（微电子学与固体电子学专业论文）总级多功能漏电保护芯片的全定制设计.pdf

浙江大学硕一e 研究生毕业论文望8 7 6 5 8 6 摘要 针对现有总级漏电保护芯片控制精度差、抗外界干扰性能不佳容易导致误动 作等缺点，本课题设计了一新型的总级多功能漏电保护芯片，其主要优点如下： ( 1 ) 、具有对输入信号的有效性进行辨识的功能。本芯片用数字控制模块对 输入波形的脉冲宽度进行有效性检测，同时对信号的连续性和持续时间进行了判 定，有效地将许多干扰屏蔽掉，从而提高芯片的抗干扰能力。 ( 2 ) 、采用数字延时代替传统的r c 延时方式。在提高内部控制精度的同时， 可通过缩小不同级保护之间的延时间隔，来提高级间匹配的精确度，同时由于不 需要外围的元件，因而降低了成本。 ( 3 ) 、不同应用环境的可编程性。通过对两个管脚的输入电平进行编码( 置 o 或1 ) 来调整该芯片的工作参数、指标，从而大大提高了该芯片适用的范围和 应用的灵活性，也方便了不同级之间的匹配。 ( 4 ) 、实现对开关的全面控制功能。：蓦片根据对监控范围内电网的稳定性做 出的判断，对开关的断开和闭合都能进行控制，即保证了安全又可带来极大方便。 ( 5 ) 、具有报警功能，保障安全。如在开关控制上存在意外的情况，芯片就 会输出一报警信号，从而引起人们的注意，避免不必要的危险发生。 ( 6 ) 、低功耗。芯片大部分功能由c m o s 数字电路实现，使功耗大大降低。 相较于市场上总级漏电保护芯片需要的近百毫瓦，整个芯片总功耗仅需l 5 m w 。 ( 7 ) 、采用全定制的方法，以优化电路和版图设计，减少芯片面积，最终产 品芯片面积为2 m m 2 ，降低了成本，增加了市场竞争力。 本课题设计的是一种多功能、高精度、抗干扰、可编程、低功耗、低成本的 总级漏电保护器专用i c 芯片。该芯片采用数模混合设计，参加了由上海集成电 路中心组织的m p w ( 多晶圆) 计划，在无锡上华半导体有限公司流片，采用上 华5 v0 6 u m 混合c m o s 工艺( 准双阱、双层金属、双层多晶硅) 。测试芯片面 积为4 平方毫米，并有2 8 个测试管脚。 浙江大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t m o s to ft h eg e n e r a ll e a k a g ec u r r e n tp r o t e c t o rc h i p st o d a ya np o o ri c o n t r o lp n c i s i o na da r es u b j e c tt ot h ei n t e r f e r e n c em i s t a 蛐n ga c t i o nf h q u e n t l y i nt h i sp a p e ran e wt ) r p eo fm u l t i f u c t i o n a lg e n e r a l l e a k a g ec u r r e n tp r o t e c t o r c h i pi sp r e s e n t e d ，s o m ef e a t u r e so ft h i sc h i pa nl i s t e db e i o w ： ( 1 ) t h ev a l i d i t yo ft h ei n p u ts i g a li sd i s c r i m i n a t e d t h ec h i pu s ed i g i t a l c o n t r o lc i r c u i tt oc h e c kt h ew i d t h 、t h ec o n t i n u i 蚵a n dt h ed u r a t i o no ft h ei n p u t p u l s e ，m a l 【i n gt h ec h i po u to fm i s t a l 【i n ga c t i o n sc a u s e db yi n t e r f b r e n c e ( 2 ) t h ec h i pu s et h ed i g i t a lc i r c u “t or e a l 幻沁t h et i m ec o n t r o lr e p l a c i n gt h e r cc i r c u i t ，w h i c hc a nb em o r ea c c u r a t e i nt h i sw a y ，t h em a t e h i n gp n c i s i o n a m o n gd i f f e r e n tp r o t e c t i o n l e v e l sc a ng r e a t l y i m p r o v e d ， t h en u m b e r so f p e r i p h e m ld i s c n t ed w i c e sc a nb er e d u c e d ( 3 ) t h ec h i pc a nb ep r o g r a m m a b l et os u i td i f f b r