2019年10月09日 | 低静态电流电压监控器在漏电保护中的重要作用

当建立到地面的备用路径时，剩余电流动作保护器（RCD）或剩余电流断路器（RCCB）会检测泄漏电流。RCD通过断开电路来将电源与泄漏路径隔离。与保险丝不同，这些类型的断路器可以重置并重新使用，它们在保护人员和设备方面发挥着重要作用。

在本文中，将回顾RCD泄漏电流检测和跳闸的要求，以及如何将超低功耗电压监控器或Reset IC用作泄漏电流检测器。此外还将说明电压监控器如何使中压断路器受益，例如使用微控制器的空气断路器（ACB）和塑壳断路器（MCCB）。

使用电压监控器作为泄漏电流阈值检测器

当故障设备或触电时，会发生漏电流，RCD的目的就是为了用于响应5 mA-500mA的电流。如国际电工委员会TS60479-1标准中所述，在50 mA 200ms时间内，人就会出现肌肉收缩，而暴露时间超过3s将增加心室纤颤的可能性。

RCD通过感测有源线和中性线电流之间的差异来检测泄漏电流。如果线路电流和中性线电流不平衡且泄漏电流超过预定阈值，则断路器跳闸，中断并隔离电源。RCD设备可以分为三个主要阶段。首先是感测阶段，在此期间，泄漏传感器感测泄漏电流。在第二阶段，检测电路设置泄漏电流阈值。第三阶段中，继电器跳闸，以隔离泄漏源。

过去，继电器被用作检测电路来设置泄漏电流阈值。现代RCD使用诸如电压监控器之类的集成电路来提高检测漏电流和驱动螺线管继电器的准确性和响应时间。

图1显示了TI的TPS3840电压监控器如何检测泄漏电流。在该示例中，泄漏传感器（例如差分电流互感器或零相电流互感器）由电流源表示。对于电流检测电路，电阻分压器用于将输入电流转换为电压，然后由TPS3840检测。 TPS3840集成了精确的基准电压带隙和电压比较器。触发点在出厂时通过一次性非易失性存储器（OTP）进行了编程，电压阈值可在1.6 V至4.9 V范围内设置，典型精度为1％。

当VDD引脚上的电压上升到阈值以上时，RESET引脚将拉高以中断微控制器或驱动电磁继电器。此外，还可以使用单个外部电容器来延长RESET响应时间，以根据泄漏电流的大小来满足变化的RCD响应时间。


图1：作为比较器或电源序列发生器使用的毫微功耗、宽输入电压（最高 12V）监控器参考设计

该参考设计重点介绍了低功耗复位 IC 和看门狗计时器的通用用例。TPS3840 器件具有小于 1µA 的电流消耗，其经配置可用作比较器（通过简单的 3 引脚配置），也可用作通用电源监控器，后者可以菊花链方式级联为序列发生器。此外，响应和延迟时间可通过外部电容器进行配置。对于需要运行看门狗的应用，可以使用 TPS3431 器件，它是一个精度为 ±2.5%（典型值）的独立可编程看门狗计时器。

特性

阈值检测 (TPS3840)：使用电压监控器作为比较器（通过 3 引脚配置，无外部电源）的自供电阈值检测器。

极低静态电流 (<700nA) 架构，具有 1.6V–4.9V（0.1V 阶跃）的设定阈值范围；用户可控响应时间（通过外部电容器可控制在 80µs 至 600ms）的快速上电（启动延迟 <250µs）。

电源监控和定序复位 (TPS3840)：可用于多轨复位监控和启动定序。

提供低电平有效和高电平有效配置，阈值范围为 1.6V–4.9V，TD 范围为 80µs–600ms。

看门狗计时器 (TPS3431)：用户可调计时器，带使能引脚和宽输入范围。

适用于看门狗功能的低电流消耗（最高 20µA）以及用户可使用外部电阻器和电容器配置超时功能。

该参考设计着重介绍了低功耗复位IC和看门狗定时器的通用用例。 TPS3840器件的电流消耗小于1µA，可以配置为用作比较器（具有简单的3引脚配置），也可以用作通用电源监控器，并可以菊花链方式连接成序列器。 另外，可以使用外部电容器配置响应和延迟时间。 对于需要看门狗操作的应用，可以使用TPS3431器件，它是具有±2.5％精度（典型值）的独立可编程看门狗定时器。

该参考设计中的电压监控器满足三个关键规格：

快速上电和可编程响应时间。当电压监控器从零输入电压上升到跳变点或阈值电压以上时，均需要一定的时间才能启动并做出反应。断路器需要快速检测泄漏电流水平，并具有根据泄漏水平和持续时间配置跳闸响应时间的灵活性，以避免由瞬变引起的误跳闸。TPS3840的启动时间为200 µs，可以快速响应。

超低输入电流。在图1中，监控器IC的电源引脚（VDD）与输入信号监视引脚（SENSE）一致。由于它是由输入信号供电的，因此电压监控器应具有高输入阻抗，以最大程度地减小分压器（IDIV）上的误差（IIN）。 TPS3840电压监控器消耗超低电流，典型IQ为350 nA，

低VPOR可实现低VOL。 VPOR是受控输出状态所需的最小输入电压。当VIN
使用电压监控器作为微控制器的监控器

图2介绍了空气断路器（ACB）和塑壳断路器（MCCB）参考设计的框图，这些断路器要求微控制器可以检测过电流和接地电流故障。低IQ电压监控器（例如LM8364或TPS3840）可以监控电源轨。与LM8364相比，TPS3840具有更宽的工作温度范围和更低的IQ。

如果电压监控器集成在微控制器中，则建议使用外部看门狗定时器。外部看门狗通过定期检测微控制器的通用输入/输出引脚发送的脉冲，可确保微控制器不会闩锁。如果软件出现故障并错过脉冲，则外部看门狗定时器可以将微控制器复位。

TPS3430可编程看门狗定时器是一个不错的选择，因为它提供了可编程看门狗，负责监控超时和复位延时，可以满足任何微控制器的时序要求。如果需要更高的可靠性，则应同时使用电压监控器和看门狗，TPS3823集成的看门狗和电压监控器是一个很好的选择，提供固定的阈值和看门狗超时选项。

图2：面向断路器应用的信号处理子系统和基于电流输入的自供电 (ACB/MCCB)

电压监控器不仅可以监视微控制器的电压供应以确保正常运行，而且还可以用作泄漏电流检测器，从而有助于增强您的断路器设计。

参考设计针对断路器中用到的电子跳闸单元(ETU)使用信号处理前端和自供电模块。此设计使用基于FRAM的微控制器处理来自信号调节放大器的电流输入，从而获得三相中性接地电流。两个增益用于扩大相电流测量范围。

此参考设计还可使用整流电流输入来进行自供电。TIDA-00498旨在实现宽广电流和温度范围内的快速重复跳闸（30mS内）。

特性

测量输入范围为（0.2至12 INOMINAL）的三个电流（相）以及输入范围为（0.05至2 INOMINAL）的两个电流（中性、接地），精度为±3%。

使用TI的MSP430 FRAM MCU进行快速启动，包括单个周期RMS补偿在内的启动时间小于30ms。

欠压检测提供大约200μs的上电后复位时间。

自供电电源（基于整流电流输入），具有基于MOSFET的分流调控。