CN110783888A - 一种漏电保护器电路、芯片及其漏电保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种漏电保护器电路、芯片及其漏电保护系统。包括：放大器，对采样输入的漏电信号进行放大，产生放大后的漏电信号；比较器，将放大后的漏电信号与基准信号进行比较，产生比较信号；高频信号检测模块，对漏电信号进行频率检测，产生指示信号；信号通路选择模块，依据指示信号和比较信号的状态输出控制信号；多脉冲输出驱动模块，由控制信号触发，产生多脉冲信号。本发明具有以下优点：采用高频信号检测模块和放大器相结合的结构来实现对高频漏电流信号的滤除，输入共模抑制高，抗干扰能力强；通过优化的放大器和高频信号检测模块高频节点变化小、产品的一致性强。

Description

一种漏电保护器电路、芯片及其漏电保护系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种漏电保护器电路、芯片及其漏电保护系统。

背景技术

漏电保护器，简称漏电开关，又叫漏电断路器，主要是用来在设备发生漏电故障时以及对有致命危险的人身触电保护，具有过载和短路保护功能，可用来保护线路或电动机的过载和短路，亦可在正常情况下作为线路的不频繁转换启动之用。

漏电保护器主要由包含一系列的不同功能电路的芯片实现。漏电保护器以及包括漏电保护器的电气开关装置广泛应用于供电线路中。当供电电源线发生漏电现象时，及时切断供电电源，防止触电事故。

漏电保护器一般包括缠绕着绕组的磁芯和控制电路，绕组用来感应通过其中的磁通量并产生感应信号，控制电路接收所述感应信号并控制保护开关切断或闭合电源线。控制电路通过不同功能的电路单元实现对感应信号的接收、检测并依据检测结果实现通过保护开关控制电源线的断开和闭合状态。

以普通家庭照明电源为例，正常情况下，通过火线和零线的电流是相等的，通过绕组的磁通量为零，没有感应信号产生，控制电路并不工作。当发生漏电现象时，火线和零线中的电流不相等，使得通过绕组的磁通量不为零，从而产生感应信号，控制电路接收到所述感应信号后，控制保护开关切断电源供电，防止触电事故。