e n ta p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s t h r o u g ht w op 阳g r a m m a b l ep i n s i tc a na l s op r o v i d e sc o n v e n i e n c et 0t h e m a t c h i n ga m o n gd i f 扎r e n tp m t e c t i o nl e v e l s ( 4 ) t h es w “c hi sc o n t m l l e ds m a r t l y t h ec h i pc a j u d g et h es t a b i k 姆o ft h e e l e c t r i cn e “a n dd e c i d et h es w i t c ht ob eo f fo ro n ( 5 ) t h ec h i ph a st h ef u n c t i o no fw a r n i g hs 咄e t h i n gu n e x p e c t e dh a p p e n s ， t h ec h i pw i l lw a mt h ep e o p l et oa v o i dt h ed a m a g e ( 6 ) t h ec h i ph a st l l ea d v a n t a g eo fl o wp o w e rd i s s i p a t i o nb yu s i n gt h ec m o s d i 西t a lc i r c u “t h et o t a ip o w e rd i s s i p a t i o ni so n l y1 5 m w ( 7 ) t h ec h i ph a st h ea d v a n t a g eo fi o wc o s tb e c a u s eo fs m a ua r e ad e s i g n e db y t h ef u l i - c u s t o ma p p r o a c h t h ea r e ao f t h en n a lp r o d u c tc h i pi so n l y2 m m 2 t h ec h i pi sam i x e d s i g n a ic h i p ，i tj o i n e dt h em p w p l a nl a u n c h e db yi c c ，i t w a st a p e do u ti ns h a n g h u as e m i c o n d u c t o r c o l p ，w u x i i tw a sp r o c e s s e di n5 v o 6 u mc m o sp r o c e s s ( t w i nw e u ，d o u b l em e t a l ，d o u b l ep o 净s i l i c o n ) t h et e s tc h i p a r e ai s4 m m 2w i t h2 8t e s tp i n s 1 i 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章概论 1 1 漏电保护器的作用 随着我国经济建设的发展和人民生活水平的提高，工矿企业用电设备和家用 电器不断增加，电器越来越普及，人们的生活因为电而得到了巨大的改变的同时 人们与电接触的机会越来越多。在用电过程中，由于电气使用不当和安全技术措 施不力而造成的人身触电和火灾事故，给人民的生命和财产带来了不应有的损 失。而漏电保护器的出现，对预防各类事故的发生，及时切断电源，保护设备和 人身的安全，提供了可靠而有效的技术手段。漏电保护器作为一项有效的电气安 全技术装置已经被广泛使用，并起到了举足轻重的作用，老百姓通俗地称它为“保 安器”、“保命器”。其主要作用体现在防止人身触电和火灾事故的发生这两个方 面。 漏电保护器能够有效地防止人身触电的发生：随着各种电器设备在生产和生 活各个领域中的应用广泛使用，人身触电的可能性也在增大，人们对安全用电要 求亦愈来愈严格。能源部颁布的农村低压电力技术规程第四条明确规定：“采 用t t 系统的低压电力网，应装设漏电总保护和漏电末级保护。对于供电范围较大 或有重要用户的低压电力网可以斟情增设漏电中级保护”。农村安全用电规程 中有“漏电保护器的运行管理”专条，明确规定用户应按农村低压电力技术规 程的规定，装设漏电保护器，并强调指出；“凡有故意使保护器拒动或误动者， 应给予批评教育，批评教育仍不改者，根据情节给予处罚或停止用电”。而大量 的实际也证明触电伤亡事故，几乎全部是在没有装漏电保护器，或者是在漏电保 护器退出运行的情况下发生的，而在漏电保护器正常运行的情况下，虽有触电的 发生，但因漏电保护器动作切断电源而保证了人身或设备安全 1 。 