了基于回转器－电容模型的磁集成电压调整模块仿真与样机实验的稳态和动态特性，说明该建模方式的正确性和通用性。 参考文献

［1］卞正岗．自动化仪表和系统的集成技术的发展．中国仪器仪表［J］．2008(9):26－30． ［2］杨军．自动化仪表与系统的集成技术及其发展研究．电子测试［J］．2017(6):130－131．