漏电保护器专用芯片优化设计与应用技术研究

论文摘要

随着我国经济建设的飞速发展,电网结构越来越复杂,人们对用电的安全性和可靠性的要求也日益提高,作为防止电气火灾,保护人们生命财产安全的一种有效手段,漏电保护器得到了广泛的运用。长年以来,国内漏电保护器市场都被国外进口的(或仿制的)控制芯片所占据,但是由于国外芯片在标准和设计思想方面与我国国情的差异,导致其并不特别适合中国电网的情况,例如误动作频繁,影响了漏电保护器的实际投运率和推广使用。为此针对国外芯片的不足和我国的实际国情,浙江大学微电子所研制了一套ZD系列漏电保护器专用控制芯片,具有抗干扰能力强和拥有自主知识产权等一系列优点,旨在替代国外进口芯片,填补国内空白。ZD系列芯片包括ZDHB家用型漏电保护器专用芯片(含一般型和S型)和ZDZB总级漏电保护器专用芯片,两块芯片配合使用,可以形成总级—中间级—末级的三级漏电保护体系。经过几年的努力,该系列芯片在CSMC 0.6um Mixed CMOS工艺上已完成了初步的设计和样品的流片测试,本论文在此基础上通过对已有ZD系列芯片的进一步分析,从样品向产品转化的角度,提出了其芯片面积还可进一步缩小、总级漏电保护芯片工作还不够稳定、芯片功能还可进一步扩充、未设计ESD保护、还不能通过“空间辐射”国家EMC标准的检测等不足之处,确定了相应的改进方案,从电路级到版图级对芯片进行了系统优化。另外本文还对芯片的应用电路进行了改进设计,在应用电路中增加了强电弱电隔离、抗高次谐波干扰、抗空间辐射干扰等功能,设计了一套较为完备的芯片应用系统,可供产品直接使用。本课题最终采用的是无锡华润上华5V 0.5um混合CMOS标准工艺实现。先后完成过三次MPW(多项目晶圆)流片,并对芯片进行了封装测试,测试结果理想。除因半导体加工工艺的原因,芯片尚存一定的离散性外,其它已有的缺点和不足之处均已克服,预期目标全部达到。同时配合漏电保护器整机测试,通过了各项国家标准指标和全部EMC电磁兼容测试,为芯片的产业化打下了坚实的基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 漏电保护器简介
• 1.1.1 使用漏电保护器的意义
• 1.1.2 漏电保护器的分类
• 1.1.3 电流型漏电保护器的工作原理
• 1.1.4 漏电保护器的相关国家标准
• 1.2 三级漏电保护体系介绍
• 1.3 主流漏电保护器简介
• 1.4 ZD系列漏电保护器专用芯片介绍
• 1.5 本课题的主要内容
• 1.5.1 原版芯片的不足
• 1.5.2 本课题的主要内容
• 第二章 ZD系列漏电保护器专用芯片介绍
• 2.1 ZDHB型家用漏电保护器（户保）专用芯片介绍
• 2.1.1 ZDHB芯片性能指标
• 2.1.2 ZDHB芯片管脚介绍
• 2.1.3 ZDHB芯片模块划分
• 2.2 ZDZB型总级漏电保护器（总保）专用芯片介绍
• 2.2.1 ZDZB芯片性能指标
• 2.2.2 ZDZB芯片管脚介绍
• 2.2.3 ZDZB芯片模块划分
• 2.3 ZD系列漏电保护专用芯片工作原理
• 2.3.1 漏电跳闸过程
• 2.3.2 过压保护过程
• 2.3.3 自动重合闸过程
• 第三章 芯片模拟电路部分的优化设计
• 3.1 复位电路的优化
• 3.2 时钟产生电路的优化
• 3.3 运算放大器的优化
• 3.3.1 差分输入方式比例运算电路
• 3.3.2 运算放大器结构
• 3.3.3 运算放大器仿真结果
• 3.4 分压电路的优化
• 3.4.1 分压电路基本原理
• 3.4.2 分压电路的电路结构及仿真结果
• 3.5 电流偏置产生电路的优化
• 3.5.1 电流偏置产生电路基本原理
• 3.5.2 电流偏置产生电路的电路结构
• 3.5.3 电流偏置电路仿真结果
• 第四章 芯片数字电路部分的优化设计
• 4.1 触发器电路的优化
• 4.2 漏电跳闸模块的优化
• 4.2.1 干扰滤除模块
• 4.2.2 延时控制模块
• 4.2.3 漏电跳阐功能的仿真
• 4.3 重合闸模块的优化
• 4.3.1 开关状态读取电路
• 4.3.2 上电合闸电路
• 4.3.3 稳定性判断电路
• 4.3.4 30秒延时重合闸电路
• 4.3.5 重合闸功能的实现
• 4.3.6 重合闸选择功测的实现
• 4.4 新增开关控制模块的设计
• 第五章 芯片的整体设计和物理实现
• 5.1 芯片的整体电路仿真验证
• 5.1.1 ZDHB户保芯片的整体仿真验证
• 5.1.2 ZDZB总保芯片的整体仿真验证
• 5.2 芯片版图的设计
• 5.2.1 上华0.5um工艺介绍
• 5.2.2 芯片版图设计介绍
• 5.2.3 ESD保护的设计
• 5.2.4 改进型ZDHB芯片版图设计
• 5.2.5 改进型ZDZB芯片版图设计
• 第六章 芯片应用系统的设计与实现
• 6.1 芯片应用系统的设计关键
• 6.2 ZDHB家用型漏电保护芯片应用系统的设计
• 6.2.1 芯片供电
• 6.2.2 漏电检测
• 6.2.3 过压检测
• 6.2.4 开关控制
• 6.3 ZDZB总级漏电保护芯片应用系统的设计
• 6.3.1 芯片供电
• 6.3.2 开关状态检测
• 6.3.3 开关控制
• 6.3.4 报警电路
• 第七章 芯片及其应用系统的测试
• 7.1 芯片测试
• 7.1.1 漏电保护功测的测试
• 7.1.2 户保芯片过压保护功能的测试
• 7.1.3 总保芯片合闸控制测试
• 7.1.4 总保报警功能测试
• 7.1.5 芯片温度特性的测试
• 7.2 芯片应用系统的测试
• 7.2.1 国家标准试验项测试
• 7.2.2 EMC电磁兼容测试
• 7.3 测试总结
• 回顾与展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果