漏电保护器能够有效地防止由电气故障引发的火灾事故的发生：改革开发咀 来社会经济的快速发展，高层建筑大量地出现，有建筑的地方就必然会有电力的 应用，而许多火灾就是由电气短路造成的，最常见多发的原因是设备外壳放电， 由于这种情况下的电流较小，因此一般的断路器和熔断器不能或不能及时切断电 源，此时在周围若存在易燃物，就会使易燃物燃烧酿成火灾，而在这些建筑当中 浙江大学硕士研究生毕业论文 如果发生火灾，产生的经济损失和人员伤亡是不可设想的。出于安全的考虑，我 们必须要安装漏电保护器来防止由电气短路发生的火灾。另外，当相线或中性线 对地的漏电电流超过2 0 0 毫安时就有火灾的危险。对于l o 毫安级别的漏电电流， 断路器或熔断器显然无法动作，而漏电保护器能确保可靠的动作。因此， g b 5 0 0 9 6 1 9 9 9 住宅设计规范6 5 2 规定：每栋住宅的总电源进线断路器应具 有漏电保护功能 2 。 由上可见，漏电保护器是当人体可能接触的电压值超过了安全值或人体的 触电电流及其他对地故障电流超过了允许值时，能够自动切断电源以保障人身和 设备的安全的电子设备。它构成了一道安全的屏障，保证了人们用电的安全性和 可靠性。其应用既有可观的经济效益，又有其广泛的社会效益： ( 1 ) 、建立了一个确保人身触电伤亡的保护屏障，基本上杜绝了人身触电伤 亡事故的发生。 ( 2 ) 、能有效地切断漏电电流、短路电流，防止火灾的发生和烧配电变压器 等设备事故的发生。 ( 3 ) 、促进了电气化水平的发展和提高。漏电保护器的应用对线路及家户室 内布线提出了较高的要求，经过改造的户内、外低压线路更有利于电器的使用和 电力市场的发展壮大。 ( 4 ) 、减少了私拉乱接、违章用电等现象引起的不明损失电量，提高了经济效 益。 ( 5 ) 、促进了用电管理水平的提高。 1 2 漏电保护器的分类 文中主要介绍目前使用最普遍的剩余电流即漏电电流保护器的分类。 1 根据动作方式分类 电磁式剩余电流保护器：零序电流互感器的二次回路输出电压不经任何放 大，直接激励剩余电流脱扣器，称为电磁式剩余电流保护器，其动作功能与线路 电压无关。 电子式剩余电流保护器：零序电流互感器的二次回路和脱扣器之间接入一个 电子放大线路，互感器二次回路的输出电压经过电子线路放大后再激励剩余电流 浙江大学硕士研究生毕业论文 脱扣器，称为电子式剩余电流保护器，其动作功能与线路电压有关。 2 根据剩余电流保护器的功能分类 剩余电流断路器：其作用是检测剩余电流，将剩余电流值与预先设定比较值 相比较，当剩余电流值超过预定比较值时，主电路触头断开，是一种机械开关电 器。 剩余电流继电器：检测剩余电流，将剩余电流值与预定比较值相比较，当剩 余电流值超过预定比较值时，发出一个机械开闭信号使机械开关电器脱扣或声光 报警装置发出报警。剩余电流继电器常和交流接触器或低压断路器组成剩余电流 保护器，作为低压电网的总保护开关或分支保护开关使用。 移动式剩余电流保护器：是由插头、剩余电流保护装置和插座或接线装置组 成，包括剩余电流保护插头、移动式剩余电流保护插座、剩余电流保护插头插座 转换器等，用来对移动电器设备提供漏电保护。 固定安装的剩余电流保护插座：由固定式插座和剩余电流保护装置组成的电 器，也可对移动电器设备提供漏电保护。 3 根据剩余电流保护器的使用场合分类 专业人员使用的剩余电流保护器：这种剩余电流保护器一般额定电流比较 大，作为配电装置中主干线或分支线的保护开关用，发生故障影响范围比较大， 要求由专业人员来安装、使用和维护。剩余电流继电器和大电流剩余电流断路器 属于这种形式的剩余电流保护器。 家用和类似用途的剩余电流保护器：用于城乡居民住宅等建筑物中的剩余电 流保护器，一般额定电流比较小，作为终端电气线路的漏电保护装置，适合于非 专业人员使用。主要是家用剩余电流断路器和移动式剩余电流保护器。 4 根据剩余电流保护器动作是否具有延时时间分类 一般型剩余电流保护器：无故意延时，主要作为分支线路和终端线路的漏电 保护装置。 延时型剩余电流保护器：专门设计的对某一剩余动作电流值能达到一个预定 的动作延时时间的剩余电流保护器。延时型剩余电流保护器主要作为主干线或分 支线的保护装置，可以与终端线路的保护装置配合，达到选择性保护的要求 3 。 浙江大学硕士研究生毕业论文 1 3 漏电保护器的分级保护发展情况 随着经济的迅速发展和人民生活用电的急剧增长，对供电的可靠性、安全性 的要求越来越高，要求漏电保护方式不能因一户发生事故而造成部分或全网停 电。合理的配置漏电保护器，是防止人身触电伤亡事故和由漏电引起的电气火灾 及电器设备损坏事故的技术措施，也是提高供电可靠性的重要手段。为此，漏电 保护器必须合理的配置和科学的实施。现实际应用的漏电保护器根据使用场合和 指标的不同，可分为总级保护，中间级保护和末级保护。 漏电总级保护器应配置在配变的低压总电源侧，是全网的总保护，它应选用 电流型的漏电保护器，其漏电动作电流值的选择以防止间接接触的触电保护为 主，并在躲过电网正常的漏电流的前提下尽量选小。 漏电中级保护器应设置在接户线进入集表箱的电源刀闸的负荷侧。它是以防 止套户线至末级保护器之前的直接接触的触电伤亡事故为主要目的，并作为末级 保护器的后备保护。应合理设定其额定漏电动作电流值及动作延时时间，以取得 与上下级保护器的良好配合。 漏电末级保护器应装置在迸户线的电源侧，电源进线先接刀闸后接漏电保护 器。用于家用电器、固定安装电器、移动式电器、携带式电器及临时用电设备的 漏电保护，是直接防止人身触电的保护设备。 