專利名稱：一種a型漏電保護(hù)器的專用集成電路芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低壓電氣技術(shù)領(lǐng)域和集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種A型漏電保護(hù) 器的專用集成電路芯片。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平有了很大提高，使用的家用電器越來 越多，也越來越復(fù)雜，特別是變頻設(shè)備、直流設(shè)備的大量使用，使得電氣線路中時(shí)常出現(xiàn) 非正弦交流剩余電流，而對于傳統(tǒng)的AC型漏電保護(hù)器只能對突然施加或緩慢上升的剩 余正弦交流電流確保脫扣，對此類非正弦交流剩余電流卻反應(yīng)遲鈍，甚至發(fā)生漏電保護(hù) 器拒動情況，因此普通的AC型剩余電流保護(hù)器已不能滿足要求。根據(jù)GB16916. 1-2003、 GB16917. 1-2003等規(guī)定對無論突然施加或緩慢上升的具有規(guī)定的剩余脈動直流或剩余 正弦交流電流能確保脫扣的漏電保護(hù)器稱為A型漏電保護(hù)器。由上述可知，A型漏電保護(hù)器 包含了 AC型漏電保護(hù)器的功能，適用性、可靠性、安全性更高，因此大力推廣A型漏電保護(hù) 器勢在必行。但是，現(xiàn)今國內(nèi)市場上，并沒有一款成熟的A型漏電保護(hù)器專用控制芯片，而 且大多數(shù)的A型漏電保護(hù)器抗干擾能力弱，誤動作多，耐用性差，因此發(fā)明一種簡單，實(shí)用， 可靠的A型漏電保護(hù)器專用芯片十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種A型漏電保護(hù)器的專用集成電 路芯片。該芯片具有成本低、功耗小、抗擾能力強(qiáng)、動作值精確等特點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種A型漏電保護(hù)器的專用集成電 路芯片，它由32倍比例運(yùn)算放大器、閾值比較模塊、連續(xù)性判斷模塊、信號類型判別模塊和 30ms延時(shí)模塊依次串聯(lián)組成。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的A型漏電保護(hù)器的專用集成電路芯片采用0. 5um、 標(biāo)準(zhǔn)5V CMOS數(shù)?；旌瞎に囋O(shè)計(jì)，芯片面積小，工作功耗低；芯片對輸入的漏電信號進(jìn)行正 負(fù)脈沖的比較，動作值精確，而且具有對輸入信號的有效性進(jìn)行辨識的功能，對信號的連續(xù) 性和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了判定，同時(shí)增加了合理的延時(shí)電路，有效地將許多干擾屏蔽掉，提高了 芯片的抗干擾能力；采用數(shù)字延時(shí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RC延時(shí)方式，在無需外圍元件的條件下獲得 高精度的延時(shí)。


圖1是A型漏電保護(hù)器的各脫扣電流波形示意圖。圖2是本發(fā)明芯片對信號處理的流程圖。圖3中，(a)是32倍比例運(yùn)算放大器模塊電路原理圖；(b)是運(yùn)算放大器A電路 圖。圖4是閾值比較模塊電路原理圖；其中，(a)是以NMOS管作為輸入管兩級開環(huán)比較器電路原理圖，(b)是以PMOS管作為輸入管兩級開環(huán)比較器電路原理圖。圖5是連續(xù)性判斷模塊電路原理圖。圖6是信號類型判別模塊電路原理圖。圖7是30ms延時(shí)模塊電路原理圖。圖8是本發(fā)明芯片的一個(gè)應(yīng)用電路實(shí)例圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB16916. 1-2003、GB16917. 1-2003的相關(guān)規(guī)定，剩余 脈動直流共分為7種情況電流滯后角分別取士0度、士90度、士 135度及電流滯后角0度 疊加6mA平滑直流電，各種情況的信號波形見圖1。以此相對的，A型漏電保護(hù)器的脫扣電 流范圍如表1所示
