【導讀】當建立到地面的備用路徑時，剩余電流動作保護器（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，它們在保護人員和設備方面發(fā)揮著重要作用。
當建立到地面的備用路徑時，剩余電流動作保護器（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，它們在保護人員和設備方面發(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
當故障設備或觸電時，會發(fā)生漏電流，RCD的目的就是為了用于響應5 mA-500mA的電流。如國際電工委員會TS60479-1標準中所述，在50 mA 200ms時間內，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定閾值，則斷路器跳閘，中斷并隔離電源。RCD設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動螺線管繼電器的準確性和響應時間。
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換為電壓，然后由TPS3840檢測。 TPS3840集成了精確的基準電壓帶隙和電壓比較器。觸發(fā)點在出廠時通過一次性非易失性存儲器（OTP）進行了編程，電壓閾值可在1.6 V至4.9 V范圍內設置，典型精度為1％。
當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響應時間，以根據(jù)泄漏電流的大小來滿足變化的RCD響應時間。
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)控器參考設計
該參考設計重點介紹了低功耗復位 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，響應和延遲時間可通過外部電容器進行配置。對于需要運行看門狗的應用，可以使用 TPS3431 器件，它是一個精度為 ±2.5%（典型值）的獨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，具有 1.6V–4.9V（0.1V 階躍）的設定閾值范圍；用戶可控響應時間（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)控和定序復位 (TPS3840)：可用于多軌復位監(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 20µA）以及用戶可使用外部電阻器和電容器配置超時功能。
該參考設計著重介紹了低功耗復位IC和看門狗定時器的通用用例。 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和延遲時間。 對于需要看門狗操作的應用，可以使用TPS3431器件，它是具有±2.5％精度（典型值）的獨立可編程看門狗定時器。
該參考設計中的電壓監(jiān)控器滿足三個關鍵規(guī)格：
快速上電和可編程響應時間。當電壓監(jiān)控器從零輸入電壓上升到跳變點或閾值電壓以上時，均需要一定的時間才能啟動并做出反應。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200 µs，可以快速響應。
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）參考設計的框圖，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，負責監(jiān)控超時和復位延時，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。
圖2：面向斷路器應用的信號處理子系統(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以確保正常運行，而且還可以用作泄漏電流檢測器，從而有助于增強您的斷路器設計。
參考設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。此設計使用基于FRAM的微控制器處理來自信號調節(jié)放大器的電流輸入，從而獲得三相中性接地電流。兩個增益用于擴大相電流測量范圍。
此參考設計還可使用整流電流輸入來進行自供電。TIDA-00498旨在實現(xiàn)寬廣電流和溫度范圍內的快速重復跳閘（30mS內）。
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進行快速啟動，包括單個周期RMS補償在內的啟動時間小于30ms。
欠壓檢測提供大約200μs的上電后復位時間。
自供電電源（基于整流電流輸入），具有基于MOSFET的分流調控。
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