专利名称：一种a型漏电保护器的专用集成电路芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及低压电气技术领域和集成电路设计领域，尤其涉及一种A型漏电保护 器的专用集成电路芯片。
背景技术：
随着国民经济的不断发展，人们的生活水平有了很大提高，使用的家用电器越来 越多，也越来越复杂，特别是变频设备、直流设备的大量使用，使得电气线路中时常出现 非正弦交流剩余电流，而对于传统的AC型漏电保护器只能对突然施加或缓慢上升的剩 余正弦交流电流确保脱扣，对此类非正弦交流剩余电流却反应迟钝，甚至发生漏电保护 器拒动情况，因此普通的AC型剩余电流保护器已不能满足要求。根据GB16916. 1-2003、 GB16917. 1-2003等规定对无论突然施加或缓慢上升的具有规定的剩余脉动直流或剩余 正弦交流电流能确保脱扣的漏电保护器称为A型漏电保护器。由上述可知，A型漏电保护器 包含了 AC型漏电保护器的功能，适用性、可靠性、安全性更高，因此大力推广A型漏电保护 器势在必行。但是，现今国内市场上，并没有一款成熟的A型漏电保护器专用控制芯片，而 且大多数的A型漏电保护器抗干扰能力弱，误动作多，耐用性差，因此发明一种简单，实用， 可靠的A型漏电保护器专用芯片十分必要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种A型漏电保护器的专用集成电 路芯片。该芯片具有成本低、功耗小、抗扰能力强、动作值精确等特点。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种A型漏电保护器的专用集成电 路芯片，它由32倍比例运算放大器、阈值比较模块、连续性判断模块、信号类型判别模块和 30ms延时模块依次串联组成。本发明的有益效果是本发明的A型漏电保护器的专用集成电路芯片采用0. 5um、 标准5V CMOS数模混合工艺设计，芯片面积小，工作功耗低；芯片对输入的漏电信号进行正 负脉冲的比较，动作值精确，而且具有对输入信号的有效性进行辨识的功能，对信号的连续 性和持续时间进行了判定，同时增加了合理的延时电路，有效地将许多干扰屏蔽掉，提高了 芯片的抗干扰能力；采用数字延时代替传统的RC延时方式，在无需外围元件的条件下获得 高精度的延时。
图1是A型漏电保护器的各脱扣电流波形示意图。图2是本发明芯片对信号处理的流程图。图3中，(a)是32倍比例运算放大器模块电路原理图；(b)是运算放大器A电路 图。图4是阈值比较模块电路原理图；其中，(a)是以NMOS管作为输入管两级开环比较器电路原理图，(b)是以PMOS管作为输入管两级开环比较器电路原理图。图5是连续性判断模块电路原理图。图6是信号类型判别模块电路原理图。图7是30ms延时模块电路原理图。图8是本发明芯片的一个应用电路实例图。
具体实施例方式如图1所示，根据国家标准GB16916. 1-2003、GB16917. 1-2003的相关规定，剩余 脉动直流共分为7种情况电流滞后角分别取士0度、士90度、士 135度及电流滞后角0度 叠加6mA平滑直流电，各种情况的信号波形见图1。以此相对的，A型漏电保护器的脱扣电 流范围如表1所示
滞后角0.脱扣电流(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°叠加6mA平滑直 流电--L 4I&+6mA 或 2Ι μ+6ΙΓΑ
