CN110531211B - 一种用于交直流漏电检测系统的电路方案 - Google Patents

一种用于交直流漏电检测系统的电路方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于交直流漏电检测系统的电路方案，该电路可以完成直流漏电检测、交流漏电检测、漏电采样链路自检等多种功能。该方案主要包括将外部输入的供电电压转化为漏电检测所需电压的LDO模块；对高频时钟信号进行分频的分频模块；用于驱动MOS管，并控制不同工作模式切换的逻辑控制模块；用于驱动外部漏电检测线圈的MOS管驱动模块；用于感应交直流漏电信号和漏电自检信号的漏电检测线圈；将流过漏电检测线圈的电流信号转化为电压信号的采样电阻；对采样信号进行放大的PGA模块；用于控制PGA放大倍数的增益控制模块；对信号进行数模转换的ADC模块；用于交、直流漏电信号和漏电自检信号处理的DSP模块；用于限制环路电流的限流模块。

Description

一种用于交直流漏电检测系统的电路方案
技术领域
本发明涉及漏电检测保护电路技术领域，主要涉及一种直流漏电检测电路方案、交流漏电检测电路方案、漏电自检电路方案。
背景技术
剩余电流动作保护器(RCD)是一种应用广泛的安全保护设备，用于防止人身触电、电气火灾、电气设备损坏等。按照检测电流的不同类型，RCD可以分为：检测交流的AC型，检测交流及脉动直流的A型，检测交流、脉动直流及平滑直流的B型，检测交流、高频电流、脉动直流及平滑直流的B+型。
目前，国内市场上应用较多的RCD产品，主要是AC型和A型。因为应用场景有限，B型和B+型RCD没有得到很好的发展。近年来，随着电动汽车、变频器、新能源等技术领域的迅速发展，当系统中发生漏电故障时，剩余电流类型越来越复杂，不再是单纯的正弦交流或脉动直流，而出现了平滑直流、高频交流、多频复合波等类型。因此，对于B+型剩余电流检测的研究正变得越发重要。
目前常用的漏电检测技术中，不能做到对从直流到高频kHz交流漏电检测的全覆盖，而且精度和灵敏度比较低，电路结构相对复杂，成本比较高。
采用磁调制的方式进行直流漏电检测时，需使用正负激励方波对漏电检测线圈进行激励，将漏电检测线圈打到双向饱和区，此时的信号可以完整反映磁滞回线的不同区域，通过检测达到饱和安匝数的时间变化，即可检测是否存在直流漏电；采用电磁感应的方式进行交流漏电检测，可以检测从工频到高频kHz的交流漏电信号；通过控制工作状态的切换，可以完成对剩余电流信号的全覆盖检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度，高精度，从直流漏电到高频kHz交流漏电信号全覆盖检测的交、直流漏电检测电路方案。该电路方案能够对直流漏电信号、交流漏电信号和漏电自检信号进行采样和处理。
为达到上述目的，在本发明中提供的交、直流漏电检测的电路方案如图1所示，主要包括：LDO模块、分频模块，逻辑控制模块、MOS管驱动模块、漏电检测线圈、采样电阻、可编程增益放大器(PGA)、增益控制模块、模数转换模块(ADC)、DSP、限流模块等。
LDO模块将外部输入的供电电压转化为漏电检测所需的电压，并隔离电路中其他模块的电源波动对检测电路的影响，提高检测精度；分频模块将高频时钟信号进行分频，以控制激励方波的频率。逻辑控制模块用于驱动MOS管，并控制不同工作模式的切换；MOS管驱动模块用于驱动外部漏电检测线圈；漏电检测线圈用于感应交直流漏电信号和漏电自检信号；采样电阻将流过漏电检测线圈的电流信号转化为电压信号；PGA模块对采样的信号进行放大；增益控制模块用于控制PGA的放大倍数；ADC模块对经过放大后的采样信号进行数模转换；DSP模块为交、直流漏电信号和漏电自检信号处理模块；限流模块用于限制环路的电流。
本发明包含直流漏电检测、交流漏电检测和漏电自检三大功能模块，各功能模块之间大部分电路复用，故电路结构简单。采用一个漏电检测线圈即可实现上述三大功能，应用成本低。
