【導(dǎo)讀】當(dāng)建立到地面的備用路徑時(shí)，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（RCD）或剩余電流斷路器（RCCB）會(huì)檢測泄漏電流。RCD通過斷開電路來將電源與泄漏路徑隔離。與保險(xiǎn)絲不同，這些類型的斷路器可以重置并重新使用，它們在保護(hù)人員和設(shè)備方面發(fā)揮著重要作用。
當(dāng)建立到地面的備用路徑時(shí)，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（RCD）或剩余電流斷路器（RCCB）會(huì)檢測泄漏電流。RCD通過斷開電路來將電源與泄漏路徑隔離。與保險(xiǎn)絲不同，這些類型的斷路器可以重置并重新使用，它們在保護(hù)人員和設(shè)備方面發(fā)揮著重要作用。
在本文中，將回顧RCD泄漏電流檢測和跳閘的要求，以及如何將超低功耗電壓監(jiān)控器或Reset IC用作泄漏電流檢測器。此外還將說明電壓監(jiān)控器如何使中壓斷路器受益，例如使用微控制器的空氣斷路器（ACB）和塑殼斷路器（MCCB）。
使用電壓監(jiān)控器作為泄漏電流閾值檢測器
當(dāng)故障設(shè)備或觸電時(shí)，會(huì)發(fā)生漏電流，RCD的目的就是為了用于響應(yīng)5 mA-500mA的電流。如國際電工委員會(huì)TS60479-1標(biāo)準(zhǔn)中所述，在50 mA 200ms時(shí)間內(nèi)，人就會(huì)出現(xiàn)肌肉收縮，而暴露時(shí)間超過3s將增加心室纖顫的可能性。
RCD通過感測有源線和中性線電流之間的差異來檢測泄漏電流。如果線路電流和中性線電流不平衡且泄漏電流超過預(yù)定閾值，則斷路器跳閘，中斷并隔離電源。RCD設(shè)備可以分為三個(gè)主要階段。首先是感測階段，在此期間，泄漏傳感器感測泄漏電流。在第二階段，檢測電路設(shè)置泄漏電流閾值。第三階段中，繼電器跳閘，以隔離泄漏源。
過去，繼電器被用作檢測電路來設(shè)置泄漏電流閾值。現(xiàn)代RCD使用諸如電壓監(jiān)控器之類的集成電路來提高檢測漏電流和驅(qū)動(dòng)螺線管繼電器的準(zhǔn)確性和響應(yīng)時(shí)間。
圖1顯示了TI的TPS3840電壓監(jiān)控器如何檢測泄漏電流。在該示例中，泄漏傳感器（例如差分電流互感器或零相電流互感器）由電流源表示。對(duì)于電流檢測電路，電阻分壓器用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后由TPS3840檢測。 TPS3840集成了精確的基準(zhǔn)電壓帶隙和電壓比較器。觸發(fā)點(diǎn)在出廠時(shí)通過一次性非易失性存儲(chǔ)器（OTP）進(jìn)行了編程，電壓閾值可在1.6 V至4.9 V范圍內(nèi)設(shè)置，典型精度為1％。
當(dāng)VDD引腳上的電壓上升到閾值以上時(shí)，RESET引腳將拉高以中斷微控制器或驅(qū)動(dòng)電磁繼電器。此外，還可以使用單個(gè)外部電容器來延長RESET響應(yīng)時(shí)間，以根據(jù)泄漏電流的大小來滿足變化的RCD響應(yīng)時(shí)間。
圖1：作為比較器或電源序列發(fā)生器使用的毫微功耗、寬輸入電壓（最高 12V）監(jiān)控器參考設(shè)計(jì)
該參考設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹了低功耗復(fù)位 IC 和看門狗計(jì)時(shí)器的通用用例。TPS3840 器件具有小于 1µA 的電流消耗，其經(jīng)配置可用作比較器（通過簡單的 3 引腳配置），也可用作通用電源監(jiān)控器，后者可以菊花鏈方式級(jí)聯(lián)為序列發(fā)生器。此外，響應(yīng)和延遲時(shí)間可通過外部電容器進(jìn)行配置。對(duì)于需要運(yùn)行看門狗的應(yīng)用，可以使用 TPS3431 器件，它是一個(gè)精度為 ±2.5%（典型值）的獨(dú)立可編程看門狗計(jì)時(shí)器。
特性
閾值檢測 (TPS3840)：使用電壓監(jiān)控器作為比較器（通過 3 引腳配置，無外部電源）的自供電閾值檢測器。
極低靜態(tài)電流 (<700nA) 架構(gòu)，具有 1.6V–4.9V（0.1V 階躍）的設(shè)定閾值范圍；用戶可控響應(yīng)時(shí)間（通過外部電容器可控制在 80µs 至 600ms）的快速上電（啟動(dòng)延遲 <250µs）。
電源監(jiān)控和定序復(fù)位 (TPS3840)：可用于多軌復(fù)位監(jiān)控和啟動(dòng)定序。
提供低電平有效和高電平有效配置，閾值范圍為 1.6V–4.9V，TD 范圍為 80µs–600ms。