如表1所示，A型漏电保护器在各情况下的动作电流范围有一公共交集0. 51 Δη- ΙΔη， 因此可将芯片动作电流阈值设定为0. 7ΙΔη即20mA左右。为了方便信号幅值与基准幅值的 比较，通过外部采样电阻将漏电电流信号转换为漏电电压信号作为芯片的输入。适当的选 取合适的采样电阻阻值，可以将20mA漏电电流阈值转换为12. 5mV的漏电电压阈值。本控 制芯片是针对电流型A型漏电保护器进行设计的。电流型A型漏电保护器通过零序电流互 感器磁环监测在电源端产生的漏电流的大小。如果存在漏电流的话，在零序电流互感器磁 环内将产生磁通。二级线圈将磁通产生的感应电压传送给控制芯片，控制芯片根据漏电信 号的强度和持续时间来控制电网开关的相应动作。如图2所示，本发明A型漏电保护器的专用集成电路芯片主要由32倍比例运算放 大器、阈值比较模块、连续性判断模块、信号类型判别模块和30ms延时模块依次串联组成 的。具体的工作过程如下所述。首先将输入的漏电电压信号通过32倍比例运算放大器将信号幅值放大32倍，同 时叠加一 2. 4 V直流电平。将经过放大处理后的漏电信号送入阈值比较模块，分别进行漏 电信号正负半轴幅值比较，如果信号幅值大于基准电压，则输出周期为20ms的方波信号， 否则输出Ov电平。通过连续性判读模块对阈值比较模块输出的漏电信号正半轴幅值比较 结果和负半轴幅值比较结果两路信号分别进行连续性判断。如果信号存在下降沿，并在一 个下降沿后的20毫秒内出现另一个上升沿，则步骤2输出的信号是一个连续的方波信号， 这说明输入芯片的漏电信号是一个连续的有效漏电信号，则连续性判读模块输出从阈值比 较模块输出的方波信号的第一个上升沿时刻起，输出持续的高电平信号；如果阈值比较模块输出的信号存在下降沿，但是在一个下降沿后的20毫秒内没有出现另一个上升沿，则说 明输入芯片的信号为一短时瞬间干扰或雷电干扰，则连续性判读模块输出变成低电平输 出。而后对连续性判读模块输出信号进行漏电信号类型判别，以此区分正弦波漏电信号和 脉动直流漏电信号。最后对信号类型判别模块输出的信号进行30ms延时。对输出的高电 平进行计时，当输出的高电平持续的时间达到预先设定的30ms阈值时，芯片输出一个高电 平信号，控制外围元件将整个供电电路切断。以上处理流程是通过图2所示的半导体集成电路芯片中的5个功能模块来实现 的。下面根据附图3 7详细说明这5个模块。1、32倍比例运算放大器。该模块通过一个常见的比例运算电路实现的(如附图3 所示)，其输入端采用差分输入方式，比例电阻Rl :R2=1:32，用于确定放大倍数，R3、R4为对 称电阻，用于平衡运算放大器同向输入端和反向输入端的输入电阻，芯片内部产生2. 4V共 模电平加在运算放大器的同向输入端。图中运算放大器A为低频放大器，用于放大50Hz 的交流信号，对带宽无高要求，出于对芯片面积及芯片功能的折衷，电路没有采用轨到轨 (rail-to-rail)的输入级，而是采用折叠式的PMOS差分输入对，信号的共模输入范围仍然 得到了保证，而输出信号幅度有可能较大，因此输出级采用了共源级结构，会有比较大的输 出摆幅，由于输出级采用AB类结构，因此输出级有较小的消耗电流及较大的驱动能力，这 个运放整体结构紧凑，非常适合在芯片内部使用。此模块实现了将输入的漏电信号幅值放 大32倍，同时叠加一 2. 4V的直流电平，同时由于运算放大器的输入端采用了差分输入形 式，增强了其对共模干扰信号的抑制能力，提高了电路的抗干扰能力。2、阈值比较模块。此模块分为两个部分正脉冲比较器和负脉冲比较器。正脉冲 比较器是一个以NMOS管作为输入管两级开环比较器(如附图如)，用于比较信号正半轴幅 值；负脉冲比较器是一个以PMOS管作为输入管两级开环比较器(如附图4b )，用于比较信号 负半轴幅值。对于正脉冲比较器来说，一旦输入信号幅值大于设定阈值，则输出高电平，直 至输入信号幅值回落至小于阈值，高电平消失，变为低电平；而负脉冲比较器正好相反，一 旦输入信号幅值小于设定阈值，则输出高电平，直至输入信号幅值上升至大于阈值，高电平 消失，变为低电平。本发明芯片设定的剩余电流动作值为12. 5mV，那么经过步骤1之后，该动作值变 为士 12. 5mVX32+2. 4V，即2. 8V (正半轴)和2V (负半轴)，因此阈值比较模块中正脉冲比较 器的阈值为2. 8V，负脉冲比较器的阈值为2V。3、连续性判断模块。