滯后角0.脫扣電流(A)上限下限0。0. 351-1. 或 21—±90°0. 25ΙΔ 1. 41厶《或 21^±135°0. ΙΙΙΔ 1.仏^或21^0°疊加6mA平滑直 流電--L 4I&+6mA 或 2Ι μ+6ΙΓΑ
如表1所示，A型漏電保護(hù)器在各情況下的動作電流范圍有一公共交集0. 51 Δη- ΙΔη， 因此可將芯片動作電流閾值設(shè)定為0. 7ΙΔη即20mA左右。為了方便信號幅值與基準(zhǔn)幅值的 比較，通過外部采樣電阻將漏電電流信號轉(zhuǎn)換為漏電電壓信號作為芯片的輸入。適當(dāng)?shù)倪x 取合適的采樣電阻阻值，可以將20mA漏電電流閾值轉(zhuǎn)換為12. 5mV的漏電電壓閾值。本控 制芯片是針對電流型A型漏電保護(hù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)的。電流型A型漏電保護(hù)器通過零序電流互 感器磁環(huán)監(jiān)測在電源端產(chǎn)生的漏電流的大小。如果存在漏電流的話，在零序電流互感器磁 環(huán)內(nèi)將產(chǎn)生磁通。二級線圈將磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電壓傳送給控制芯片，控制芯片根據(jù)漏電信 號的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間來控制電網(wǎng)開關(guān)的相應(yīng)動作。如圖2所示，本發(fā)明A型漏電保護(hù)器的專用集成電路芯片主要由32倍比例運(yùn)算放 大器、閾值比較模塊、連續(xù)性判斷模塊、信號類型判別模塊和30ms延時(shí)模塊依次串聯(lián)組成 的。具體的工作過程如下所述。首先將輸入的漏電電壓信號通過32倍比例運(yùn)算放大器將信號幅值放大32倍，同 時(shí)疊加一 2. 4 V直流電平。將經(jīng)過放大處理后的漏電信號送入閾值比較模塊，分別進(jìn)行漏 電信號正負(fù)半軸幅值比較，如果信號幅值大于基準(zhǔn)電壓，則輸出周期為20ms的方波信號， 否則輸出Ov電平。通過連續(xù)性判讀模塊對閾值比較模塊輸出的漏電信號正半軸幅值比較 結(jié)果和負(fù)半軸幅值比較結(jié)果兩路信號分別進(jìn)行連續(xù)性判斷。如果信號存在下降沿，并在一 個(gè)下降沿后的20毫秒內(nèi)出現(xiàn)另一個(gè)上升沿，則步驟2輸出的信號是一個(gè)連續(xù)的方波信號， 這說明輸入芯片的漏電信號是一個(gè)連續(xù)的有效漏電信號，則連續(xù)性判讀模塊輸出從閾值比 較模塊輸出的方波信號的第一個(gè)上升沿時(shí)刻起，輸出持續(xù)的高電平信號；如果閾值比較模塊輸出的信號存在下降沿，但是在一個(gè)下降沿后的20毫秒內(nèi)沒有出現(xiàn)另一個(gè)上升沿，則說 明輸入芯片的信號為一短時(shí)瞬間干擾或雷電干擾，則連續(xù)性判讀模塊輸出變成低電平輸 出。而后對連續(xù)性判讀模塊輸出信號進(jìn)行漏電信號類型判別，以此區(qū)分正弦波漏電信號和 脈動直流漏電信號。最后對信號類型判別模塊輸出的信號進(jìn)行30ms延時(shí)。對輸出的高電 平進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)輸出的高電平持續(xù)的時(shí)間達(dá)到預(yù)先設(shè)定的30ms閾值時(shí)，芯片輸出一個(gè)高電 平信號，控制外圍元件將整個(gè)供電電路切斷。以上處理流程是通過圖2所示的半導(dǎo)體集成電路芯片中的5個(gè)功能模塊來實(shí)現(xiàn) 的。下面根據(jù)附圖3 7詳細(xì)說明這5個(gè)模塊。1、32倍比例運(yùn)算放大器。該模塊通過一個(gè)常見的比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)的(如附圖3 所示)，其輸入端采用差分輸入方式，比例電阻Rl :R2=1:32，用于確定放大倍數(shù)，R3、R4為對 稱電阻，用于平衡運(yùn)算放大器同向輸入端和反向輸入端的輸入電阻，芯片內(nèi)部產(chǎn)生2. 