摘 要： 具体分析电网上的一种常见干扰信号——雷电干扰信号及RCCB现行国标在相关方面的不足；提出并引入了一项特殊技术——10 ms不驱动时间，以避开电网上特殊信号的干扰，减少误动作。将这项带延时保护功能的抗干扰技术与其他抗干扰技术集成进一块具有完全自主知识产权的漏电保护专用芯片中。实测结果证实，此芯片具有进口芯片及其国产仿制芯片所不具有的优良抗干扰能力。
关键词： 漏电保护器；抗干扰；延时保护；专用集成电路芯片
漏电保护器(RCCB)已被广泛地用于防止人体触电伤亡。然而，由于低压电网上存在着许多干扰信号，这些干扰信号会意外地触发漏电保护器，因而会发生“误动作”现象。现有漏电保护器均采用进口芯片(例如M54123)或国内仿制进口的芯片，该类芯片未考虑抗干扰设计，所以误动作频繁，严重降低了漏电保护器的实际安装投运率。也由此产生了增加漏电保护器抗干扰能力的强烈需求。本文首先分析了电网中若干种干扰信号中的雷电干扰信号，然后指出漏电保护器有关现行国家标准中的不足。在此基础上，提出了一种能够躲避雷电干扰的新方法。最后将这种新方法设计在一款具有自主知识产权的漏电保护专用芯片中，并在0.6 ?滋m CMOS工艺上制作成功。
1 雷击干扰信号分析
电网上充斥着各种各样的干扰信号，其中一种是由雷击引起的，这种干扰信号最有可能导致漏电保护器的误动作。
在低压配电网络中，普遍都安装了避雷器以避免雷击感应电压对电网的损害。当雷电击中配电线一定距离外的地面时，会在配电线中感应出一个幅值为几千伏甚至几十千伏，持续时间约为几十微秒的浪涌电压[1]，这个电压会使避雷器动作，形成从相线通过避雷器到地的电流泄放通路(如图1所示)。该通路将雷电感应出的浪涌电压的能量转移到大地。避雷器一旦开启，避雷器通路即为低阻状态，而相线上是幅度为220 V的工频电压，因此相线也会通过避雷器通路泄放电流，这种现象称为工频续流。只有当工频电压的相位过零时，避雷器中的电弧才会断开，避雷器恢复高阻状态，整个避雷器的泄放过程宣告结束。在配电线路中，从相线直接到地的电流被定义为漏电流（剩余电流）。因此，上述避雷器的泄放过程亦即为漏电流的产生过程，此漏电流信号的幅度较大，并且持续时间最长为半个工频周期，即10 ms，故称此类干扰信号为“10 ms半波漏电干扰信号”。
2 现行国家标准的不足
国家标准的制定规范了漏电保护器的产品市场。我国的漏电保护器国家标准GB16916.1等同于IEC61008.1(家用和类似用途的不带过电流保护的漏电保护器(RCCB)第1部分：一般规则)。GB16916将家用及类似用途的剩余电流断路器也分成了两种类型：一种称为一般型，用作直接接触保护；另一种称为S型，用作间接接触保护。漏电流与保护器分断时间的关系如表1所示[2]。
在表1中，一般型和S型保护都有最大分断时间，但是只有S型保护才有最小不驱动时间。所以，在目前直接接触式漏电保护器市场中，大量使用的漏电保护器芯片是M54123。当剩余电流到达IΔn，它在0.006 s后断开电路，在这块芯片中不存在不驱动时间。然而，正是由于这个过于灵敏的反应机制，使得当电网中出现诸如前面一节分析的雷电和其他各种干扰信号时，使用M54123芯片的漏电保护器就会因误判而发生误动作，频繁跳闸以致被称为“捣蛋器”，影响了其在国内市场的实际应用。
为此本文为国提出一种改进方案，这就是在直接接触漏电保护器中加入至少10 ms(0.01 s)的不驱动时间。这个方案将会大大减少误动作频度，提高RCCB的实际投运率，在关键时刻不会因RCCB的实际缺位而发生人身伤亡事故。
这种新的漏电保护器芯片分断时间和不驱动时间如表2所示。
表2中的最大分断时间只定义了漏电保护器芯片的跳闸时间，由于机械延时，总的跳闸时间比表2中的长0.02 s 左右。
3 芯片的设计
这款新型的漏电保护器芯片包括两个主要的功能部分：剩余电流保护和过压保护，其模块框图如图2所示。