看門狗計(jì)時(shí)器 (TPS3431)：用戶可調(diào)計(jì)時(shí)器，帶使能引腳和寬輸入范圍。
適用于看門狗功能的低電流消耗（最高 20µA）以及用戶可使用外部電阻器和電容器配置超時(shí)功能。
該參考設(shè)計(jì)著重介紹了低功耗復(fù)位IC和看門狗定時(shí)器的通用用例。 TPS3840器件的電流消耗小于1µA，可以配置為用作比較器（具有簡單的3引腳配置），也可以用作通用電源監(jiān)控器，并可以菊花鏈方式連接成序列器。 另外，可以使用外部電容器配置響應(yīng)和延遲時(shí)間。 對(duì)于需要看門狗操作的應(yīng)用，可以使用TPS3431器件，它是具有±2.5％精度（典型值）的獨(dú)立可編程看門狗定時(shí)器。
該參考設(shè)計(jì)中的電壓監(jiān)控器滿足三個(gè)關(guān)鍵規(guī)格：
快速上電和可編程響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)電壓監(jiān)控器從零輸入電壓上升到跳變點(diǎn)或閾值電壓以上時(shí)，均需要一定的時(shí)間才能啟動(dòng)并做出反應(yīng)。斷路器需要快速檢測泄漏電流水平，并具有根據(jù)泄漏水平和持續(xù)時(shí)間配置跳閘響應(yīng)時(shí)間的靈活性，以避免由瞬變引起的誤跳閘。TPS3840的啟動(dòng)時(shí)間為200 µs，可以快速響應(yīng)。
超低輸入電流。在圖1中，監(jiān)控器IC的電源引腳（VDD）與輸入信號(hào)監(jiān)視引腳（SENSE）一致。由于它是由輸入信號(hào)供電的，因此電壓監(jiān)控器應(yīng)具有高輸入阻抗，以最大程度地減小分壓器（IDIV）上的誤差（IIN）。 TPS3840電壓監(jiān)控器消耗超低電流，典型IQ為350 nA，
低VPOR可實(shí)現(xiàn)低VOL。 VPOR是受控輸出狀態(tài)所需的最小輸入電壓。當(dāng)VIN
使用電壓監(jiān)控器作為微控制器的監(jiān)控器
圖2介紹了空氣斷路器（ACB）和塑殼斷路器（MCCB）參考設(shè)計(jì)的框圖，這些斷路器要求微控制器可以檢測過電流和接地電流故障。低IQ電壓監(jiān)控器（例如LM8364或TPS3840）可以監(jiān)控電源軌。與LM8364相比，TPS3840具有更寬的工作溫度范圍和更低的IQ。
如果電壓監(jiān)控器集成在微控制器中，則建議使用外部看門狗定時(shí)器。外部看門狗通過定期檢測微控制器的通用輸入/輸出引腳發(fā)送的脈沖，可確保微控制器不會(huì)閂鎖。如果軟件出現(xiàn)故障并錯(cuò)過脈沖，則外部看門狗定時(shí)器可以將微控制器復(fù)位。
TPS3430可編程看門狗定時(shí)器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗峁┝丝删幊炭撮T狗，負(fù)責(zé)監(jiān)控超時(shí)和復(fù)位延時(shí)，可以滿足任何微控制器的時(shí)序要求。如果需要更高的可靠性，則應(yīng)同時(shí)使用電壓監(jiān)控器和看門狗，TPS3823集成的看門狗和電壓監(jiān)控器是一個(gè)很好的選擇，提供固定的閾值和看門狗超時(shí)選項(xiàng)。
圖2：面向斷路器應(yīng)用的信號(hào)處理子系統(tǒng)和基于電流輸入的自供電 (ACB/MCCB)
電壓監(jiān)控器不僅可以監(jiān)視微控制器的電壓供應(yīng)以確保正常運(yùn)行，而且還可以用作泄漏電流檢測器，從而有助于增強(qiáng)您的斷路器設(shè)計(jì)。
參考設(shè)計(jì)針對(duì)斷路器中用到的電子跳閘單元(ETU)使用信號(hào)處理前端和自供電模塊。此設(shè)計(jì)使用基于FRAM的微控制器處理來自信號(hào)調(diào)節(jié)放大器的電流輸入，從而獲得三相中性接地電流。兩個(gè)增益用于擴(kuò)大相電流測量范圍。
此參考設(shè)計(jì)還可使用整流電流輸入來進(jìn)行自供電。TIDA-00498旨在實(shí)現(xiàn)寬廣電流和溫度范圍內(nèi)的快速重復(fù)跳閘（30mS內(nèi)）。
特性
測量輸入范圍為（0.2至12 INOMINAL）的三個(gè)電流（相）以及輸入范圍為（0.05至2 INOMINAL）的兩個(gè)電流（中性、接地），精度為±3%。
使用TI的MSP430 FRAM MCU進(jìn)行快速啟動(dòng)，包括單個(gè)周期RMS補(bǔ)償在內(nèi)的啟動(dòng)時(shí)間小于30ms。
欠壓檢測提供大約200μs的上電后復(fù)位時(shí)間。
自供電電源（基于整流電流輸入），具有基于MOSFET的分流調(diào)控。
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