合理设计三级保护器的动作电流与动作延时时间，使三级保护能够科学地配 合，是提高漏电保护器正确动作率和投运率的必要措施，是提高供电安全性、可 靠性的技术手段。我国大规模的低压电网改造工程的实施，电网结构的重新规划 和布置，使电网的健康水平、供电能力和绝缘强度均得到大大提高，这为实现全 网的漏电分级保护提供了物质条件，实施低压电网的三级保护，已成为电网改造 的重要组成部分。 1 4 电流型漏电保护器的原理 在正常的情况下，通过火线进来的电流应该通过零线流出，即进来的电流应 该和出去的电流相等。如果发生了意外，人体直接接触到了火线从而导致触电事 故发生时，那么人体和大地以及火线就构成了一个电流的回路，将会有一部分电 流通过人体而直接流到了大地。这时在入户处火线和零线之间将产生一个不平衡 浙江大学硕士研究生毕业论文 电流，这个电流就是漏电即剩余电流，即通过人体的那一部分电流。这个电流可 以直接危害到人的生命安全。为了保证人的生命安全，必须对这个电流的大小进 行监测和控制，而漏电保护器就是用来对漏电电流进行监测和控制的电器 4 。 漏电保护器通常是由一个检测漏电流的感应器和受控开关组成，如图1 1 所 示。 l n l ：火线，n ：零线 图1 1电流型漏电保护器的工作原理 在图1 1 中，漏电感应器是零序电流互感器磁环，电流互感器的结构与变压 器类似，是由两个互相绝缘绕在同一铁心上的线圈组成。一次线圈与电网的线路 相连接，二次线圈与漏电保护器中的控制电路连接。当用电设备正常运行时，线 路中电流呈平衡状态，互感器中电流矢量之和为零，即在互感器中往返的电流大 小相等，方向相反，正负相互抵消。由于一次线圈中没有剩余电流，所以不会感 应二次线圈，漏电保护器的开关装置处于闭合状态运行。而当发生漏电事故时， 则在故障点产生分流，此漏电电流经人体、大地接地，致使互感器中流入、流出 的电流出现了不平衡，即电流矢量之和不为零，一次线圈中产生剩余电流，便会 感应二次线圈，当这个漏电流值达到该漏电保护器限定的动作电流值时，漏电保 护器就会动作，切断电源。其具体分析如下：根据电磁原理，穿过零序电流互感 器磁环内的磁通o = z 船。单相负载有一根相线，一根零线，流入磁环内的电流 ，。和流出磁环内的电流，：产生的磁场强度分别为日和日：，则磁环内磁场强度h 为： h = h i + h2 ：盟+ 盟 ( 1 ) 厶三2 浙江大学硕士研究生毕业论文 式1 中l 和。为零序电流互感器一，二次侧圈数，若1 等于：，设为n 。 厶和厶为零序电流互感器一，二次侧电感系数，若它们相等，设为l 。则可以得 到式2 。 h ：掣( ，1 + ，：) ( 2 ) 由式2 可知，正常工作没有漏电流时，即i ，和i ：大小相等，方向相反，总磁 场强度h 为零，零序电流互感器的二次侧投有感应电流，相应的要求漏电开关也 不动作。如果负载出现漏电流，且漏电电流通过人体或其他路径流走，则i 和i ， 大小不等，因此零序电流互感器二次侧产生感应电流经过放大器放大等处理，驱 使漏电开关跳闸。二次测产生的感应电流与漏电流有着直接的对应关系，这个电 流信号经过一定的处理，被传递给受控开关，决定开关的闭合与断开。这样可以 预先设定一个阈值，当漏电流大到足以危害人的安全时，便可以切断开关，有效 地保障了人的生命安全，这便是电流型漏电保护器的基本原理。而在实际应用当 中，由于漏电保护器可能会受到很多的外界干扰，为了尽量提高漏电保护器对干 扰的抵抗能力，减小误触发情况的发生，漏电信号需要有一个比较复杂的识别和 处理过程。 1 5 现有总级漏电保护芯片的不足与本课题设计的芯片具有的优点 漏电保护器在我国经过2 0 多年的发展和推广应用，已形成一个在品种和规 格上具有相当规模的产品系列，在低压电网的安全保护中发挥了重要的作用。市 场上目前具有漏电保护功能的产品主要有以下下几种： ( 1 ) 、漏电断路器( 如d z l 3 0 一3 2 漏电断路器) 。它具有能同时断开相线和中 性线，有过载、漏电保护功能，可增加过电压保护，但无短路保护功能。这种断 路器的额定电流有6 、1 0 、1 6 、2 0 、2 5 、3 2a 六档，额定漏电动作电流为3 0 毫 安。 ( 2 ) 、漏电脱扣器( 如d z l 3 0 一6 3 多用漏电脱扣器) 。它不能单独使用，必须 与断路器配合，才能组成漏电断路器。d z l 3 0 6 3 的额定电流为6 3a ，额定漏电 动作电流为3 0 、5 0 、7 5 毫安三档可调。 6 浙江大学硕士研究生毕业论文 ( 3 ) 、带过载、短路、漏电保护的断路器( 如3 0 f 1 + 、d z l 3 0 ) 。它实际上是 断路器和漏电脱扣器的组合产品。 在低压供、配电系统中为了要构成一个合理完善的分级漏电保护网，在选用 漏电保护器的动作特性时除了要在额定漏电动作电流的大小上进行区分外，还必 须在额定动作时间上进行区分，这样才能有效地避免各级漏电保护器发生同时动 作或越级动作的误动作现象，从而保证整个系统工作的稳定性和协调性，并确保 运行的可靠性和供电的连续性。现在市场上生产漏电保护器的厂家上百家，类型 繁多，结构不同，性能各异。在运行试验中发现，由于三级保护器使用了多家产 品，动作电流值、分断时间难以上下匹配，误动现象时常发生。