由图2可知，此芯片是一个典型的混合信号系统，它包括数字部分和模拟部分。模拟部分的主要功能是为整块芯片提供稳定的工作环境并且对剩余电流信号进行预处理。数字部分的主要功能是通过一些数字处理方法智能化地去除剩余电流信号中的干扰信号。
当一个剩余电流信号输入时，它首先被送进低通滤波器去除高频干扰，然后这个剩余电流信号被放大并与一些内部参考电压进行比较，比较输出信号被送到数字电路部分。在数字电路部分，通过对信号连续性的判断和对信号脉宽的判断来甄别输入信号是否是一个其他性质的干扰信号（即非雷电感应的干扰信号），以避免产生误动作[5][6]。电流驱动模块保证足够的电流来触发外部的SCR以切断电源。电路的Cadence仿真结果如图3所示。
专门针对感应雷干扰信号的10 ms不驱动时间实现的原理如下：当剩余电流超过5IΔn(工频续流电流值一般会较大)，芯片开启10 ms定时器，当10 ms定时器倒计时到0时，如果漏电保护器芯片没再感应到剩余电流信号的存在，就意味着此漏电保护器感应到的剩余电流信号是一个持续时间不超过10 ms的干扰信号。如果当10 ms定时器倒计时到0时，漏电保护器仍然感应到存在剩余电流信号，就意味着这个信号确实是一个剩余电流，此时芯片将立即反应，切断电源。10 ms不驱动电路的仿真结果如图4所示。
4 芯片测试结果
本芯片采用0.6 μm CMOS工艺流片。包括输入输出PAD和内核，总的芯片面积是2.4 mm2，芯片总电流是400 μA，由于电源电压是5 V，因此功耗是2 mW。
剩余电流保护的功能测试结果如图5所示，曲线1是漏电保护器感知的剩余电流信号，曲线2是触发SCR的输出驱动信号，曲线1与曲线2的间隔是延时时间T=0.3 s，此芯片工作在S型。
图6是10 ms不驱动时间功能的测试结果，曲线2是超过5IΔn的剩余电流信号，如果此信号只持续一个半波周期，则输出信号保持低电平。如果剩余电流信号持续时间较长，在检测到第二个半波剩余电流信号后，输出跳闸信号。
本文讨论的漏电保护器芯片运用了多种技术来减少误动作的发生。这些技术都是基于对电网尤其是中国电网干扰信号较严重状况的分析，利用数字电路技术，将智能判断和精确延时功能引入漏电保护器专用芯片中实现的。此芯片具有完全自主知识产权。测试结果表明，此漏电保护器芯片能够很好地躲避干扰信号，有效地降低误动作率，并且符合国家标准，推广之后将具有重大的社会经济效益。
参考文献
[1] JANKOV V.Estimation of the maximal voltage induced on an overhead line due to the nearby lighting.IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12(6).
[2] GB16916-2003.Residual current operated circuit-breakers without integral over-current protection for household and similar Uses(RCCB′s);Part 1：general rules.
[3] PHILIP E.A，DOUGLAS R.H.CMOS analog circuit design (second edition).Oxford University Press，2002.
[4] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits. The McGraw-Hill Companies，2001.
[5] 潘海峰，韩雁.一种智能化漏电保护芯片的设计[J].微电子学，2006(8).
[6] HAN Yan，WANG Ze，YU Hong，et al.A novel multi-functional leakage current protector IC design[J].Chinese Journal of Semiconductor，2005，26(8).