现有漏电保护器电路及其芯片存在以下缺陷：

1、当前的漏电保护芯片电路采用低带宽放大器来实现对高频漏电流的抑制，但是这种实现会造成输入共模抑制比较低，抗干扰能力弱的缺点；

2、低带宽放大器的单位增益带宽受温度和外部电压影响较大，造成滤波节点变化较大，产品的一致性较差；

3、现有高频抑制漏电流保护芯片采用漏电故障锁存，当出现漏电后输出驱动信号锁定，机构出现随机黏连，将烧毁功率开关或脱扣器线圈。

发明内容

为解决上述问题，

根据本发明的第一方面，本发明提出了一种漏电保护器电路，

具体技术解决方案如下：

一种漏电保护器电路，包括：

放大器，对采样输入的漏电信号进行放大，产生放大后的漏电信号；

比较器，将放大后的漏电信号与基准信号进行比较，产生比较信号；

高频信号检测模块，对漏电信号进行频率检测，产生指示信号；

信号通路选择模块，依据指示信号和比较信号的状态输出控制信号；

多脉冲输出驱动模块，由控制信号触发，产生多脉冲信号。

优选的，所述高频信号检测模块检测的所述漏电信号为经所述放大器放大后的漏电信号。

优选的，所述高频信号检测模块检测的所述漏电信号为采样输入的漏电信号。

优选的，所述漏电保护器电路还包括滤波器；

所述采样输入的漏电信号通过滤波器滤波后再经过所述放大器放大进行放大。

进一步优选的，所述滤波器为低通滤波器。

优选的，所述放大器为全差分放大器。

优选的，所述全差分放大器为高带宽全差分放大器。

进一步优选的，所述滤波器为低通滤波器。

更进一步优选的，所述低通滤波器为π型结构低通滤波器。

优选的，所述放大器为全差分放大器。

进一步优选的，所述全差分放大器为高带宽全差分放大器。

进一步优选的，所述全差分放大器为具有共模参考电压的高带宽全差分放大器。

优选的，所述比较器为迟滞比较器。

优选的，所述信号通路选择模块为一个两路选择器；

两路选择器的两个输入分别为比较信号、固定值信号；

两路选择器的使能端为指示信号；

两路选择器的输出为控制信号。

进一步优选的，所述固定值信号为高电平或者低电平。

进一步优选的，所述高频信号检测模块由高通滤波器和第二放大器实现。

更进一步优选的，所述高通滤波器为模拟滤波器或数字高通滤波器。

更进一步优选的，所述高通滤波器为多阶高通滤波器。

更进一步优选的，所述高频信号检测模块包括RC滤波器和第二放大器；

RC滤波器为高通滤波器。

更进一步优选的，所述RC滤波器由电阻R1611和电容C1611组成；输入通过RC滤波器后接第二放大器的正相输入端；

输入通过电容C1611后接第二放大器的正相输入端；电阻R1611的一端接第二放大器的正相输入端，电阻R1611的另一端接第二共模电压；第二放大器的反相输入端和输出相连作为指示信号。

更进一步优选的，所述高频信号检测模块包括RC滤波器和第三放大器；

RC滤波器为高通滤波器；

所述RC滤波器包括两个RC滤波器，两个RC滤波器组成两阶滤波器。

根据本发明的第二方面，本发明提出了漏电保护芯片

具体技术解决方案如下：

由前述漏电保护器电路组成的漏电保护芯片，采样输入的漏电信号通过输入管脚IN1和IN2输入。

优选的，所述芯片还包括过压保护和过温保护模块。

优选的，所述芯片中高频信号检测模块的高通滤波器的电容和/或电阻采用芯片外接方式实现。

根据本发明的第二方面，本发明提出了漏电保护系统

具体技术解决方案如下：

由前述漏电保护芯片组成的漏电保护系统，通过绕组线圈对电源线进行漏电的采样，采样之后的漏电信号通过芯片的两个管脚IN1和IN2输入到芯片中。

优选的，漏电保护器芯片通过可控单元控制开关控制电源线的供电状态。

进一步优选的，所述可控单元为可控硅。

更进一步优选的，所述可控单元为高压MOS管、碳化硅SiC或IGBT。

本发明具有以下优点：

采用高频信号检测模块和放大器相结合的结构来实现对高频漏电流信号的滤除，输入共模抑制高，抗干扰能力强；

通过优化的放大器和高频信号检测模块高频节点变化小、产品的一致性强。

附图说明

图1本发明一种漏电保护器电路原理图方式一。

图2本发明一种漏电保护器电路原理图方式二。

图3本发明一种漏电保护器电路中放大器原理图。

图4本发明一种漏电保护器电路中信号通路选择模块原理图。

图5本发明一种漏电保护器电路中高频信号检测模块原理图之一。

图6本发明一种漏电保护器电路中高频信号检测模块原理图之二。

图7本发明一种漏电保护器电路具体实施例一的示意图之一。

图8本发明一种漏电保护器电路具体实施例一的示意图之二。

图9本发明一种漏电保护器电路具体实施例二的示意图之一。

图10本发明一种漏电保护器电路具体实施例二的示意图之二。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。

本发明主要采用高频信号检测和放大器相结合的结构来实现对高频漏电流信号的滤除。

本发明的主要原理是：

对漏电流采样后的信号经放大器放大后通过比较器判断之后通过信号通路选择模块；同时，还通过高频信号检测模块监测采样信号的频率；高频信号检测模块的输出连接信号通路选择模块；信号通路选择模块依据比较器和高频信号检测模块的状态控制多脉冲输出驱动模块。

高频信号检测模块监测采样信号的频率可以为两种方式进行，分别为：

对经放大器放大后或放大前的信号进行频率监测。

下面分别对上述情况进行介绍说明。

方式一：对经放大器放大前的信号进行频率监测：

如图1本发明一种漏电保护器电路原理图之一所示，包括滤波器11、放大器12、比较器13、信号通路选择模块14、多脉冲输出驱动模块15以及高频信号检测模块16。

滤波器11、放大器12、比较器13、信号通路选择模块14和多脉冲输出驱动模块15依次相连；滤波器11的输出还连接高频信号检测模块16，高频信号检测模块16的输出连接信号通路选择模块14。

