LEM漏电流传感器CTSR系列自检功能浅析

莱姆电子（中国）有限公司 深圳分公司 赵苏晋

    一：CTSR系列简介

    CTSR系列是LEM 在2011年发布的一款用于漏电流检测的传感器，该系列传感器基于Fluxgate原理，目前可实现对300ma，600ma，1A漏电流的检测，可应用于光伏，电力等需要漏电流检测的行业。在进行测量时候，将承载漏电流的接地线通过传感器中间的圆孔，通过测量传感器的输出推算出漏电流值。

    由于漏电流检测涉及到安全因素，因此不但要保证测量的精确性，同时也要保证器件本身是否正常。基于这个原因，LEM在该系列产品上增加了器件的自我检测的功能。目前该功能是市场上大部分同类产品所不具备的，本文即阐述这一功能的具体用法。

    自检的实现有2个级别，简单的自检是对传感器内部ASIC的检测，而更完善的自检则是对整个传感器输出测试电流，进而检测漏电流传感器精度的方式。

    二：简单自检功能用法

    CTSR系列的副边共有4个管脚，分别是VCC（电源），0v（地），Ref（参考脚），Out（输出脚）。
自检功能是配合使用Ref和Out两个管脚来完成的：

    首先，需要将Ref拉低至0v到1v范围内的低电平并持续至少30ms，此时传感器进入自检模式；

    然后，对Out管脚的输出电平Vout进行检测，如果在表1所述范围，说明传感器正常，否则说明该传感器已经失效；

    表1 自检模式下的Vout输出范围：

    将Ref管脚的低电平释放后40us，传感器结束自检模式，然后进入持续时间长约110ms的去磁模式，去磁结束之后才进入正常测量模式。整个时序详见下图：

    三：简单自检功能的实际使用

    在实际应用中，由于传感器的Ref和Out可能会传输比较长的距离，因此可能引入共模干扰，为了减少共模干扰以及温漂的影响，通常会将Ref与Out接成差分输入的方式。本文采用了TI公司的ADS1000作为AD转换器，该器件内置有PGA环节，可对差分输入量放大之后再进行AD转换。

    当CTSR的Ref用于输出模式时，Vout的输出范围可达2.5v±2v，因此如果需要得到整个测量范围的值，需设置PGA=1。

    实现自检模式时，将微控制器的IO口置为高电平，经U3跟随之后驱动Q1，此时Q1导通，由传感器内部的2.5V基准经过内部的500ohm电阻给Q1灌电流，将Ref拉低，当这一过程持续超过30ms，传感器开始自检，此时将AD采集得到的数据与表1中的数据进行比对。由于U1将Ref和Out接成差分模式，因此应该是将AD值与Vout和Vref的差值进行对比。

    例如采用CTSR 0.3-P时，如果发现AD采集值在[0.7，1.7v]的范围，则表明传感器自检成功，否则失败。

    自检结束之后，将微控制器的IO口置为低电平，此时Q1截止，Vref输出2.5v基准电压，40us后传感器进入去磁模式，去磁过程将持续110ms，之后传感器进入测量模式。

    如CTSR 0.3-P在测量300ma时，U1的输入差值为Vout-Vref=0.3*4=1.2v,ADS1000的理论输出CODE为：2048*1*1.2/5=492。

    四：全面自检功能用法

    在CTSR系列中，只有几个特定型号的产品具有全面自检功能，这些产品的内部均带有检测线圈。截至发稿为止有下面几个型号：

    检测线圈在传感器内的补偿线圈上绕20匝，这样就可以模拟原边电流进行检测。因此输出与测试电流的关系为：Vout-Vref=Gth*It（测试电流）*20

    根据IEC 62109-2标准中4.4.4.15.1和4.8.3.5规定，每次光伏逆变器在重启时，需利用漏电流传感器的检测线圈验证传感器的精度。此时可以利用恒流源给检测线圈注入测试电流。在测试结束之后，应该断开测试线圈回路，以免对正常测量形成干扰。此时，由于互感原理的作用，当原边电流发生瞬间变化时，开路的测试线圈两端可能会产生高压，因此电路中应该增加相关保护器件。

    下图是这一功能的一个测试示例，由TL431（U3）构建恒流源为线圈提供测试电流。当U2的IO管脚置为高电平时，Q2将恒流源接通，注入测试线圈的电流为 2.5v/R2=2.5v/160=15.6mA,相当于给原边通入15.6*20=312mA的电流。此时通过读取AD值与理论值312mA进行比对，对测量精度进行验证。

    验证完成之后，将U2的IO管脚置为低电平，Q2截止，测试线圈回路断开。此时可进行正常测量。另外在检测线圈两端跨接TVS管，当原边电流发生瞬变时，测试线圈耦合产生的能量通过TVS管释放。

    关于LEM

    莱姆作为电量传感器领域的市场先导者，为客户提供创新的技术和高质量的电量测量解决方案。其核心产品为电流电压传感器，可广泛应用于驱动与焊接、可再生能源与电源、铁路与轨道交通、高精度、传统汽车与新能源汽车等业务领域。莱姆的战略在于发挥其核心业务固有优势的同时，开发新的应用领域并在新的市场中寻求发展机遇。莱姆作为一家中等规模的全球化公司，在北京（中国）、日内瓦（瑞士）、町田（日本）、哥本哈根（丹麦）设有生产中心，各地的销售办事处能够为全球客户提供周到的服务。莱姆（LEM）集团于1986年在瑞士证券交易所上市（股市代码：LEHN）。莱姆电子（中国）有限公司是莱姆电子在中国的全资公司，在各地区设有销售办事处，为中国客户提供全球化的无缝服务。<