數(shù)字隔離器可用于本質(zhì)安全應(yīng)用

本質(zhì)安全 （IS） 設(shè)備的設(shè)計人員了解將信號輸入和輸出設(shè)備的挑戰(zhàn)。新技術(shù)具有誘人的特性，可以使設(shè)計更小、更簡單、更低功耗、更快，或四者兼?zhèn)?，但由?IS 安全標準的要求，尚不清楚是否或如何使用它們。

如果您是本質(zhì)安全 （IS） 領(lǐng)域的新手，您可能會對術(shù)語和概念感到有些不知所措。它往往是一個與其他電子設(shè)計不同的世界，需要一段時間才能接受術(shù)語和世界觀（雙關(guān)語）。讓我們回顧一下 IS 隔離器組件背后的主要概念。這一切都與易燃環(huán)境和灰塵周圍的安全有關(guān)。主要概念是設(shè)計不能利用可用的能量產(chǎn)生火花或火焰，因此在每一種可能的故障情況下，絕緣都將保持完好。IEC 60079-11 中列出的所有測試和設(shè)計指南都是為了實現(xiàn)這兩個目標。該標準通過強制要求絕緣性能（例如沿表面的厚度或距離）來接近安全方面。

本質(zhì)安全世界分為兩個區(qū)域：粉塵和氣體造成危險條件的本質(zhì)安全區(qū)域和世界其他區(qū)域（非 IS 區(qū)域）。在 IS 區(qū)域內(nèi)，能量是有限的，電壓往往在 24 V 至 60 V 范圍內(nèi)運行，電流有限，并且在安全超低電壓 （SELV） 范圍內(nèi)。在這種環(huán)境中，組件必須能夠消耗系統(tǒng)可以提供的最大功率，而不會產(chǎn)生火花或燃燒。這可以通過幾種方式來實現(xiàn)。一種是制造堅固的組件，可以在不加熱的情況下消耗大量功率。另一種是使用分立元件保護輸入和輸出，這會將功率限制在該部分可以承受的范圍內(nèi)。通常，限流元件由一個用于限制電壓的齊納二極管和一個用于限制電流的保險絲或電阻器組成。如果您考慮一個包含少量組件的現(xiàn)代系統(tǒng)，這可能會開始變成圍繞每個有源組件的大量無源組件。你和我居住的非 IS 區(qū)域的線路電壓在 100 V 到 250 V 范圍內(nèi)，電流可能不受限制。為了被稱為安全，隔離設(shè)備必須能夠承受線路電源故障，并且不會使其絕緣失效或?qū)е逻M入 IS 區(qū)域的電弧火花或燒傷。這意味著非常強大的接口和保護設(shè)備能夠處理非常活躍的故障。強大的保護使用更多更大的組件和電路板空間。這可以開始成為圍繞每個有源元件的大量無源元件。你和我居住的非 IS 區(qū)域的線路電壓在 100 V 到 250 V 范圍內(nèi)，電流可能不受限制。為了被稱為安全，隔離設(shè)備必須能夠承受線路電源故障，并且不會使其絕緣失效或?qū)е逻M入 IS 區(qū)域的電弧火花或燒傷。這意味著非常強大的接口和保護設(shè)備能夠處理非常活躍的故障。強大的保護使用更多更大的組件和電路板空間。這可以開始成為圍繞每個有源元件的大量無源元件。你和我居住的非 IS 區(qū)域的線路電壓在 100 V 到 250 V 范圍內(nèi)，電流可能不受限制。為了被稱為安全，隔離設(shè)備必須能夠承受線路電源故障，并且不會使其絕緣失效或?qū)е逻M入 IS 區(qū)域的電弧火花或燒傷。這意味著非常強大的接口和保護設(shè)備能夠處理非?；钴S的故障。強大的保護使用更多更大的組件和電路板空間。隔離設(shè)備必須能夠承受線路電源故障，并且不會使其絕緣失效或?qū)е码娀』鸹ɑ驘齻M入 IS 區(qū)域。這意味著非常強大的接口和保護設(shè)備能夠處理非?；钴S的故障。強大的保護使用更多更大的組件和電路板空間。隔離設(shè)備必須能夠承受線路電源故障，并且不會使其絕緣失效或?qū)е码娀』鸹ɑ驘齻M入 IS 區(qū)域。這意味著非常強大的接口和保護設(shè)備能夠處理非?；钴S的故障。強大的保護使用更多更大的組件和電路板空間。

