深入解析NCS37010：高性能GFCI信号处理器

引言

在电气安全领域，接地故障电路断路器（GFCI）起着至关重要的作用。今天我们要深入探讨的是安森美（onsemi）推出的NCS37010，一款具备自测试和锁定功能的GFCI信号处理器，它在电气安全方面有着卓越的表现。

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一、NCS37010概述

NCS37010是一款完全符合UL943标准的信号处理器，专为GFCI应用而设计。它集成了灵活的电源供应（包括分流和LDO稳压器）、差分故障和接地中性检测电路。通过专有的阻抗测量和信号处理技术，它减少了外部组件的数量并提高了性能。此外，其特殊的DSP控制器在无需外部模拟滤波器的情况下，提供了一流的抗干扰负载能力。

在电源开启时，NCS37010会在60ms内进行一次自测试，如果测试通过则解除锁定。这个自测试包括差分、接地中性和螺线管测试。

二、产品特性

2.1 电气特性

• 宽电压范围：可在6.0 - 12V下运行，适用于120 - 480V交流电源（需适当的串联阻抗）。
• 低功耗：在6V时功耗小于15mW，非常适合对功耗有要求的应用。
• 工作温度范围：-40°C至85°C，能适应各种恶劣环境。

2.2 封装形式

提供16引脚QFN或20引脚TSSOP封装，方便不同的设计需求。

2.3 检测功能

• 单电流互感器（CT）检测：可检测差分和接地中性故障。
• 全面的自测试和跳闸指示监测：确保设备的可靠性。

2.4 其他特性

• 自同步内部振荡器：可根据交流电源频率调整，保证在50和60Hz配电系统上的全分辨率。
• 优化的螺线管部署：在交流电源过零点附近不激励线圈，减少干扰。
• 随机测试序列：最小化噪声和潜在的交流电源相互作用。
• 高抗干扰能力：对高达10A的干扰负载/噪声具有卓越的抗干扰能力，且不损失检测能力或CT饱和度。

三、引脚连接

3.1 QFN引脚描述

Pin #	Name	Pad Description
0	Ground	QFN中心焊盘
1	MLD	电源电平检测（过零）
2	CtresGN	确定IV转换器增益以匹配检测阈值和CT匝数比（接地中性）
3	Ctbias	直接连接到CT
4	Ctstim	直接连接到CT
5	CTresD	确定IV转换器增益以匹配检测阈值和CT匝数比（差分电流）
6	IDF	前端噪声滤波电容
7	GFtst	输出以诱导外部差分电流
8	GnEN	接地中性故障检测使能引脚
9	SCRtstEN	SCR/螺线管自测试使能引脚
10	TE	接地或浮空
11	PTT	按键测试输入
12	LObar	负载监测输入
13	LED[0]	LED[0]输出驱动
14	LO	锁定SCR输出驱动
15	SCRdrv	用于在检测到故障时触发螺线管
16	Supply	电源供应

3.2 TSSOP引脚描述

Pin #	Name	Pad Description
1	CTstim	电流互感器的差分和接地中性激励点
2	Ground	IC接地连接
3	CTresD	确定IV转换器增益以匹配检测阈值和CT匝数比（差分电流）
4	IDF	确定差分电流路径滤波器的转折频率
5	GFtst	输出以诱导外部差分电流
6	GnEN	接地中性故障检测使能引脚
7	SCRtstEN	SCR/螺线管自测试使能引脚
8	TE	接地或浮空
9	PTT	按键测试输入
10	LObar	负载监测输入
11	Ground	IC接地连接
12	LED[0]	LED[0]输出驱动
13	LO	锁定SCR输出驱动
14	SCRdrv	用于在检测到故障时触发螺线管
15	DVDD	内部数字5V稳压电源
16	AVDD	内部模拟5V稳压电源
17	Supply	12V分流稳压电源
18	MLD	电源电平检测（过零）和AM斜率检测（用于振荡器同步/调整和AM初始化）
19	CtresGN	确定IV转换器增益以匹配检测阈值和CT匝数比（接地中性）
20	CTbias	电流互感器的外部2V偏置

四、绝对最大额定值和热特性

4.1 绝对最大额定值

Rating	Symbol	Value	Unit
电源电压范围	Vs	6.0 to 14	V
电源电流范围	IS	10	mA
输入电压范围	Vin	-0.3 to 6.0	V
输出电压范围	Vout	-0.3 to 6.0 V或(Vin + 0.3)，取较低值	V
最大结温	TJ(max)	140	°C
存储温度范围	TSTG	-65 to 150	°C
ESD能力（人体模型）	ESDHBM	2	kV
ESD能力（机器模型）	ESDMM	200	V
焊接回流温度（仅SMD样式，无铅版本）	TSLD	260	°C

4.2 热特性

• QFN16（3x3.3mm）：热阻（结到空气）RθJA为64°C/W。
• TSSOP - 20：热阻（结到空气）需参考相关说明。

五、工作范围

Parameter	Conditions	Min	Typ	Max	Unit
工作温度		-40		85	°C
VS（典型功率状态）		6		13	V
IS（典型功率状态）		2			mA
激励发生器频率（三音）		3.1		3.4	kHz
SCR触发电流				8	mA
SCR触发输出电压（5V电源）		4.5		5.5	V
故障电流灵敏度（可编程，CTresD）		4.6	4.8	5	mA
接地故障响应时间（5 - 20 mA）				150	ms
接地故障响应时间（20 - 40 mA）				75	ms
接地故障响应时间（>40 mA）				25	ms
饱和故障响应时间（>300 mA）				1.4	ms
CT匝数比		200		300
接地中性检测阈值（总串联阻抗Rn和Rg）		3		6	Ω
内部振荡器频率			2		MHz
CT激励电流（内部限制）				1	mA
CT驱动闭环带宽			500		KHz

