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低靜態(tài)電流電壓監(jiān)控器在漏電保護(hù)中有何重要作用?

發(fā)布時(shí)間:2020-04-15 責(zé)任編輯:lina

【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(cè)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?cè)诒Wo(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(cè)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?cè)诒Wo(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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)有源線和中性線電流之間的差異來檢測(cè)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(cè)階段,在此期間,泄漏傳感器感測(cè)泄漏電流。在第二階段,檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)。 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。

低靜態(tài)電流電壓監(jiān)控器在漏電保護(hù)中有何重要作用?
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(cè) (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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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)。

低靜態(tài)電流電壓監(jiān)控器在漏電保護(hù)中有何重要作用?
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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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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