如对末、中级保 护器作模拟试验时，引起总保护器动作的现象常常发生，扩大了停电范围，影响 了安全、可靠地供电，也给管理带来很大麻烦。因此设计一种具有可编程的总级 漏电保护器，扩大其使用范围，使其能够适应其它不同的中间级、末级漏电保护 器，在动作电流、动作时间上实现合理匹配是十分有必要的。同时，由于现有许 多总级漏电保护器产品在抗外界干扰性能不佳，经常导致误动作，从而导致大范 围面积停电的严重后果，因此设计一套具有较强抗干扰能力、合理匹配的漏电保 护器也是具有很强的现实意义的。 随着我国社会经济建设的快速发展，城市建设不断发展，新型办公大楼与高 层住宅大楼日渐增多，电网结构也越来越庞大与复杂，人们也越来越普遍地使用 漏电保护器，而总级漏电保护器是对较大范围内的电网进行漏电监护，保证较大 范围内电网运行的安全性和可靠性，其需求量与年生产量也在迅速增加。目前， 在国家相关政策的扶持下，我国在产量上已是世界上最大的国家，超过了西方发 达国家的产量，但技术含量不高，质量欠佳。做为总级漏电保护器的核心部分一 一总级漏电保护芯片，由于国内集成电路产业的滞后，国内市场上这方面没有任 何一块是中国人自己设计的，被国外处于垄断地位。国内的厂家生产用的产品要 么使用机械控制，或是使用c p u 作为控制电路，或是使用进口的芯片。使用机械 控制使总级漏电保护器产品的控制精度差，而使用进口的芯片则直接挤占了保护 器产品的利润空间，同时由于脱离中国的市场，国外的芯片也不能针对国内市场 进行有效的优化，导致技术不能得到升级、成本不能下降。 目前，市场上占统治地位的总级漏电保护芯片的是日本三菱公司开发的 浙江大学硕士研究生毕业论文 m 5 4 1 3 3 e g p 芯片，它是一种具有延时功能的漏电开关控制芯片，其延时方式为r c 延时，即其延时时间大小是由外接的电容来控制，其总体功能和性能都比较优良， 但是这个芯片也有它的一些较大的缺点，主要有以下六个方面： ( 1 ) 、功耗过大，m 5 4 1 3 3 e g p 芯片是在十几年前采用双极工艺制造的，而由 于双极电路固有的特点，该芯片静态功耗偏高。正常工作时功耗为9 6 m 矽，不适 应现在集成电路低功耗化的趋势。 ( 2 ) 、抗外界干扰能力差，没有设计消除实际应用中存在的各种干扰信号的 功能，因此比较容易受到外界干扰信号而误动作。 ( 3 ) 、m 5 4 1 3 3 e g p 芯片采用外接r c 元件来实现时延的控制，由于r c 独立元 件的不稳定性，其控制的准确度不够，容易造成不同保护级间的动作时间的交叉 情况，从而造成误动作，而为了避免误触发就要求不同级之间的动作时间间隔要 较大，这就降低了控制的精度。 ( 4 ) 、m 5 4 1 3 3 e g p 所涉及到的时间都是用r c 延时方式，从而造成其应用时需 要用到很多外部元件，这就增加了整体的成本，也降低了产品的可靠性。这点我 们可以从图1 2 即m 5 4 1 3 3 e g p 的应用线路图中看出，其应用的外接电阻、电容等 元件是比较多的。 图1 2m 5 4 1 3 3 e g p 的应用线路图 ( 5 ) 、m 5 4 1 3 3 e g p 功能过于单一，只具有漏电保护功能，不具备编程、智能 重合闸等功能。 浙江大学顶士研究生毕业论文 ( 6 ) 、m 5 4 1 3 3 e g p 在中国的售价偏高，不利于竞争激烈的总级漏电保护器的 总体成本的降低。 以上分析了现有的总级漏电保护芯片m 5 4 1 3 3 e g p 存在的不足，针对这些不足 与缺点，本课题进行了一种多功能总级漏电保护芯片的全定制设计，本课题设计 的芯片与现有产品m 5 4 1 3 3 e g p 比较主要有以下一些优点： ( 1 ) 、具有对输入信号的有效性进行辨识的功能。由于漏电保护器通常工作 在强电、强磁场的环境下，存在着大量的干扰信号，而大多数干扰信号都是高能 量的短脉冲，因此在本芯片中，用数字控制模块对输入波形的脉冲宽度进行了一 个有效性检测，同时还对信号的连续性和持续时间进行了判定，有效地将许多干 扰屏蔽掉，从而提高芯片的抗干扰能力。 ( 2 ) 、采用数字延时代替传统的r c 延时方式。r c 延时方式采用外接电阻、 电容元件来控制时延，由于r c 独立元件的不稳定性，其控制的准确度不够，容 易造成不同保护级问的动作时间的交叉，从而发生上级开关先于下级开关动作的 情况，造成大范围停电的误动作。而要避免这种情况的发生，就要求不同保护级 之间设计的时延要有足够大的间隔，但这又降低了不同保护级之间相互配合的精 度。采用数字延时的方式则从根本上避免了不同级之间时延的交叉情况，在提高 内部控制精度的同时，可通过缩小不同级保护之间的延时间隔，来提高级间匹配 的精确度，同时由于不需要外围的元件，因而降低了成本。 ( 3 ) 、不同应用环境的可编程性：可通过对两个管脚的输入电平进行编码( 置 0 或1 ) 来调整该芯片的工作参数、指标，从而大大提高了该芯片适用的范围和 应用的灵活性，也方便了不同级之间的匹配。而进行编程只需要设置一下外部的 管脚电平，其它功能都在芯片的内部集成，也不需要改变外接的元件数目和参数， 因此使用十分简便。 ( 4 ) 、实现对开关的全面控制功能。