六、应用信息

6.1 典型应用

• 负载面板GFCI断路器：保障电气系统的安全。
• GFCI插座：为电器提供接地故障保护。
• 在线GFCI电路（电源线）：保护连接的设备。

6.2 推荐外部组件

Component Type	Instance	Value	Note
SCR	Q2 - Q3
	Dx		ON - 1N4007
	Q1		ON - MMBT6517LT1G
NMOS	M1		ON - NTK3043K
LED	L1
Capacitor			全桥整流器
	CapGN	1 - 10 nF	匹配电流互感器
Capacitor	CapIDF	220 nF	设置差分转折频率为1kHz
Capacitor	CapBias		CTbias电压的滤波组件
Capacitor	CapCT	2.2 - 10 nF	CT的滤波和谐振电容
Capacitor			滤波组件
Resistor	ResD	40 - 80k
Resistor	ResGN	100 - 400k	匹配电流互感器
Resistor	ResMLD	400 - 800k
	ResTI	400 - 800k	跳闸指示器（Tl）输入的限流电阻
		8 - 45k	全桥整流器电源
Resistor		1.3 - 30k	设置外部差分测试电流（8 mA）
	ResLED
Resistor	ResPTT	400 - 800k	SCR/螺线管测试所需
		10k
TVS

6.3 LED功能

Device Function	Device State	Status Indicator (Breaker)
Normal	No Power/ Line Load Reversed	OFF
Power Up	Blink once within 3 sec (Red)
Reset (Entered through PTT)	OFF
Tripped	OFF
Abnormal	Self - Test Fails (Tripped)	OFF
Self - Test Fails (Reset)	Blink (Red)
No Trip on Fault	Blink (Red)
Self - Test Fails to remove Lockout	Blink (Red)

6.4 滤波

IC的模拟信号捕获部分包括一个单极滤波器，可通过Cidf外部设置。Cidf = 220nF时为1kHz低通滤波器，能提供额外的保护，防止在稳态噪声条件下误跳闸。

6.5 设置跳闸灵敏度

• CTresD电阻：设置差分电流故障水平的阈值。增大CTresD会使故障水平在较低的差分电流下跳闸，同时需考虑CT在60Hz时的效率。计算公式为CTresD = 200 * #Turns - Subject CT efficiency at 60 Hz。
• CTresGN电阻：设置接地中性故障检测的阈值。Rt为所需的接地中性电阻跳闸水平，较高的CTresGN值会使器件在较高的接地中性阻抗下跳闸。计算公式为CtresGN = # Turns² * Rt / 2 - Subject to CT efficiency from 3 kHz to 4 kHz。

6.6 设置接地中性响应时间

Cgn用于定义接地中性检测电路的响应时间。模拟部分将阻抗转换为直流电压和高频（混叠）分量，电容用于去除高频分量，只保留阻抗的直流表示。计算公式为CTcapGN = 1.8E - 4 / CTresGN。

6.7 自测试

自动自测试每17分钟进行一次。如果检测到故障，将每秒重新测试一次，直到通过。如果连续3次测试失败，GFCI将指示自测试失败并跳闸。自测试包括：

• 差分接地故障测试：通过将GFtest输出高电平1个半周期来测试CT和内部差分检测信号路径。如果在此半波期间启用6 - 8 mA的差分电流，则测试通过；超过20 mA则检测到故障。
• 接地中性故障测试：通过在CTstim和CTbias引脚之间启用内部50k电阻来测试内部接地中性激励和检测路径。如果CTresGN上的电阻和电容连接，则GN自测试通过。
• 螺线管测试：当MLD上的电压约为4V时，断言SCRdrv输出。PTT引脚通过电阻连接到桥式整流器的输出。如果在断言SCRdrv引脚时PTT处的电压降至2V以下，则测试通过。测试通过或达到MLD引脚的过零点时，SCRdrv输出将被取消断言。可通过将SCRtstEN引脚接地来禁用螺线管/SCR测试。

6.8 锁定

上电时，NCS37010通过监测LObar输入引脚来确定负载的连接状态。如果负载连接，它将继续每17分钟进行一次自测试，并监测差分和GN故障。如果负载未连接，上电后60ms将进行一次自测试。如果自测试通过，将通过LO输出启用与负载的连接，该输出将断言16ms。

6.9 PTT

当PTT输入引脚断言时间超过80ms时，将进行一次自测试。如果测试成功，SCR将触发，使GFCI单元跳闸；如果测试失败，LED[0]引脚将闪烁表示失败。

6.10 GnEN

GnEN引脚浮空时将启用GN故障检测，实现完整的UL943 GFCI功能。如果将其接地，则禁用GN检测，适用于仅针对差分检测的在线GFCI插头和断路器。

七、订购信息

Device	Package	Shipping †
NCS37010MNTWG	QFN16 (Pb - Free)	3000 / Tape & Reel

需要注意的是，NCS37010DBRG已停产。

八、机械封装尺寸

文档中提供了QFN16 3x3, 0.5P和TSSOP - 20 WB的机械封装尺寸详细信息，包括各引脚的尺寸、公差等，为PCB设计提供了准确的参考。

总结

NCS37010是一款功能强大、性能卓越的GFCI信号处理器，具有多种特性和功能，能为电气系统提供可靠的接地故障保护。通过合理选择外部组件和设置参数，可以满足不同应用的需求。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用场景和要求，充分发挥NCS37010的优势，确保电气系统的安全性和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。