剩余電流檢測器 (RCD) 或剩余電流斷路器 (RCCB) 在建立備用接地路徑時檢測泄漏電流。RCD 通過斷開電路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和重復使用。它們在保護人員和設備方面發(fā)揮著重要作用。
在這篇文章中，我將回顧 RCD 的漏電流檢測和跳閘要求，以及如何將超低功耗電壓監(jiān)控器或復位 IC 用作漏電流檢測器。我還將解釋電壓監(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)控器作為漏電流閾值檢測器
當故障設備或人無意接觸線路建立備用路徑時，會發(fā)生泄漏電流，從而形成接地的備用路徑。由于長時間暴露于高泄漏電流會對身體造成傷害，因此 RCD 設計為可響應低至 5 mA 的電流，一直到 500 mA。如國際電工委員會TS60479-1標準所述，人體暴露在50mA下200ms會出現(xiàn)肌肉收縮；暴露時間超過 3 秒會增加心室顫動的可能性。
RCD 通過感測有源線路和中性線電流之間的差異來檢測漏電流。如果線路電流和零線電流不平衡并且漏電流超過預定閾值，則斷路器跳閘，中斷和隔離電源。RCD 設備可以分為三個主要階段。首先是感測階段，在此期間漏電傳感器感測漏電流。在第二階段，檢測電路設置漏電流閾值。在最后的第三階段，螺線管繼電器跳閘打開開關以將泄漏源與泄漏源隔離。
過去，使用機電設備作為檢測電路來設置漏電流閾值。現(xiàn)代 RCD 使用集成電路（如電壓監(jiān)控器）來提高檢測泄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。在本例中，差動電流互感器或零相電流互感器等漏電傳感器由電流源表示。對于電流檢測電路，使用電阻分壓器將輸入電流轉換為電壓，然后由 TPS3840 檢測。TPS3840 集成了一個精確的參考電壓帶隙和電壓比較器。觸發(fā)點在出廠時由一次性非易失性存儲器 (OTP) 精確編程，電壓閾值可在 1% 典型精度范圍內設置為 1.6 V 至 4.9 V。
當 VDD 引腳上的電壓上升到閾值以上時，RESET 引腳拉高以中斷微控制器或驅動螺線管繼電器。此外，可以使用單個外部電容器延長 RESET 響應時間，以滿足基于漏電流幅度的不同 RCD 響應時間。
圖 1：漏電流檢測器的電壓監(jiān)控器
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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，它需要一定的時間來啟動和反應。斷路器需要快速檢測漏電流水平，并根據(jù)漏電流水平和持續(xù)時間靈活配置跳閘響應時間，以避免瞬態(tài)引起的誤跳閘。憑借 200 μs 的啟動時間，TPS3840 可以快速響應。
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超低輸入電流。在圖 1 中，監(jiān)控器 IC (VDD) 的電源引腳與輸入信號監(jiān)控引腳 (SENSE) 相同。由于它由輸入信號供電，電壓監(jiān)控器應具有高輸入阻抗，以最大限度地減少分壓器 (I DIV )上的誤差 (I IN )。TPS3840 電壓監(jiān)控器消耗超低電流，典型 I Q為 350 nA，
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低V OL 的低 V POR。V POR是受控輸出狀態(tài)所需的最小輸入電壓。當 V IN < V POR 時，輸出跟蹤輸入并可能觸發(fā)繼電器。V POR應盡可能低，以便在繼電器的啟用電壓電平和電壓監(jiān)控器低輸出電壓電平 (V OL )之間提供一個裕度。TPS3840 推挽式低電平有效版本具有低 V POR和300 mV的 V OL以避免錯誤復位。
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使用電壓監(jiān)控器作為微控制器電源電壓監(jiān)控
圖 2 顯示了 ACB 和 MCCB 參考設計的框圖，這些斷路器需要微控制器來處理捕獲的數(shù)據(jù)以檢測過流和接地電流故障。LM8364 或 TPS3840 等低 I Q電壓監(jiān)控器可以監(jiān)控電源軌。該TPS3840 具有更寬的操作溫度范圍和較低的I Q比LM8364。
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通用輸入/輸出引腳發(fā)送的脈沖來幫助確保微控制器不會鎖存。如果軟件出現(xiàn)故障并且錯過了一個脈沖，外部看門狗定時器將復位微控制器。
TPS3430 可編程看門狗定時器是一個不錯的選擇，因為它提供可編程看門狗超時和復位時間延遲，以滿足任何微控制器的時序要求。如果需要增強可靠性，則應同時實施電壓監(jiān)控器和看門狗，TPS3823 集成看門狗和電壓監(jiān)控器是一個不錯的選擇，提供固定閾值和看門狗超時選項。
圖 2：用于斷路器應用的信號處理子系統(tǒng)和基于電流輸入的（ACB/MCCB） 參考設計框圖
電壓監(jiān)控器不僅可以監(jiān)控微控制器的電壓供應以確保正常運行，還可以用作漏電流檢測器，從而幫助改進我們的斷路器設計。
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