由于有些电网开关会安装在人够不着的 地方，人工去控制电网开关很不方便，因此本芯片设计了对开关实行全面控制的 功能。芯片上电后，其监控范围内的电网的开关( 闸) 自动合上。当发生漏电情 况，经过内部数字逻辑控制模块处理，产生一跳闸信号，使开关断开。在开关断 开3 0 s 后，芯片自动产生一个合闸信号，使开关重新合上。此时对信号的稳定性 进行检测：如在5 s 内没再有漏电信号，即表示电网已经稳定，下次如因漏电而 浙江大学硕士研究生毕业论文 再断闸后，仍可以在3 0 s 后重合闸；如在5 s 内又有漏电信号而断闸，则断闸后 再也不重合闸。这样即保证了安全又可以给人们带来极大方便。 ( 5 ) 、具有报警功能，保障安全。在芯片发出断开开关信号或合上开关信号 后，如果存在意外的情况，开关不能在0 5 s 内断开或合上，芯片就会输出一报 警信号，从而引起人们的注意，避免不必要的危险发生。 ( 6 ) 、低功耗。由于芯片是c m o s 数模混合电路，而且大部分功能由c m o s 数 字电路实现，使芯片的功耗大大降低。相对于现在市场上的漏电保护芯片需要的 几十毫瓦，整个芯片的总功耗仅需1 5 m w 。 ( 7 ) 、采用全定制的方法，以优化电路和版图设计，减少芯片面积，降低了 成本。通过精心设计电路，在保证电路功能和性能的前提下，尽量精简电路，同 时通过合理的布局布线来优化版图设计，大大提高芯片面积的利用率，从而减少 芯片面积，降低成本，增加市场竞争力。 由上面可以看出本课题设计的芯片是一种多功能、高精度、抗干扰、可编程、 低功耗、低成本的总级漏电保护器专用i c 芯片。 1 0 浙江大学硕士研究生毕业论文 第二章芯片整体系统的设计 2 1 芯片管脚介绍 本课题所设计的总级漏电保护芯片，将使用到1 0 个管脚，芯片的管脚直观 图如图2 1 所示，对管脚的描述见表2 1 。 表2 1 芯片管脚描述表 锯电探姻片 图2 1 芯片的管脚直观图 管脚序号管脚名称 功能简介 p m lv d d电源电压( 5 v ) p i n 2l c s 漏电信号输入端( 1 e a k a g ec u r r e n ts i g n a l ) p i n 3v r e f 2 4 v 共模电压输出端( v o l t a g er e f 爵e n c e ) p 试4 o s o 跳闸信号输出端( o p e ns i g n a lo u t ) p i n 5 ( d地 p i n 6 跳闸或合闸失败报警输出 p i n 7s s 开关状态脉冲输入( s w i t c hs t a t ep u l s ei n p u t ) p i n 8 c s o 合闸信号输出端( c l o s es i g n a lo u t ) p i n 9l s l 编程端口高位( 1 e v e ls e i e c tp i no n e ) p i n l ol s 2 编程端口低位( 1 e v e ls e l e c t p i n t 、v o ) 下面将对表2 1 中的芯片管脚进行详细的介绍： 浙江大学硕士研究生毕业论文 p i n l 为芯片的电源管脚。由于本芯片使用的是上华5 v c m o s 工艺，所以使 用的电源电压为5 v 。 p i n 2 为漏电信号输入端，用来输入漏电感应器即零序漏电感应磁环监测到的 漏电信号。经过外部相关电路的转换，漏电流信号被转换成了5 0 h z 交流电压小 信号，该交流电压小信号将被叠加上p i n 3 管脚提供的共模电位上，然后由p i l l 2 输入供给芯片用作监测信号。 p i n 3 即为p i n 2 提供所需的共模电位的管脚，为2 4 v 直流电平。 p i n 4 为跳闸信号输出端，当芯片检测出存在漏电，出于漏电保护需要断开 开关时，该管脚上将会输出一波形占空比为1 ：8 ，脉宽为1 0 0 u s 的驱动脉冲， 去驱使开关断开。 p i n 5 为芯片的接地管脚。 p i n 6 为芯片跳闸或合闸失败报警输出管脚。当外部电路出现了故障，漏电保 护器不能正确地断闸或合闸时，p i n 6 管脚将输出高电平，用以报警，避免发生不 必要的危险。 p i n 7 为开关状态脉冲输入，用来输入当时外部开关的状态脉冲信号给开关控 制模块，从而使开关控制模块能够根据当时外部开关的状态来决定跳闸输出波产 生模块、合闸输出波产生模块及报警模块工作与否，从而控制开关的断开和闭合 以及是否需要报警。 p i n 8 为合闸信号输出端，当经芯片判断，符合自动合闸的条件时，该管脚 上将会输出一波形占空比为1 ：8 ，脉宽为1 0 0 u s 的驱动脉冲，去驱使开关重新 合上。 p i n 9 、p i n l 0 为外部的编程管脚，通过对这两个管脚编程( 置0 或1 ) 来实 现总级漏电保护器的分档设置。当两个管脚为o o 、0 1 、1 0 、1 1 则分别对应总级 漏电保护器的o 、1 、2 、3 档。通过对不同档设置不同的额定动作电流和额定动 作时间，则可使总级漏电保护器应用在各种不同的场合，增加其应用的普遍性。 2 2 芯片设计相关指标 本芯片中，总体的设计指标为芯片在各档下的动作电压和延时时间的相关要 求，如表2 2 中所示。