0 引言

    随着电流转换器、开关装置以及节能设备在生活和生产中的广泛应用，非正弦的漏电电流正在污染着电网并且诱发触电事故。如今，为了解决非正弦漏电电流产生的危害，人们广泛在供电电源处使用A型漏电保护器来保护个人和财产安全。根据中国国家标准GB16917.1-2003^[1]，A型剩余电流包含AC型和7种脉动直流漏电，其中脉动直流漏电分为7种情况：电流滞后角分别为±0°、±90°、±135°以及电流滞后角0°叠加6 mA的平滑直流电。脱扣电流值为均方根值（RMS）。

    一些研究员使用了单片机来解决主干线路的漏电保护问题^[2-3]，采用全波傅里叶算法来完成剩余电流信号的采样、特征分析，根据采样处理的同步误差作出相应的改正。复杂的傅里叶分析以及整个系统高成本限制了它的广泛应用。

    在参考文献[4]中，剩余电流设备的改进结构包括简单的分立元件，例如电磁继电器和永久磁铁。如果电流变压器感应到的剩余电流到达了预定值，它的磁通量大到能够减小永久磁铁的磁通量，总的磁通量到达一定值后，弹簧就能够拉动电磁继电器中的可动衔铁来断开主电路。

    在参考文献[5]中实现了一种具有简单外围电路的A型漏电保护器。因为电流互感器次级线圈带来的波形失真（在第3节中会介绍），仅仅在正半周或者负半周内检测漏电波形并不能很好地检测脉冲直流漏电电流。最终测试结果表明跳闸电流阈值仅满足国家标准，这个检测方法并不适合A型漏电保护器。

    根据IEC60479-1标准^[6]，当通过人体某一部位的电流超过30 mA时，如果不能及时切断电流，会对人体造成严重伤害。因此将A型漏电保护器的漏电脱扣阈值设定在30 mA。

    本文提出了实现A型漏电电流检测的创新型方法，这种方法可以在不同的连续的时间区间内精确地辨识出剩余电流的类型。

1 A型漏电保护器应用电路系统结构

    A型漏电保护器应用电路的系统结构主要部分包括剩余电流检测模块、一个电压调节模块、一个A型漏电保护器控制器集成电路、一个过压保护模块以及一个包含可控硅和电感L的执行模块。电压调节模块从50 Hz交流电源通过整形、降压、稳压产生稳定的5 V供电电压。剩余电流检测模块可以检测到相线和中性线之间的不平衡电流（即剩余电流）。

2 A型漏电保护器的实现

    A型漏电保护器的主要结构如图1。这是一个典型的模数混合设计集成电路，包括模拟和数字部分。模拟部分作为辅助电路，负责信号的放大和比较，它主要包括了参考电压生成模块、斩波放大电路^[7]（共模电压为2.4 V）、迟滞比较器、上电复位电路以及温度补偿环形振荡电路[8]。具有相同均方值的不同种类的A型剩余电流通过电流互感器的次级线圈产生具有不同幅值的电压，每一种A型剩余电流对应了一个迟滞比较器和一个通过参考电压生成电路产生的脱扣电流比较值。数字模块是核心处理电路，主要来实现该创新的A型漏电电流识别算法。它主要是由干扰滤除电路、A型漏电电流检测模块、输出缓冲电路以及过压保护电路组成。