4V共 模電平加在運(yùn)算放大器的同向輸入端。圖中運(yùn)算放大器A為低頻放大器，用于放大50Hz 的交流信號，對帶寬無高要求，出于對芯片面積及芯片功能的折衷，電路沒有采用軌到軌 (rail-to-rail)的輸入級，而是采用折疊式的PMOS差分輸入對，信號的共模輸入范圍仍然 得到了保證，而輸出信號幅度有可能較大，因此輸出級采用了共源級結(jié)構(gòu)，會有比較大的輸 出擺幅，由于輸出級采用AB類結(jié)構(gòu)，因此輸出級有較小的消耗電流及較大的驅(qū)動能力，這 個(gè)運(yùn)放整體結(jié)構(gòu)緊湊，非常適合在芯片內(nèi)部使用。此模塊實(shí)現(xiàn)了將輸入的漏電信號幅值放 大32倍，同時(shí)疊加一 2. 4V的直流電平，同時(shí)由于運(yùn)算放大器的輸入端采用了差分輸入形 式，增強(qiáng)了其對共模干擾信號的抑制能力，提高了電路的抗干擾能力。2、閾值比較模塊。此模塊分為兩個(gè)部分正脈沖比較器和負(fù)脈沖比較器。正脈沖 比較器是一個(gè)以NMOS管作為輸入管兩級開環(huán)比較器(如附圖如)，用于比較信號正半軸幅 值；負(fù)脈沖比較器是一個(gè)以PMOS管作為輸入管兩級開環(huán)比較器(如附圖4b )，用于比較信號 負(fù)半軸幅值。對于正脈沖比較器來說，一旦輸入信號幅值大于設(shè)定閾值，則輸出高電平，直 至輸入信號幅值回落至小于閾值，高電平消失，變?yōu)榈碗娖?；而?fù)脈沖比較器正好相反，一 旦輸入信號幅值小于設(shè)定閾值，則輸出高電平，直至輸入信號幅值上升至大于閾值，高電平 消失，變?yōu)榈碗娖?。本發(fā)明芯片設(shè)定的剩余電流動作值為12. 5mV，那么經(jīng)過步驟1之后，該動作值變 為士 12. 5mVX32+2. 4V，即2. 8V (正半軸)和2V (負(fù)半軸)，因此閾值比較模塊中正脈沖比較 器的閾值為2. 8V，負(fù)脈沖比較器的閾值為2V。3、連續(xù)性判斷模塊。如圖5所示，當(dāng)此模塊檢測到閾值比較模塊輸出的信號存在 上升沿時(shí)，這說明了電網(wǎng)中可能存在漏電，進(jìn)入連續(xù)性判斷模塊，當(dāng)電網(wǎng)中存在漏電時(shí)，步 驟2輸出的信號是頻率50Hz左右的連續(xù)性方波信號，因此，在一個(gè)下降沿出現(xiàn)后的20毫秒 內(nèi)一定會出現(xiàn)另一個(gè)上升沿，此模塊的輸出保持高電平不變。如果電網(wǎng)中只是出現(xiàn)了短時(shí) 尖峰干擾，那么經(jīng)過閾值比較模塊處理過的信號在某個(gè)下降沿后不會再有方波信號輸入， 因此在這個(gè)下降沿出現(xiàn)后的20毫秒內(nèi)不會出現(xiàn)另一個(gè)上升沿，導(dǎo)致此模塊的輸出變成低 電平，這樣就比較有效過濾了電網(wǎng)中的瞬態(tài)尖峰干擾，大大降低了漏電保護(hù)器發(fā)生誤動作 的概率。如果步驟2輸出的信號是持續(xù)的低電平，則說明電網(wǎng)一切正常的，此模塊輸出信號 也是持續(xù)的低電平。連續(xù)性判斷模塊屬于數(shù)字電路部分，該模塊通過D觸發(fā)器和相應(yīng)的數(shù) 字邏輯電路通過相應(yīng)的連接實(shí)現(xiàn)，具體電路原理圖見附圖54、信號類型判別模塊。如圖6所示，該模塊是通過幾個(gè)簡單的數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)，具體 電路見附圖6。其主要目的是為了區(qū)分正弦波漏電信號和脈動直流漏電信號，以此進(jìn)一步保 證漏電保護(hù)器剩余電流動作電流值的精確性。5、30ms延時(shí)模塊。如圖7所示，由于連續(xù)性判斷模塊的實(shí)現(xiàn)需要有20ms以上的 時(shí)間，因此為了配合連續(xù)性判斷模塊的實(shí)現(xiàn)，此模塊的延時(shí)時(shí)間必須大于或等于20ms。