当然除了表2 2 中的相关指标外，具体电路如脉宽检测电 浙江大学硕士研究生毕业论文 路、连续性检测电路、跳闸、合闸输出波产生电路、报警输出电路等都有相关时 间的指标，这些会在第四章介绍数字电路设计时介绍到，这里不再详述。 表2 | 2 芯片各档动作电压和延时时间相关指标表 l 编程管脚分档情况 动作电压延时时间动作电压延时时间 oo01 2 5 m vo 2 5 s2 0 m vo 0 6 s 0111 2 5 m v0 1 5 s 1 o2 1 2 5 m vo 2 5 s 1131 2 5 m vo 3 5 s 芯片应用在不同档的漏电保护器中时，可通过调整外部互感器线圈的匝数使 相同的动作电压对应于外部不同的漏电电流大小，即表2 2 中o o 档的第一阶及 0 l 、1 0 、1 l 档动作电压都为1 2 5 i n v ，但对应的实际漏电电流大小则不同，其大 小可根据实际情况、应用范围来决定。表2 2 中的2 0 m v 为0 0 档的第二阶，即在 o o 档下漏电电流比较大时( 为0 0 档第一阶漏电电流大小的1 6 倍) ，其延时时间 就要由原来0 0 档一阶的0 2 5 s 变为o 0 6 s ，使闸能在更短时间内断开，从而保证 人身和设备的安全。 2 3 芯片整体系统设计框图 本芯片整体设计框图如图2 2 所示。图2 2 中各个管脚与上面介绍的芯片管 脚相对应。 2 4 整个芯片的工作过程介绍 芯片整体工作情况：先将漏电信号经一漏电感应放大器放大，然后与波峰、 波谷比较器进行比较，再将比较器输出脉冲进行合成，然后进行脉宽检测、漏电 信号连续性检测和持续时间的判断，从而确保这个漏电信号是有效的，再向开关 控制模块输入一个相应的脉冲信号。开关控制模块根据开关所在的不同状态和输 入的不同的脉冲信号，输出相应的信号，来决定跳闸输出波产生模块、合闸输出 波产生模块及报警模块工作与否，从而控制开关的断开和闭合以及是否需要报 警。 浙江大学硕士研究生毕业论文 图2 2 芯片整体设计框图 2 5 各功能模块介绍 如图2 - 2 所示，整个芯片的功能可划分为模拟和数字两大部分。模拟部分主 要是作为外界和内部数字部分的接口，数字部分是主要的信号处理部分。下面先 分别介绍一下各个模拟模块将要实现的功能： 启动电路模块：由于“基准与偏置电路”采用带隙原理实现，所以需要外加 一个启动电路。 基准源电路模块：采用带隙原理，提供一个为受温度变化、电源电压变化影 响不大、性能良好的基准直流电平1 2 4 v 。 多个偏置电压产生电路模块：由于本芯片内部需要许多不同的偏置电压，而 基准源电路模块只能提供一个基准电压，所以需要“多个偏置电压产生电路”模 块。这个模块输入的是“基准源电路”模块提供的基准电压，输出的则是许多不 同电位的偏置电压。同时这个模块还起到将“基准源电路”模块与其他模块相隔 离的作用。 多个偏置电流产生电路模块：芯片内部同样需要许多不同的偏置电流，所以 需要“多个偏置电流产生电路”模块来产生多个性能良好的偏置电流。 浙江大学硕士研究生毕业论文 缓冲电路模块：由于芯片要为外部电路提供一个共模电压，需要较大的驱动 能力，因而不能直接使用“多个偏置电压产生电路”提供的偏置电压作为输出， 而需要用一个“缓冲电路”模块。 漏电感应放大器模块：这个模块由一个接成闭环放大状态的运放构成，将漏 电信号进行放大，因为输入的漏电流交流幅值偏小，将其差分放大可以提高对漏 电信号识别的灵敏度。 漏电幅度比较电路模块：包含波峰比较器模块和波谷比较器模块，主要用来 将漏电感应放大器放大后的漏电信号与根据各档动作电压所设定的阈值进行比 较，当放大后的漏电信号的波峰超过波峰比较器所设定的阈值，波峰比较器输出 高电平，当放大后的漏电信号的波谷低于波谷比较器所设定的阈值，波谷比较器 输出高电平。漏电幅度比较电路模块输出的脉冲作为芯片数字部分所要处理的信 号。 i c 0 振荡器电路模块：由于数字电路需要用到时钟脉冲信号，因此本芯片设 计了一i c 0 振荡器电路模块，来提供一1 0 k h z 的时钟信号。 复位电路模块：芯片上电时产生一复位信号对数字电路部分全部的触发器进 行清零，以保证电路的初始状态的正确，同时作为芯片一上电就要合闸的触发信 号。 以上介绍了图2 _ 2 中各个模拟模块的功能，下面介绍一下图2 2 中各个数字 模块所要实现的功能： 分频电路模块：由于芯片数字部分需要用到各个不同频率的时钟信号，而 i c 0 振荡器电路产生的时钟信号只有一个频率即1 0 k h z ，因此需要一些合适的分 频模块将1 0 k h z 进行分频，从而得到我们需要的频率。本芯片中经过一些分频 电路得到1 k 、0 1 k 、0 0 l k 和0 0 0 2 5 k h z 四个不同的时钟频率信号。 选择控制模块：根据两个编程管脚p i n 9 、p i n l 0 的输入状态，使由p i n 9 、p i n l o 所决定的那一档电路正常工作，而使其他档的电路不工作，即达到芯片的选档控 制。 脉冲合成模块：即将前面的波峰比较器输出脉冲和波谷比较器输出脉冲进行 叠加，合成为一个脉冲信号。其电路很简单，在接下来的第四章数字电路设计部 分就不作介绍了。 