摘 要： 具體分析電網(wǎng)上的一種常見干擾信號——雷電干擾信號及RCCB現(xiàn)行國標在相關方面的不足；提出并引入了一項特殊技術——10 ms不驅動時間，以避開電網(wǎng)上特殊信號的干擾，減少誤動作。將這項帶延時保護功能的抗干擾技術與其他抗干擾技術集成進一塊具有完全自主知識產(chǎn)權的漏電保護專用芯片中。實測結果證實，此芯片具有進口芯片及其國產(chǎn)仿制芯片所不具有的優(yōu)良抗干擾能力。
關鍵詞： 漏電保護器；抗干擾；延時保護；專用集成電路芯片
漏電保護器(RCCB)已被廣泛地用于防止人體觸電傷亡。然而，由于低壓電網(wǎng)上存在著許多干擾信號，這些干擾信號會意外地觸發(fā)漏電保護器，因而會發(fā)生“誤動作”現(xiàn)象?，F(xiàn)有漏電保護器均采用進口芯片(例如M54123)或國內仿制進口的芯片，該類芯片未考慮抗干擾設計，所以誤動作頻繁，嚴重降低了漏電保護器的實際安裝投運率。也由此產(chǎn)生了增加漏電保護器抗干擾能力的強烈需求。本文首先分析了電網(wǎng)中若干種干擾信號中的雷電干擾信號，然后指出漏電保護器有關現(xiàn)行國家標準中的不足。在此基礎上，提出了一種能夠躲避雷電干擾的新方法。最后將這種新方法設計在一款具有自主知識產(chǎn)權的漏電保護專用芯片中，并在0.6 ?滋m CMOS工藝上制作成功。
1 雷擊干擾信號分析
電網(wǎng)上充斥著各種各樣的干擾信號，其中一種是由雷擊引起的，這種干擾信號最有可能導致漏電保護器的誤動作。
在低壓配電網(wǎng)絡中，普遍都安裝了避雷器以避免雷擊感應電壓對電網(wǎng)的損害。當雷電擊中配電線一定距離外的地面時，會在配電線中感應出一個幅值為幾千伏甚至幾十千伏，持續(xù)時間約為幾十微秒的浪涌電壓[1]，這個電壓會使避雷器動作，形成從相線通過避雷器到地的電流泄放通路(如圖1所示)。該通路將雷電感應出的浪涌電壓的能量轉移到大地。避雷器一旦開啟，避雷器通路即為低阻狀態(tài)，而相線上是幅度為220 V的工頻電壓，因此相線也會通過避雷器通路泄放電流，這種現(xiàn)象稱為工頻續(xù)流。只有當工頻電壓的相位過零時，避雷器中的電弧才會斷開，避雷器恢復高阻狀態(tài)，整個避雷器的泄放過程宣告結束。在配電線路中，從相線直接到地的電流被定義為漏電流（剩余電流）。因此，上述避雷器的泄放過程亦即為漏電流的產(chǎn)生過程，此漏電流信號的幅度較大，并且持續(xù)時間最長為半個工頻周期，即10 ms，故稱此類干擾信號為“10 ms半波漏電干擾信號”。
2 現(xiàn)行國家標準的不足
國家標準的制定規(guī)范了漏電保護器的產(chǎn)品市場。我國的漏電保護器國家標準GB16916.1等同于IEC61008.1(家用和類似用途的不帶過電流保護的漏電保護器(RCCB)第1部分：一般規(guī)則)。GB16916將家用及類似用途的剩余電流斷路器也分成了兩種類型：一種稱為一般型，用作直接接觸保護；另一種稱為S型，用作間接接觸保護。漏電流與保護器分斷時間的關系如表1所示[2]。
在表1中，一般型和S型保護都有最大分斷時間，但是只有S型保護才有最小不驅動時間。所以，在目前直接接觸式漏電保護器市場中，大量使用的漏電保護器芯片是M54123。當剩余電流到達IΔn，它在0.006 s后斷開電路，在這塊芯片中不存在不驅動時間。然而，正是由于這個過于靈敏的反應機制，使得當電網(wǎng)中出現(xiàn)諸如前面一節(jié)分析的雷電和其他各種干擾信號時，使用M54123芯片的漏電保護器就會因誤判而發(fā)生誤動作，頻繁跳閘以致被稱為“搗蛋器”，影響了其在國內市場的實際應用。
為此本文為國提出一種改進方案，這就是在直接接觸漏電保護器中加入至少10 ms(0.01 s)的不驅動時間。這個方案將會大大減少誤動作頻度，提高RCCB的實際投運率，在關鍵時刻不會因RCCB的實際缺位而發(fā)生人身傷亡事故。
這種新的漏電保護器芯片分斷時間和不驅動時間如表2所示。
表2中的最大分斷時間只定義了漏電保護器芯片的跳閘時間，由于機械延時，總的跳閘時間比表2中的長0.02 s 左右。