同 時(shí)，又因?yàn)樵诶子晏鞖鈺r(shí)，雷擊往往會在電網(wǎng)中產(chǎn)生一個(gè)幅度較大，并且持續(xù)時(shí)間最長為半 個(gè)工頻周期即IOms的雷電干擾信號，即稱為“10ms半波漏電干擾信號”。為了躲避這個(gè)雷 電干擾，因此此模塊在延時(shí)20ms的基礎(chǔ)上又增加了 IOms的延時(shí)時(shí)間。30ms延時(shí)模塊也是 通過D觸發(fā)器和相應(yīng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)的，具體電路見附圖7。該模塊主要是由5個(gè)D 觸發(fā)器構(gòu)成的，該D觸發(fā)器的功能是擁有D、CLK、R三個(gè)輸入端和Q和Qbar輸出端口，當(dāng) CLK端口輸入下降沿信號時(shí)，將此時(shí)刻D端口的數(shù)據(jù)傳至Q端口，其余時(shí)間Q端口數(shù)值保存 不變；無論何時(shí)一旦R端口有低電平信號，Q端口輸出為低電平，Qbar端口是對Q端口取反 得到。這4個(gè)D觸發(fā)器的Qbar端都接回了輸入端D，那么CLK端口輸入一個(gè)下降延，Q端的 輸出就會翻轉(zhuǎn)一次，由于第一個(gè)D觸發(fā)器使用了 IkHz的時(shí)鐘，所以5個(gè)D觸發(fā)器的延時(shí)時(shí) 間分別為Ims、2ms,4ms,8ms和16ms，為了實(shí)現(xiàn)30ms延時(shí)，則通過與門邏輯同時(shí)配合上升 沿觸發(fā)低電平清零的D觸發(fā)器將aiis、^is、8ms、16ms這3個(gè)延時(shí)時(shí)間合并起來。本發(fā)明芯片通過32倍運(yùn)算放大器、閾值比較模塊、連續(xù)性判斷模塊、信號類型判 別模塊和延時(shí)模塊等幾個(gè)主要模塊實(shí)現(xiàn)了對A型漏電保護(hù)器的控制，既能響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)載電 路中的交流剩余電流，又能響應(yīng)脈動直流剩余電流，其各項(xiàng)動作電壓值均符合相關(guān)國家標(biāo) 準(zhǔn)中對A型漏電保護(hù)器的相關(guān)規(guī)定，同時(shí)該芯片還實(shí)現(xiàn)了對信號進(jìn)行了連續(xù)性判斷，并通 過合理的延時(shí)，過濾了電網(wǎng)的瞬時(shí)干擾和雷電干擾，大大增強(qiáng)了 A型漏電保護(hù)器運(yùn)行的安 全性和可靠性。同時(shí)，本芯片只需配備少量的外圍元器件就能構(gòu)成完整的漏電保護(hù)器，而且 其外圍應(yīng)用電路和常見的AC型漏電保護(hù)器相差很小，方便推廣和應(yīng)用。圖8是本發(fā)明芯片的一個(gè)應(yīng)用電路實(shí)例圖，基本結(jié)構(gòu)和AC型漏電保護(hù)器應(yīng)用電 路大致相同，通過互感線圈感應(yīng)電網(wǎng)中的漏電信號，送入芯片進(jìn)行處理，而后芯片發(fā)出跳閘 信號控制可控硅導(dǎo)通，進(jìn)而拉動脫扣線圈斷開電網(wǎng)開關(guān)。
權(quán)利要求
1. 一種A型漏電保護(hù)器的專用集成電路芯片，其特征在于，它主要由32倍比例運(yùn)算放 大器、閾值比較模塊、連續(xù)性判斷模塊、信號類型判別模塊和30ms延時(shí)模塊等依次串聯(lián)組 成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種A型漏電保護(hù)器的專用集成電路芯片，它由32倍比例運(yùn)算放大器、閾值比較模塊、連續(xù)性判斷模塊、信號類型判別模塊和30ms延時(shí)模塊依次串聯(lián)組成，該芯片具有成本低、功耗小、抗擾能力強(qiáng)、動作值精確等特點(diǎn)。
文檔編號H02H3/32GK102130440SQ20111006844
公開日2011年7月20日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者丁晨, 范鎮(zhèn)淇, 謝華躍, 郭行干, 韓雁 申請人:杭州華杭電子電器有限公司, 浙江大學(xué)