浙江大学硕士研究生毕业论文 脉宽检测模块：在芯片的应用中，为了减小干扰信号对芯片正常功能产生的 影响，在监测波形时首先应该判断这个输入脉冲的宽度是不是达到了一定的要 求，如果脉冲太窄，说明这是一个干扰产生的信号，将被舍弃，只有脉冲宽度达 到了一定要求的脉冲才能够被传输给下一级电路，这是因为外界的干扰信号如雷 击脉冲往往是暂时性的，只能够产生一个窄的脉冲干扰信号，典型值为几十个微 秒，这样经过脉冲宽度的判断后绝大部分的干扰信号都将被滤除，脉宽检测模块 就是实现这样一个功能，本设计中有效脉宽应大于l m s 【6 。 漏电信号连续性检测模块：为提高抗外界干扰的能力，经过脉宽检测的信号 还将进行连续性判断，因为输入漏电信号的频率是5 0 垃的，而且比较器对它们 的波峰和波谷的幅度都进行判断，所以连续性的含义是第一个信号消失后的1 0 毫秒内有另一个同类信号输入，否则就是不连续的。如果出现了不连续的情况， 就认为是干扰噪声，不予理会，计时器将被清零，重新开始对信号持续的时间进 行计时。 延时模块：根据表2 2 中芯片各档的延时时间指标，需要设计具有不同延时 时间的“延时模块”。 跳闸输出波产生模块：当符合跳闸条件时，产生一脉宽约为1 0 0 u s ，占空比 为l ：8 的脉冲信号，去驱动晶闸管动作，从而使闸断开。为增大跳闸输出波产 生模块的输出驱动能力，在其输出端使用了一输出驱动电路，输出驱动电流为 2 m a 。 合闸输出波产生模块：当符合合闸条件时，同样产生一脉宽约为1 0 0 u s ，占 空比为1 ：8 的脉冲信号，驱使外部电路使闸合上。同样，为增大合闸输出波产 生模块的输出驱动能力，在其输出端使用了一输出驱动电路，输出驱动电流也为 2 m a 。 跳闸失败报警输出：由于外部故障原因，跳闸时，闸不能在0 5 s 内顺利断 开，则跳闸失败报警输出模块输出一高电平报警信号。 合闸失败报警输出：由于外部故障原因，合闸时，闸不能在o 5 s 内顺利合 上，则合闸失败报警输出模块输出一高电平报警信号。 开关控制模块：开关控制模块实现对开关的全面控制，开关控制模块主要实 现如图2 3 中的逻辑控制。 1 6 浙江大学硕士研究生毕业论文 图2 3 开关控制逻辑图 图2 3 中各个状态介绍如下： a 、正常状态。电路正常工作时对漏电信号进行检测状态。 b 、跳闸的动作状态。此时产生跳闸输出波，如果在o 5 秒内开关成功断开 的话，就进入状态c ，如果失败的话，那么进入状态d 。 c 、电源开关暂时断开的状态。在这个状态，整个电路不响应任何输入，也 没输出，此时由开关控制模块来决定是否具备合闸条件，如果可以重合闸，那么 经过了3 0 秒后进入到状态e ，如果不可以重合闸，则直接进入状态i 。 d 、开关跳闸失败状态。跳闸失败报警输出管脚输出高电平。 浙江大学硕士研究生毕业论文 e 、自动重合闸状态。此时产生合闸信号，如果在规定时间内开关成功合上 的话，就进入状态f ，如果失败的话，那么进入状态g 。 f 、自动重合闸后的观察状态。如果在5 秒钟内没有检测到漏电信号，说明 外部环境已经恢复了正常，下面应该进入状态a 。否则进入状态h 。 g 、自动重合闸失败状态。进入这个状态说明外部电路出现了故障，开关不 能正确闭合。在这个状态，整个电路不响应任何输入，合闸失败报警输出管脚输 出高电平。 h 、重新断开开关状态。如果在0 5 秒内开关成功断开的话，那么进入状态 i ，如果失败的话，则进入状态d 。 i 、开关永久断开状态。在这个状态，整个电路不响应任何输入，也没有任 何输出，再也不能自动重合闸。 浙江火学硕士研究生毕业论文 第三章芯片模拟部分电路的全定制设计 在这一章中将讨论本总级漏电保护芯片模拟部分电路的全定制设计。本芯片 中模拟部分主要包括i c o 振荡器电路、复位电路、启动电路、带隙基准源电路、 多个偏置电压产生电路、多个偏置电流产生电路、缓冲电路、比较器电路和运算 放大器电路，其作用是作为芯片外围信号和内部逻辑控制部分的接口。 3 1i c 0 振荡器电路的设计 i c o 振荡器电路的作用是产生一个1 0 k h z 的振荡频率，提供给芯片数字部分 作为时钟频率。其电路设计如图3 1 所示。 酽 h 纠 h 6 刈 州j州 “_ j 一e p1 | 1 i c o i b i a1 i i b i i s 2 f _ 0 - f睁一。舾 i 。 y h x zj 。吨 吨 1 叫e l ，、i 目n d 图3 1i c o 振荡器电路图 图3 1 中，i c o i b i a s l 和i c o i b i a s 2 为图3 1 5 中多个偏置电流产生电路为 i c 0 振荡器提供的偏置电流，大小都为2 3 1 5 u a ，o u t 端为i c o 振荡器的输出， 给芯片数字部分作为时钟频率。 对i c o 振荡器电路的工作原理分析如下：电容c 通过m 1 管进行充电、通过 m 2 进行放电，充放电的电流大小都为i c 。i b i s a 2 ，而m 3 ，m 4 和m 5 将根据电 容c 上的电压变化情况使输出信号翻转，从而就控制了电容c 上电压变化的范围 ( 其具体变化范围可通过调整i c o i b i a s l 来决定) 。根据电容的大小、电容上电 压的变化值以及充放电电流的大小，就可以决定i c o 振荡器的振荡周期为( 2 c v ) i c o i b i a s 2 ，从而就能得到振荡频率为i c