采用磁调制的方式进行直流漏电检测时，需要给漏电检测线圈施加正反两个方向的激励方波，使漏电检测线圈进入双向饱和区，但是由于DSP无法实现正反方波信号的输出，而且DSP的驱动能力有限，故检测直流漏电时，利用MOS管构成H桥的方式，对漏电检测线圈施加正反两个方向的激励方波信号。使漏电检测线圈进入双向饱和区。
当检测交流信号的，关闭激励方波，采样电阻与线圈构成回路，采用电磁感应的方式进行交流信号的检测。
漏电自检时，漏电检测线圈的中间自检抽头通过限流电阻对地导通，并在漏电检测线圈中注入正负激励的方波信号，通过电感分流的作用，在采样电阻上产生自检信号。
附图说明
图1是本发明中提出的用于交直流漏电检测系统的电路方案。
图2是本发明中采用分时复用的方式进行直流漏电检测和交流漏电检测的原理。
具体实施方式
下面结合图1和图2对本发明所提供的交、直流漏电检测电路方案的原理及剩余电流检测方法进行说明。
图1提供了本实施例的用于交直流漏电检测系统的电路方案，其中L和N分别表示火线和零线。该电路方案主要包括LDO模块、分频模块，逻辑控制模块、MOS管驱动模块、漏电检测线圈、采样电阻、可编程增益放大器(PGA)、增益控制模块、模数转换模块(ADC)、DSP、限流模块等模块。
所述的LDO模块主要用于将输入的电源电压转换为驱动漏电检测线圈所需的电压。并隔离电路的其他模块的电源波动对检测电路的影响。由于进行直流漏电检测时，漏电检测线圈的驱动电压幅值不同会导致线圈充电到饱和区的时间不同，影响检测精度，故需要稳定的电压值。该电压应保证在进行直流漏电检测时，能够将漏电检测线圈打到饱和区。
所述的分频模块主要用于将DSP或外部晶振提供的高频时钟信号进行分频，以便控制激励方波的频率。由于漏电检测线圈的匝数和磁芯的性质，会影响线圈达到双向饱和区的时间，故该激励方波的频率可通过软件进行配置，以提高电路的使用灵活性。
所述的逻辑控制模块其主要作用是：
(1)将分频模块输出的方波信号电平转化为可控制MOS管导通和关断的电平。
(2)控制M1和M3不能同时导通，M2和M4不能同时导通。
(3)控制MOS管驱动电压的时序，SM信号、ZJ信号、FB信号共同控制逻辑控制模块的输出电平的时序和电路的工作模式(用于直流漏电检测、交流漏电检测还是自检)。
(4)根据限流模块的输出信号和预设值控制g3和g4管脚的输出电压，从而控制MOS管M3和M4栅极和源极之间的电压，进而达到限流目的。
所述MOS管驱动模块，由M1-M6六个MOS管组成。
当进行直流漏电检测时，M5和M6始终处于关断状态，M1-M4构成H全桥，当M1和M4导通时，漏电检测线圈中的电流经采样电阻由A流向B然后到GND，当M2和M3导通时，漏电检测线圈中电流经采样电阻由B流向A然后到GND，进而为漏电检测线圈提供正反两个方向的激励方波。
当进行交流漏电检测时，M5和M2导通，其他的MOS管均关断，此时漏电检测线圈工作在电磁感应的状态，其感应电流经M2、M5和采样电阻到GND。当进行漏电自检时，M5关断、M6导通，M1、M4所构成的半桥和M2、M3所构成的半桥交替导通，漏电检测线圈采用电感分流的方式在采样电阻上产生自检信号。
图2所示为本发明采用的分时复用的方式进行交、直流漏电检测的原理。t1时间用于检测直流漏电，此时间内电路向漏电检测线圈注入正负极性的方波，该方波使漏电检测线圈的磁滞回线在双向饱和区来回切换，通过检测达到饱和安匝数的时间变化，即可检测是否存在直流漏电。t2时间用于检测交流漏电，此时间内激励方波的电压变为零，磁芯工作在线性区，通过电磁感应的方式进行交流漏电检测。
所述漏电检测线圈，用于检测零、火线之间的剩余电流，并通过中间自检抽头进行漏电检测链路的自检。
所述采样电阻的取值不能过大，以防止在采用电磁感应的方式进行交流漏电检测时，加在采样电阻两端的电压过大，使磁芯进入饱和区。采样电阻的取值也不宜过小，以保证漏电信号检测的精度。
所述可编程增益放大器(PGA)模块用于将采样电阻两端的电压信号进行放大，其放大倍数可通过软件进行配置，以提高电路的使用灵活性。
所述增益控制模块用于实时控制PGA的放大倍数。检测直流漏电时，由于采样电阻上的信号电平的变化范围比较大，为提高检测精度，并充分利用ADC的输入电压量程范围，需在每一个采样周期中，根据采样信号的大小实时控制PGA的放大倍数。
