使用电压监控器改善断路器漏电流响应

剩余电流检测器 (RCD) 或剩余电流断路器 (RCCB) 在建立备用接地路径时检测泄漏电流。RCD 通过断开电路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和重复使用。它们在保护人员和设备方面发挥着重要作用。

在这篇文章中，我将回顾 RCD 的漏电流检测和跳闸要求，以及如何将超低功耗电压监控器或复位 IC 用作漏电流检测器。我还将解释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漏电流阈值检测器

当故障设备或人无意接触线路建立备用路径时，会发生泄漏电流，从而形成接地的备用路径。由于长时间暴露于高泄漏电流会对身体造成伤害，因此 RCD 设计为可响应低至 5 mA 的电流，一直到 500 mA。如国际电工委员会TS60479-1标准所述，人体暴露在50mA下200ms会出现肌肉收缩；暴露时间超过 3 秒会增加心室颤动的可能性。

RCD 通过感测有源线路和中性线电流之间的差异来检测漏电流。如果线路电流和零线电流不平衡并且漏电流超过预定阈值，则断路器跳闸，中断和隔离电源。RCD 设备可以分为三个主要阶段。首先是感测阶段，在此期间漏电传感器感测漏电流。在第二阶段，检测电路设置漏电流阈值。在最后的第三阶段，螺线管继电器跳闸打开开关以将泄漏源与泄漏源隔离。

过去，使用机电设备作为检测电路来设置漏电流阈值。现代 RCD 使用集成电路（如电压监控器）来提高检测泄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。在本例中，差动电流互感器或零相电流互感器等漏电传感器由电流源表示。对于电流检测电路，使用电阻分压器将输入电流转换为电压，然后由 TPS3840 检测。TPS3840 集成了一个精确的参考电压带隙和电压比较器。触发点在出厂时由一次性非易失性存储器 (OTP) 精确编程，电压阈值可在 1% 典型精度范围内设置为 1.6 V 至 4.9 V。

当 VDD 引脚上的电压上升到阈值以上时，RESET 引脚拉高以中断微控制器或驱动螺线管继电器。此外，可以使用单个外部电容器延长 RESET 响应时间，以满足基于漏电流幅度的不同 RCD 响应时间。

图 1：漏电流检测器的电压监控器

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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，它需要一定的时间来启动和反应。断路器需要快速检测漏电流水平，并根据漏电流水平和持续时间灵活配置跳闸响应时间，以避免瞬态引起的误跳闸。凭借 200 µs 的启动时间，TPS3840 可以快速响应。

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超低输入电流。在图 1 中，监控器 IC (VDD) 的电源引脚与输入信号监控引脚 (SENSE) 相同。由于它由输入信号供电，电压监控器应具有高输入阻抗，以最大限度地减少分压器 (I DIV )上的误差 (I IN )。TPS3840 电压监控器消耗超低电流，典型 I Q为 350 nA，

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低V OL 的低 V POR。V POR是受控输出状态所需的最小输入电压。当 V IN < V POR 时，输出跟踪输入并可能触发继电器。V POR应尽可能低，以便在继电器的启用电压电平和电压监控器低输出电压电平 (V OL )之间提供一个裕度。TPS3840 推挽式低电平有效版本具有低 V POR和300 mV的 V OL以避免错误复位。

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使用电压监控器作为微控制器电源电压监控

图 2 显示了 ACB 和 MCCB 参考设计的框图，这些断路器需要微控制器来处理捕获的数据以检测过流和接地电流故障。LM8364 或 TPS3840 等低 I Q电压监控器可以监控电源轨。该TPS3840 具有更宽的操作温度范围和较低的I Q比LM8364。

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通用输入/输出引脚发送的脉冲来帮助确保微控制器不会锁存。如果软件出现故障并且错过了一个脉冲，外部看门狗定时器将复位微控制器。

TPS3430 可编程看门狗定时器是一个不错的选择，因为它提供可编程看门狗超时和复位时间延迟，以满足任何微控制器的时序要求。如果需要增强可靠性，则应同时实施电压监控器和看门狗，TPS3823 集成看门狗和电压监控器是一个不错的选择，提供固定阈值和看门狗超时选项。

图 2：用于断路器应用的信号处理子系统和基于电流输入的（ACB/MCCB） 参考设计框图

电压监控器不仅可以监控微控制器的电压供应以确保正常运行，还可以用作漏电流检测器，从而帮助改进我们的断路器设计。