这里需要说明的是放大器12为全差分放大器，这样能够有更好的抗干扰能力。进一步的全差分放大器为高带宽全差分放大器。

放大器12采用具有共模参考电压的全差分放大器来实现，如图所示。这样的放大器具有共模抑制高，抗干扰能力强等特点。

对漏电流采样后的漏电信号通过滤波器11滤波后：同时分别输出给放大器12或高频信号检测模块16；放大器12将放大后的漏电信号输出给比较器13，由比较器13通过与基准信号比较判断后输出比较信号给信号通路选择模块14。

这里：

比较器13通过与基准信号比较确定输入漏电流是否的存在；

高频信号检测模块16检测采样输入的漏电信号的频率，并产生指示信号输出给通路选择模块14；

当比较器13检测到有漏电存在时，驱动信号产生。同时，如果当漏电频率大于设定的值后，输出驱动关断，反之驱动信号产生。

方式二：对经放大器放大后的信号进行频率监测。

如图2本发明一种漏电保护器电路原理图之一所示，与图1类似包括滤波器11、放大器12、比较器13、信号通路选择模块14、多脉冲输出驱动模块15以及高频信号检测模块16。滤波器11、放大器12、比较器13、信号通路选择模块14和多脉冲输出驱动模块15依次相连。

与图1不同的是：放大器12的输出还连接高频信号检测模块16，高频信号检测模块16的输出连接信号通路选择模块14。即：这里，高频信号检测模块16检测所述漏电信号为经放大器12放大后的漏电信号。

同样的，这里的放大器12为全差分放大器，这样能够有更好的抗干扰能力。进一步的全差分放大器为高带宽全差分放大器。

对漏电流采样后的信号通过放大器12后同时分别输出给比较器13或高频信号检测模块16；比较器13判断后输出给信号通路选择模块14。

同样的，这里：

比较器13通过与基准信号比较确定输入漏电流是否的存在；

高频信号检测模块16检测经放大器12放大后漏电信号的频率，并产生指示信号输出给通路选择模块14；

当检测到有漏电存在时，驱动信号产生。同时，如果当漏电频率大于设定的值后，输出驱动关断，反之驱动信号产生。

图1和图2两种实现方式的区别是：高频信号检测模块16的输入是来自滤波器11还是放大器12的输出。即高频信号检测模块16是直接对采样输入的漏电信号进行检测，还是对放大器放大后的漏电信号进行检测。

图2中高频信号检测模块16的输入来自放大器12的输出，即是对放大器放大后的漏电信号进行检测。这种情况下对高频信号检测模块16的精度要求降低，电路简化，节省了成本。同时可以进行端口复用，增加灵活度。

这里还需要特别强调的是：对于上述两种方式中的滤波器11并不是必须的，只是这里采样输入的漏电信号通过滤波器11滤波后信号的噪声更小，更利于后续的处理。

下面对上述各模块分别进行介绍。

滤波器11：

滤波器11采用低通滤波器，主要是为了滤除低频的噪声和信号，就不在这里详细介绍其结构了。

放大器12：

如前所述为了有更好的抗干扰能力，这里的放大器12为全差分放大器。进一步的全差分放大器为高带宽全差分放大器。放大器12采用具有共模参考电压的全差分放大器来实现，如图所示。这样的放大器具有共模抑制高，抗干扰能力强等特点。

如图3本发明一种漏电保护器电路中放大器原理图所示，放大器12具有共模参考电压第一共模电压；包括双输入双输出放大器121、双输入单输出放大器122，以及电阻R1211、R1212、R1213、电阻R1221、R1222、R1223；放大器的输入信号(即前述采样输入的漏电信号或经滤波器11滤波后的漏电信号)。

输入信号的正极分别通过电阻R1211、R1212接第一共模电压和放大器121的输入正相端；电阻R1213的两端分别连接放大器121的输入正相端和输出正相端VM+；放大器121的输出正相端VM+接放大器122的输入正相端；

对称的：

输入信号的负极分别通过电阻R1221、R1222接第一共模电压和放大器121的输入负相端；电阻R1223的两端分别连接放大器121的输入负相端和输出负相端VM-；放大器121的输出负相端VM-接放大器122的输入负相端；

放大器122的输出端作为放大器12的输出端输出放大后的漏电信号。

比较器13：

比较器13为通用的现有比较器即可，这里就不在做详细介绍了。需要说明的是为了能够检测出漏电，比较器的基准信号需要做合理的选择和确定。

信号通路选择模块14：

如图4为本发明一种漏电保护器电路中信号通路选择模块原理图所示：这里信号通路选择模块14为一个两路选择器：两个输入分别为比较信号(由比较器13产生)、固定值信号；两路选择器的使能端为指示信号(高频信号检测模块16产生)；两路选择器的输出为控制信号(输出给多脉冲输出驱动模块15)。