3 芯片的設計
這款新型的漏電保護器芯片包括兩個主要的功能部分：剩余電流保護和過壓保護，其模塊框圖如圖2所示。
由圖2可知，此芯片是一個典型的混合信號系統(tǒng)，它包括數(shù)字部分和模擬部分。模擬部分的主要功能是為整塊芯片提供穩(wěn)定的工作環(huán)境并且對剩余電流信號進行預處理。數(shù)字部分的主要功能是通過一些數(shù)字處理方法智能化地去除剩余電流信號中的干擾信號。
當一個剩余電流信號輸入時，它首先被送進低通濾波器去除高頻干擾，然后這個剩余電流信號被放大并與一些內部參考電壓進行比較，比較輸出信號被送到數(shù)字電路部分。在數(shù)字電路部分，通過對信號連續(xù)性的判斷和對信號脈寬的判斷來甄別輸入信號是否是一個其他性質的干擾信號（即非雷電感應的干擾信號），以避免產(chǎn)生誤動作[5][6]。電流驅動模塊保證足夠的電流來觸發(fā)外部的SCR以切斷電源。電路的Cadence仿真結果如圖3所示。
專門針對感應雷干擾信號的10 ms不驅動時間實現(xiàn)的原理如下：當剩余電流超過5IΔn(工頻續(xù)流電流值一般會較大)，芯片開啟10 ms定時器，當10 ms定時器倒計時到0時，如果漏電保護器芯片沒再感應到剩余電流信號的存在，就意味著此漏電保護器感應到的剩余電流信號是一個持續(xù)時間不超過10 ms的干擾信號。如果當10 ms定時器倒計時到0時，漏電保護器仍然感應到存在剩余電流信號，就意味著這個信號確實是一個剩余電流，此時芯片將立即反應，切斷電源。10 ms不驅動電路的仿真結果如圖4所示。
4 芯片測試結果
本芯片采用0.6 μm CMOS工藝流片。包括輸入輸出PAD和內核，總的芯片面積是2.4 mm2，芯片總電流是400 μA，由于電源電壓是5 V，因此功耗是2 mW。
剩余電流保護的功能測試結果如圖5所示，曲線1是漏電保護器感知的剩余電流信號，曲線2是觸發(fā)SCR的輸出驅動信號，曲線1與曲線2的間隔是延時時間T=0.3 s，此芯片工作在S型。
圖6是10 ms不驅動時間功能的測試結果，曲線2是超過5IΔn的剩余電流信號，如果此信號只持續(xù)一個半波周期，則輸出信號保持低電平。如果剩余電流信號持續(xù)時間較長，在檢測到第二個半波剩余電流信號后，輸出跳閘信號。
本文討論的漏電保護器芯片運用了多種技術來減少誤動作的發(fā)生。這些技術都是基于對電網(wǎng)尤其是中國電網(wǎng)干擾信號較嚴重狀況的分析，利用數(shù)字電路技術，將智能判斷和精確延時功能引入漏電保護器專用芯片中實現(xiàn)的。此芯片具有完全自主知識產(chǎn)權。測試結果表明，此漏電保護器芯片能夠很好地躲避干擾信號，有效地降低誤動作率，并且符合國家標準，推廣之后將具有重大的社會經(jīng)濟效益。
參考文獻
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[2] GB16916-2003.Residual current operated circuit-breakers without integral over-current protection for household and similar Uses(RCCB′s);Part 1：general rules.
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[4] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits. The McGraw-Hill Companies，2001.
[5] 潘海峰，韓雁.一種智能化漏電保護芯片的設計[J].微電子學，2006(8).
[6] HAN Yan，WANG Ze，YU Hong，et al.A novel multi-functional leakage current protector IC design[J].Chinese Journal of Semiconductor，2005，26(8).