3 创新方法的提出   

    对于A型漏电保护器，最关键的是准确快速地判别剩余电流的类型、判断漏电电流的均方值是否达到了最小脱扣电流值。

    因为供电电网采用50 Hz的交替电流，所以剩余电流的频率也是50 Hz。图2～图5阐述了A型剩余漏电保护器在一个周期20 ms内的漏电检测过程。

    （Ⅰ）表示的是初始的A型剩余漏电电流，电流互感器检测到此剩余电流并且在其次级线圈产生漏电信号。（Ⅱ）是斩波放大器放大的漏电信号，用于信号处理。（Ⅲ）是触发计时脉冲，它是由（Ⅱ）和触发计时器电平2.5 V（对应正滞后角）或者2.3 V（对应负滞后角）比较产生的。（Ⅳ）是漏电电流脉冲，由（Ⅱ）和对应的脱扣比较电平比较生成。当（Ⅳ）出现的时候，表明剩余电流大于等于最小脱扣电流值。当（Ⅳ）出现后，A型漏电保护器输出波形（Ⅴ）来触发可控硅，切断电路。在对感应电压波形（Ⅱ）深入研究后发现，从计时器被（Ⅲ）触发后，漏电电流脉冲（Ⅳ）出现在不同的时间区间。当有漏电电流时，在计时器触发计时后，如图2～图5所示，±135°类型脉冲，在3 ms内出现；±90°类型脉冲，在3 ms～7 ms之间出现；±0°类型脉冲，在7 ms～12 ms区间内。对于AC型，为了避免它对于其他类型漏电的干扰，作者使用了波峰和波谷的检测方法，如图5（a）中显示的，从计时器开始计时后，漏电脉冲在3 ms～7 ms以及13 ms～16 ms两个区间内都出现，AC型漏电电流会被检测到。至于电流滞后角0°叠加6 mA的平滑直流电，测试表明它的响应和0°类型的相似，如图5(b)中所示。16 ms后，所有的数字部分复位，准备下一个周期的检测。

    表1总结了所有的剩余电流类型检测的时间区间，这些时间区间不同但是连续。一个关键点是可以根据芯片输出脉冲的占空比来判断剩余电流的类型，这能够帮助设计者来评估芯片的性能。在一个周期内，对于±135°剩余电流，可控硅的触发脉冲在计时器被触发后大约2.5 ms出现，所以占空比大约(16-2.5)/20=13.5/20。对于±90°的剩余电流，大约5 ms后出现，占空比大约是11/20。对于±0°的剩余电流占空比大约是6/20。对于AC型剩余电流占空比大约为1/20。

4 测试结果

    这款A型漏电保护器采用CSMC 0.5 μm数模混合CMOS工艺。芯片的尺寸是1.037 mm×0.686 mm。芯片电源供电是5 V，芯片输入电流是480 μA。芯片总共有15个管脚，其中只有6个是必要的，其他的都是测试管脚。

    图6～图9显示了A型漏电电流信号以及相应的脱扣输出，其中上部波形是斩波放大器放大后的漏电电流信号，下部波形是当有触电发生时用来切断故障电路的A型漏电保护器的输出信号。

    表2显示的是最小脱扣电流值的测试结果。结果显示，所有类型的A型漏电电流的最小脱扣电流值分布在28.9 mA到31.7 mA区间内，大小相差2.8 mA。

    表3给出了这款A型漏电保护器和近来出现的几款保护器的比较，从中可以看到，这款芯片相较其他芯片的优势。

5 总结

    本文展示了一个创新的方法来实现A型漏电保护器最小脱扣电流一致性。这款A型漏电保护器可以在一个周期内的不同且连续的时间区间内，识别剩余电流的类型，判断它的均方值是否超过了额定值。低成本、优异性能而且高可靠性使得这款A型漏电保护器芯片在市场应用中有更强的竞争力。

参考文献

[1] GB16917.1-2003.家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBo)第1部分：一般规则[S].2003.

[2] Xiang Xinjian，Li Ming.Design of fuzzy drip irrigation control system based on ZigBee wireless sensor network[C].WCICA，2010.

[3] Chen Deshui，Zhao Qingyang，Chen Foyou，et al.Adaptive residual current circuit breaker based on microcontroller[C].ICDMA，2011：159.

[4] Xiang Luo，DU Y，WANG X H，et al.Tripping characteristics of residual current devices under nonsinusoidal currents[J].IEEE Transactions on Industry Application，2011，47(3)：1515-1521.

[5] Han Yan，Ding Chen，Shou Xinli.Design implementation & of an A-type residual current circuit beraker IC[J].ISIE，2012：280.

[6] IEC/TS 60479-1.Efects of current on human beings and livestock-Part 1：General aspects[S].2005.

[7] Yoshihiro Masui，Takeshi Yoshida，Atsushi Iwata.Low power and low voltage chopper amplifier without LPF[J].IEICE Electron，2008：967.

[8] Xia Xiaojuan，Ji XinCun，Guo Yufeng，et al.A temperature compensated CMOS ring oscillator for DC-DC converters[J].IEICE Electron，2013.