如图5所示，当此模块检测到阈值比较模块输出的信号存在 上升沿时，这说明了电网中可能存在漏电，进入连续性判断模块，当电网中存在漏电时，步 骤2输出的信号是频率50Hz左右的连续性方波信号，因此，在一个下降沿出现后的20毫秒 内一定会出现另一个上升沿，此模块的输出保持高电平不变。如果电网中只是出现了短时 尖峰干扰，那么经过阈值比较模块处理过的信号在某个下降沿后不会再有方波信号输入， 因此在这个下降沿出现后的20毫秒内不会出现另一个上升沿，导致此模块的输出变成低 电平，这样就比较有效过滤了电网中的瞬态尖峰干扰，大大降低了漏电保护器发生误动作 的概率。如果步骤2输出的信号是持续的低电平，则说明电网一切正常的，此模块输出信号 也是持续的低电平。连续性判断模块属于数字电路部分，该模块通过D触发器和相应的数 字逻辑电路通过相应的连接实现，具体电路原理图见附图54、信号类型判别模块。如图6所示，该模块是通过几个简单的数字逻辑电路实现，具体 电路见附图6。其主要目的是为了区分正弦波漏电信号和脉动直流漏电信号，以此进一步保 证漏电保护器剩余电流动作电流值的精确性。5、30ms延时模块。如图7所示，由于连续性判断模块的实现需要有20ms以上的 时间，因此为了配合连续性判断模块的实现，此模块的延时时间必须大于或等于20ms。同 时，又因为在雷雨天气时，雷击往往会在电网中产生一个幅度较大，并且持续时间最长为半 个工频周期即IOms的雷电干扰信号，即称为“10ms半波漏电干扰信号”。为了躲避这个雷 电干扰，因此此模块在延时20ms的基础上又增加了 IOms的延时时间。30ms延时模块也是 通过D触发器和相应的数字逻辑电路实现的，具体电路见附图7。该模块主要是由5个D 触发器构成的，该D触发器的功能是拥有D、CLK、R三个输入端和Q和Qbar输出端口，当 CLK端口输入下降沿信号时，将此时刻D端口的数据传至Q端口，其余时间Q端口数值保存 不变；无论何时一旦R端口有低电平信号，Q端口输出为低电平，Qbar端口是对Q端口取反 得到。这4个D触发器的Qbar端都接回了输入端D，那么CLK端口输入一个下降延，Q端的 输出就会翻转一次，由于第一个D触发器使用了 IkHz的时钟，所以5个D触发器的延时时 间分别为Ims、2ms,4ms,8ms和16ms，为了实现30ms延时，则通过与门逻辑同时配合上升 沿触发低电平清零的D触发器将aiis、^is、8ms、16ms这3个延时时间合并起来。本发明芯片通过32倍运算放大器、阈值比较模块、连续性判断模块、信号类型判 别模块和延时模块等几个主要模块实现了对A型漏电保护器的控制，既能响应电网负载电 路中的交流剩余电流，又能响应脉动直流剩余电流，其各项动作电压值均符合相关国家标 准中对A型漏电保护器的相关规定，同时该芯片还实现了对信号进行了连续性判断，并通 过合理的延时，过滤了电网的瞬时干扰和雷电干扰，大大增强了 A型漏电保护器运行的安 全性和可靠性。同时，本芯片只需配备少量的外围元器件就能构成完整的漏电保护器，而且 其外围应用电路和常见的AC型漏电保护器相差很小，方便推广和应用。图8是本发明芯片的一个应用电路实例图，基本结构和AC型漏电保护器应用电 路大致相同，通过互感线圈感应电网中的漏电信号，送入芯片进行处理，而后芯片发出跳闸 信号控制可控硅导通，进而拉动脱扣线圈断开电网开关。
权利要求
1. 一种A型漏电保护器的专用集成电路芯片，其特征在于，它主要由32倍比例运算放 大器、阈值比较模块、连续性判断模块、信号类型判别模块和30ms延时模块等依次串联组 成。
全文摘要
本发明公开了一种A型漏电保护器的专用集成电路芯片，它由32倍比例运算放大器、阈值比较模块、连续性判断模块、信号类型判别模块和30ms延时模块依次串联组成，该芯片具有成本低、功耗小、抗扰能力强、动作值精确等特点。
文档编号H02H3/32GK102130440SQ20111006844
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者丁晨, 范镇淇, 谢华跃, 郭行干, 韩雁 申请人:杭州华杭电子电器有限公司, 浙江大学