正常工作时，如果高频信号检测模块16没有检测到高频信号，且比较器13通过与基准信号比较检测到输入漏电的存在；两路选择器选择比较信号作为输出信号(控制信号)，控制信号输出给多脉冲输出驱动模块15，多脉冲输出驱动模块15输出信号通过开关切断供电回路。否则保持供电。

如果高频信号检测模块16检测到高频信号，不论比较器13是否检测到漏电存在，两路选择器的控制信号选择固定值作为输出信号(控制信号)，控制信号输出给多脉冲输出驱动模块15，多脉冲输出驱动模块15输出信号通过开关切断供电回路。否则保持供电。

这里的固定值为预设的值，可以为高电平或者低电平，依据实际需要设定，只要能满足前述通过多脉冲输出驱动模块15开关切断供电回路即可。

多脉冲输出驱动模块15:

多脉冲输出驱动模块15为现有通用模块，这里就不做详细介绍了。

高频信号检测模块16：

高频信号检测模块16通过高通滤波器和放大器实现，高通滤波器可以为模拟滤波器，也可以为数字高通滤波器。这里的高通滤波器可以为多阶高通滤波器。

如图5为本发明一种漏电保护器电路中高频信号检测模块原理图之一所示，这里的高频信号检测模块通常包括RC滤波器161(图中虚线框所示)和放大器162；这里的RC滤波器161即为高通滤波器；RC滤波器161由电阻R1611和电容C1611组成；输入通过RC滤波器161后接放大器162的正相输入端；具体的输入通过电容C1611后接放大器162的正相输入端；电阻R1611的一端接放大器162的正相输入端，电阻R1611的另一端接第二共模电压；放大器162的反相输入端和输出相连作为指示信号。

这里需要说明的是电容C1611也可以认为是输入电容，实际电路中或者是在芯片中，通常可以通过外接电容实现，这样的话外接电容可以进行电容值调节，增加了灵活性。电阻R1611可以通过外接电阻实现。这样也可以增加了灵活性。

能够调节频率的阈值。

如图6为本发明一种漏电保护器电路中高频信号检测模块原理图之二所示，这里包括两个RC滤波器，分别由电阻R1621和电容C1621组成；电阻R1622和电容C1622组成；这里的RC滤波器即为高通滤波器。两个RC滤波器组成两阶滤波器。图6中RC滤波器的连接方式与图5有所不同，这里就不做详细介绍了。不过需要强调的是这里的电阻和电容都可以采用芯片外接的方式。这样能够调节频率的阈值，可以增加了灵活性。

高频信号检测模块中的高通滤波器可以由多种组合连接方式，这里就不做详细介绍了。

关于本发明具体在芯片中的应用，下面通过两个具体实施例进行说明，它们分别对应前述不同的电路方式(方式一和方式二)。每种方式分别对应芯片结构及其芯片的应用。

具体实施例一：

这里，具体实施例一对应前述方式一(对经放大器放大前的信号进行频率监测)。如图7为本发明一种漏电保护器电路具体实施例一的示意图之一所示，这里图7为本发明一种漏电保护器电路方式一在芯片中的实现。与前述方式一相对应，由图中可以看出芯片的两个输入管脚IN1和IN2依次分别连接滤波器、放大器、比较器、信号通路选择模块、多脉冲输出驱动模块；同时高频信号检测模块接在滤波器之后，检测滤波之后的漏电信号。两个输入管脚IN1和IN2用于输入采样之后的漏电信号。

这里需要特别说明的是：

这里的滤波器(低通滤波器)采用π型结构，这样的结构能够更好的滤除噪声，当然滤波器还可以有其它实现的方式，这里只是优选实施例而已。

这里的比较器采用的是迟滞比较器，这样的好处是利用迟滞比较器的特性在比较检测的同时能够有很好的抗干扰能力。

为了让芯片能够很好的工作，在芯片中还包括其它功能模块：过压保护、过温保护、上电复位、电压基准、基准电流、稳压电源以及振荡器等。

过压保护、过温保护模块目的是为了在电压、温度超出预设定的值后能够保护芯片安全；电压基准、基准电流、稳压电源模块是为了给芯片提供正常工作的电流电压等；振荡器为了给相应模块提供正常的工作时钟。上电复位模块为了让芯片能够进行复位操作。

