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
- 在正相MLD期间使能GFT引脚约16ms
- 验证8mA RMS的CT电流
- SCR阳极电压通过SCM引脚预偏置至约3.3V
- 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：
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）
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