在電壓監(jiān)控器如何使中壓斷路器進(jìn)行電流檢測

建立到地面的備用路徑時，剩余電流動作保護(hù)器（RCD）或剩余電流斷路器（RCCB）會檢測泄漏電流。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，會發(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 TS60479－1 標(biāo)準(zhǔn)中所述，在 50 mA 200ms 時間內(nèi)，人就會出現(xiàn)肌肉收縮，而暴露時間超過 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?，F(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)動螺線管繼電器的準(zhǔn)確性和響應(yīng)時間。

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)在出廠時通過一次性非易失性存儲器（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，RESET 引腳將拉高以中斷微控制器或驅(qū)動電磁繼電器。此外，還可以使用單個外部電容器來延長 RESET 響應(yīng)時間，以根據(jù)泄漏電流的大小來滿足變化的 RCD 響應(yīng)時間。

該參考設(shè)計重點(diǎn)介紹了低功耗復(fù)位 IC 和看門狗計時器的通用用例。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聯(lián)為序列發(fā)生器。此外，響應(yīng)和延遲時間可通過外部電容器進(jìn)行配置。對于需要運(yùn)行看門狗的應(yīng)用，可以使用 TPS3431 器件，它是一個精度為 ±2．5％（典型值）的獨(dú)立可編程看門狗計時器。

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)時間（通過外部電容器可控制在 80μs 至 600ms）的快速上電（啟動延遲 ＜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。

看門狗計時器 （TPS3431）：用戶可調(diào)計時器，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 20A）以及用戶可使用外部電阻器和電容器配置超時功能。

該參考設(shè)計著重介紹了低功耗復(fù)位 IC 和看門狗定時器的通用用例。 TPS3840 器件的電流消耗小于 1A，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)和延遲時間。 對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器。

該參考設(shè)計中的電壓監(jiān)控器滿足三個關(guān)鍵規(guī)格：

快速上電和可編程響應(yīng)時間。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，均需要一定的時間才能啟動并做出反應(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)時間配置跳閘響應(yīng)時間的靈活性，以避免由瞬變引起的誤跳閘。TPS3840 的啟動時間為 200s，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）與輸入信號監(jiān)視引腳（SENSE）一致。由于它是由輸入信號供電的，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 ＜vpor 時，輸出跟蹤輸入，并可能觸發(fā)繼電器。 vpor 應(yīng)該盡可能低，以在繼電器的使能電壓電平和電壓監(jiān)控器低輸出電壓電平（vol）之間提供裕度。＝＂＂ tps3840 有低電平有效配置，具有低 vpor 和 300＝＂＂ mv 的 vol，以避免錯誤復(fù)位。

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閂鎖。如果軟件出現(xiàn)故障并錯過脈沖，則外部看門狗定時器可以將微控制器復(fù)位。

TPS3430 可編程看門狗定時器是一個不錯的選擇，因為它提供了可編程看門狗，負(fù)責(zé)監(jiān)控超時和復(fù)位延時，可以滿足任何微控制器的時序要求。如果需要更高的可靠性，則應(yīng)同時使用電壓監(jiān)控器和看門狗，TPS3823 集成的看門狗和電壓監(jiān)控器是一個很好的選擇，提供固定的閾值和看門狗超時選項。

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。

參考設(shè)計針對斷路器中用到的電子跳閘單元（ETU）使用信號處理前端和自供電模塊。此設(shè)計使用基于 FRAM 的微控制器處理來自信號調(diào)節(jié)放大器的電流輸入，從而獲得三相中性接地電流。兩個增益用于擴(kuò)大相電流測量范圍。

此參考設(shè)計還可使用整流電流輸入來進(jìn)行自供電。TIDA－00498 旨在實現(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）的三個電流（相）以及輸入范圍為（0．05 至 2 INOMINAL）的兩個電流（中性、接地），精度為±3％。

使用 TI 的 MSP430 FRAM MCU 進(jìn)行快速啟動，包括單個周期 RMS 補(bǔ)償在內(nèi)的啟動時間小于 30ms。

欠壓檢測提供大約 200s 的上電后復(fù)位時間。

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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