自检接地故障断路器(GFCI) NCS37021技术解析与应用指南

安森美 (onsemi) NCS37021自检接地故障断路器（GFCI）是一款符合UL943标准的信号处理器，适用于GFCI应用，具备自检功能。该器件集成灵活的电源系统（包含12V分流器、两个3.3V内置串联稳压器及1.8V内置稳压器）、差分故障检测电路及零线接地检测电路。安森美 (onsemi) NCS37021的自检功能在启动时进行监控，之后每分钟重复一次。

数据手册；*附件：onsemi NCS37021自检GFCI数据手册.pdf

特性

• 符合UL943自检GFCI要求
• 工作电压范围：4.0V至12V（在适当的串联阻抗下，可适用于120VAC~~ 至480VAC~~ 电源输入）
• 宽工作温度范围：-40 °C至+95 °C
• 低静态电流
• 优化电磁阀驱动策略（线圈在交流电源过零点附近不通电）
• 电源监控器，用于验证二极管桥的完整工作状态
• 分级接地故障跳闸时间，增强抗噪能力
• 欠压检测功能可提升在较低AC输入电压下的运行能力
• 智能感应技术可区分接地故障与零线接地故障（防止误跳闸）
• 16引脚QFN封装
• 无铅

简化框图

自检接地故障断路器(GFCI) NCS37021技术解析与应用指南‌

1. 产品概述

NCS37021是一款符合UL943标准的自检型接地故障断路器信号处理器，该器件集成了灵活的电源系统（包括12V分流稳压器、两个3.3V内部串联稳压器和1.8V内部稳压器）、差分故障检测电路以及接地中性线检测电路，具备上电自检和每分钟周期性自检功能。

1.1 主要特性

• 满足UL943自检GFCI要求
• 4.0-12V宽电压工作范围（配合适当串联阻抗可支持120-480V交流电网）
• -40°C至95°C的宽工作温度范围
• 优化的电磁线圈驱动（在交流电网过零附近不激励线圈）
• 电源监控器验证全桥整流器工作
• 分级GF跳闸时间提高抗噪能力
• 欠压检测允许在较低交流输入电压下工作
• 智能感测区分接地故障与接地中性线故障（防止误跳闸）

2. 电气特性参数

2.1 极限参数

参数	符号	数值	单位
电源电压范围	Vs	13.5	V
电源电流	Is	10	mA
输入电压范围	Vin	-0.3至3.6	V
最大结温	TJ(max)	140	°C
存储温度范围	TSTG	-65至150	°C
ESD人体模型	ESDHBM	2	kV

2.2 工作参数

• ‌静态电流‌：1.3mA（典型值）
• ‌RMS跳闸阈值电压‌：160mV（5mA时）
• ‌SCR触发电流‌：4mA
• ‌SCR触发输出电压‌：3.3V
• ‌故障响应时间‌：
  • 5mA≤IDIFF<15mA：135ms
  • 15mA≤IDIFF<30mA：70ms
  • ≥30mA：20ms

3. 引脚功能详解

3.1 关键引脚说明

‌ CTG (引脚1) ‌：接地中性线电流互感器激励
‌ CTS (引脚4) ‌：差分电流输入
‌ CTO (引脚5) ‌：差分电流到电压输出
‌ IDF (引脚6) ‌：差分低通滤波器/ADC输入
‌ MLD (引脚10) ‌：主电网电平/欠压检测器
‌ GFT (引脚15) ‌：差分自检输出信号
‌ SCR (引脚16) ‌：SCR栅极驱动信号

4. 自检功能详解

4.1 自检时序

• ‌首次自检‌：上电后1秒进行
• ‌周期性自检‌：稳定状态下每分钟执行一次
• ‌自检失败‌：失败后测试间隔加速至12个交流周期

4.2 自检逻辑流程

1. 在正相MLD期间使能GFT引脚约16ms
2. 验证8mA RMS的CT电流
3. SCR阳极电压通过SCM引脚预偏置至约3.3V
4. 如果阳极电压降至约2.1V以下，自检周期被标记为通过

4.3 故障处理机制

• 连续7次自检失败将启用SCR
• 首次自检失败后LED以4Hz频率闪烁
• 自检通过后恢复1分钟检测间隔

5. 典型应用电路设计

5.1 GFCI插座应用

‌核心组件配置‌：

• 差分电流互感器CT1：1000:1
• GN电流互感器CT2：250:1
• 电容C1：1μF（SUP引脚保持电容）
• 电阻R4A：36kΩ（差分负载/CT低通滤波器）

5.2 电路断路器应用（半桥电源）

与GFCI插座应用类似，但采用不同的电源拓扑结构，适应断路器应用需求。

6. 设计注意事项

6.1 元件选型建议

• ‌SCR‌：建议使用Q1、Q2（NPN型）
• ‌晶体管Q3‌：推荐MMBT6517LT1-D
• ‌二极管‌：全部采用1N4007
• ‌电容C4‌：56nF（抗混叠滤波器，140Hz拐角频率）

6.2 关键参数设置

• ‌MLD电流限制电阻R2‌：1MΩ
• ‌GN灵敏度设置‌：电阻R6（0-10Ω）
• ‌自检电流控制‌：电阻R8：15kΩ

7. 应用领域

• ‌GFCI插座‌
• ‌负载面板GFCI断路器‌
• ‌在线GFCI电路（电源线）