所述ADC模块用于对经PGA放大后的信号进行模拟信号到数字信号的转换。
所述DSP模块用于对采样信号进行处理，控制PGA的放大倍数，并控制逻辑控制模块的工作模式。根据MOS管驱动模块的不同运行模式，对直流漏电信号、交流漏电信号、漏电自检信号采用不同的算法分别处理。
所述限流模块用于限制流过漏电检测线圈的电流，当进行直流漏电检测时，由于电流达到一定数值后，磁芯已经达到饱和区，电流继续增大会影响漏电信号的采样精度，并增加功耗，故需要对流过漏电检测线圈的电流进行限流。当检测到流过漏电检测线圈的电流超过预设值时，逻辑控制模块控制g3和g4的输出电压，从而控制MOS管M3和M4的栅极和源极之间的电压。达到限流的目的。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于交直流漏电检测的电路方案，主要包括：
将外部输入的供电电压转化为漏电检测所需电压的LDO模块；对高频时钟信号进行分频的分频模块；用于驱动MOS管，并控制不同工作模式切换的逻辑控制模块；用于驱动外部漏电检测线围的MOS管驱动模块；用于感应交直流漏电信号和漏电自检信号的漏电检测线圈；将流过漏电检测线圈的电流信号转化为电压信号的采样电阻；对采样信号进行放大的PGA模块；用于控制PGA放大倍数的增益控制模块；对经过放大后的采样信号进行模数转换的ADC模块；用于交、直流漏电信号和漏电自检信号处理的DSP模块；用于限制流过漏电检测线圈电流的限流模块；
逻辑控制单元用于驱动MOS管，并控制不同工作模式的切换；当检测直流漏电时，根据控制信号FB注入的一定频率的方波信号，逻辑控制单元控制M1-M4四个MOS管循环导通，当检测交流漏电时，根据控制信号SM的有效电平，逻辑控制单元控制M5和M2导通，其余MOS管截止；当需要自检时，根据控制信号ZJ的有效电平，M6导通，M5截止，同时M1-M4循环导通，通过电感分流的方式，在采样电阻上产生漏电自检信号；
所述逻辑控制单元还用于控制MOS管栅极gl-g4的控制逻辑保证M1和M3不能同时导通，M2和M4不能同时导通；
MOS管驱动电路由M1-M6六个MOS管组成，用于驱动漏电检测线圈；由所述逻辑控制电路驱动这六个MOS管的导通或关断；
当检测直流漏电时，M1-M4组成H桥驱动电路，以产生驱动漏电检测线圈的正反两个方向的方波，此时M5和M6截止；当检测交流信号时，M2和M5导通，M1、M3、M4、M6截止，漏电检测线圈以电磁感应的方式检测零、火线之间交变的剩余电流，进而在采样电阻R1上产生压降；当自检时，M1-M4循环导通，M6导通，M5截止，漏电检测线圈采用电感分流的方式产生自检信号，用于检验漏电检测链路是否良好。
2.根据权利要求1所述的电路方案，其特征在于：
分频模块用于对高频的时钟信号进行分频，以控制漏电检测线圈激励方波的频率，由软件控制以提高电路的使用灵活性。
3.根据权利要求1所述的电路方案，其特征在于：
漏电检测线圈用于检测零、火线之间的剩余电流，并通过中间自检抽头进行漏电检测链路的自检。
4.根据权利要求1所述的电路方案，其特征在于：
LDO模块将输入的电源电压转换为驱动漏电检测线圈所需的电压，并隔离电路的其他模块的电源波动对检测电路的影响。
5.根据权利要求1所述的电路方案，其特征在于：
PGA模块将采样电阻两端的电压信号进行放大，其放大倍数可通过软件进行配置，以提高电路的使用灵活性。
6.根据权利要求1所述的电路方案，其特征在于：
增益控制模块根据采样信号的大小，实时控制PGA的放大倍数。
7.根据权利要求l所述的电路方案，其特征在于：
ADC模块对经PGA放大后的信号进行模拟信号到数字信号的转换。
8.根据权利要求l所述的电路方案，其特征在于：
DSP模块对采样信号进行处理，根据MOS管驱动模块的不同运行模式，对直流漏电信号、交流漏电信号和漏电自检信号采用不同的算法分别处理。
9.根据权利要求l所述的电路方案，其特征在于：
限流模块用于限制流过漏电检测线圈的电流。
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