对于前述图7中芯片的应用如图8为本发明一种漏电保护器电路具体实施例一的示意图之二所示。由图8可知：通过绕组线圈17对电源线进行漏电的采样，采样之后的漏电信号通过两个管脚IN1和IN2输入到芯片中。如果满足前述检测到漏电的条件，漏电保护器芯片的管脚OS通过可控硅18控制开关19最终关断电源线的供电。

这里还需要强调的是，可控硅18这里只是一种优选方式，具体还可以为高压MOS管、碳化硅SiC或者IGBT等。

具体实施例二：

这里，具体实施例二对应前述方式二(对经放大器放大后的信号进行频率监测)。

如图9为本发明一种漏电保护器电路具体实施例二的示意图之一所示，与具体实施例二区别在于高频信号检测模块没有直接接滤波器的输出，这里是放大器放大后的漏电信号输出给高频信号检测模块。

这里需要说明的是：图中放大器没有直接连接高频信号检测模块；而是连接管脚OA，高频信号检测模块的输入是通过管脚NR接入；正如前述为了增加高频信号检测模块检测频率的灵活性，调节频率的阈值。将高频信号检测模块中的高通滤波器的输入电容外接，而外接电容就是通过管脚OA和管脚NR实现的。其它模块及其连接方式与具体实施方式一类似这里就不做详细介绍了。说明在具体实施方式一高频信号检测模块也可以采用类似外接电容电阻的方式，这里就不在详细介绍了。

对于前述图9中芯片的应用如图10为本发明一种漏电保护器电路具体实施例二的示意图之二。所示。由图10可知：外接电容C16就是通过管脚OA和管脚NR进行连接。当然，在其它具体应用是还可以依据情况将电阻或者电容与电阻的组合进行外接。不仅能够增加高频信号检测模块检测频率的灵活性，同时通过外接的方式还可以灵活的选取电容和/或电阻的类型和大小。同样的，这里其它模块及其连接方式与具体实施方式一类似这里就不做详细介绍了。

与现有技术相比：

本发明采用高频信号检测模块和放大器相结合的结构来实现对高频漏电流信号的滤除，输入共模抑制高，抗干扰能力强；同时通过优化的放大器和高频信号检测模块高频节点变化小、产品的一致性强。

Claims (10)

1.一种漏电保护器电路，其特征在于，包括：

放大器，对采样输入的漏电信号进行放大，产生放大后的漏电信号；

比较器，将放大后的漏电信号与基准信号进行比较，产生比较信号；

高频信号检测模块，对漏电信号进行频率检测，产生指示信号；

信号通路选择模块，依据指示信号和比较信号的状态输出控制信号；

多脉冲输出驱动模块，由控制信号触发，产生多脉冲信号。

2.如权利要求1所述的漏电保护器电路，其特征在于，

所述高频信号检测模块检测的所述漏电信号为经所述放大器放大后的漏电信号。

3.如权利要求1所述的漏电保护器电路，其特征在于，

所述高频信号检测模块检测的所述漏电信号为采样输入的漏电信号。

4.如权利要求1所述的漏电保护器电路，其特征在于，

所述漏电保护器电路还包括滤波器；

所述采样输入的漏电信号通过滤波器滤波后再经过所述放大器放大进行放大。

5.如权利要求4所述的漏电保护器电路，其特征在于，

所述滤波器为低通滤波器。

6.如权利要求5所述的漏电保护器电路，其特征在于，

所述低通滤波器为π型结构低通滤波器。

7.由权利要求1-6任一所述的漏电保护器电路组成的漏电保护芯片，其特征在于，

采样输入的漏电信号通过输入管脚IN1和IN2输入。

8.如权利要求7所述漏电保护芯片，其特征在于，

所述芯片还包括过压保护和过温保护模块。

9.由权利要求6-7所述漏电保护芯片组成的漏电保护系统，其特征在于，

通过绕组线圈对电源线进行漏电的采样，采样之后的漏电信号通过芯片的两个管脚IN1和IN2输入到芯片中。

10.如权利要求9所述漏电保护芯片组成的漏电保护系统，其特征在于，漏电保护器芯片通过可控单元控制开关控制电源线的供电状态。

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