我有沒有提到 IS 標準委員會非常保守，不會很快采用新技術(shù)？在區(qū)域之間獲得邏輯電平通信的首選技術(shù)是久負盛名的光耦合器。光耦合器制造商與 IS 標準的保守絕緣要求之間存在緊張關(guān)系。IS標準對絕緣的質(zhì)量沒有太多假設(shè)，它只承認兩種絕緣類型。第一種是澆注化合物，可以覆蓋相對可靠的 IC 模具化合物，以及控制較少的灌封化合物。第二種絕緣材料是所有其他固體和絕緣材料，包括從玻璃和聚合物薄膜到蠟紙的所有東西。這些絕緣材料的性能及其應(yīng)用質(zhì)量可能差別很大。該標準采用保守的方法并要求使用厚層絕緣。當光耦合器設(shè)計為標準中規(guī)定的最小厚度時，很難制造出以任何速度運行的組件。對標準的演進做出了努力，以降低貫穿絕緣的要求，從而允許使用性能更好的光耦合器。創(chuàng)建了新的測試，即光耦合器碳化測試，以驗證當應(yīng)用非 IS 區(qū)域中可用的非常高的功率時光耦合器不會破裂。結(jié)果好壞參半，大多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。該標準采用保守的方法并要求使用厚層絕緣。當光耦合器設(shè)計為標準中規(guī)定的最小厚度時，很難制造出以任何速度運行的組件。對標準的演進做出了努力，以降低貫穿絕緣的要求，從而允許使用性能更好的光耦合器。創(chuàng)建了新的測試，即光耦合器碳化測試，以驗證當應(yīng)用非 IS 區(qū)域中可用的非常高的功率時光耦合器不會破裂。結(jié)果好壞參半，大多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。該標準采用保守的方法并要求使用厚層絕緣。當光耦合器設(shè)計為標準中規(guī)定的最小厚度時，很難制造出以任何速度運行的組件。對標準的演進做出了努力，以降低貫穿絕緣的要求，從而允許使用性能更好的光耦合器。創(chuàng)建了新的測試，即光耦合器碳化測試，以驗證當應(yīng)用非 IS 區(qū)域中可用的非常高的功率時光耦合器不會破裂。結(jié)果好壞參半，大多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。制造以任何速度運行的組件變得困難。對標準的演進做出了努力，以降低貫穿絕緣的要求，從而允許使用性能更好的光耦合器。創(chuàng)建了新的測試，即光耦合器碳化測試，以驗證當應(yīng)用非 IS 區(qū)域中可用的非常高的功率時光耦合器不會破裂。結(jié)果好壞參半，大多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。制造以任何速度運行的組件變得困難。對標準的演進做出了努力，以降低貫穿絕緣的要求，從而允許使用性能更好的光耦合器。創(chuàng)建了新的測試，即光耦合器碳化測試，以驗證當應(yīng)用非 IS 區(qū)域中可用的非常高的功率時光耦合器不會破裂。結(jié)果好壞參半，大多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。驗證當在非 IS 區(qū)域應(yīng)用非常高的功率時，光耦合器不會破裂。結(jié)果好壞參半，大多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。驗證當在非 IS 區(qū)域應(yīng)用非常高的功率時，光耦合器不會破裂。結(jié)果好壞參半，大多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。

【圖1 | 本質(zhì)安全系統(tǒng)的隔離布局。］

IEC60079-11 的要求

IEC60079-11 標準的爆炸性環(huán)境部分——第 11 部分：本質(zhì)安全“I”版第 6 版的設(shè)備保護——包含使系統(tǒng)在爆炸性環(huán)境（如化工廠或有可燃粉塵的區(qū)域）中安全使用的指南。該標準以四種方式表征隔離器設(shè)備。

絕緣周圍和沿表面的距離、爬電距離和間隙

封裝的爬電距離和電氣間隙取決于所需的工作電壓和安裝等級，基于 IEC60664 絕緣配合和污染等級 2 或 3，具體取決于應(yīng)用。

容錯

必須容忍最高可用系統(tǒng)電壓的故障，而不會燃燒、產(chǎn)生電弧或使絕緣失效。這可能需要或不需要外部組件，具體取決于可用能量。這是關(guān)于高溫環(huán)境中的絕緣完整性——它不需要組件功能。

瞬態(tài)額定值

這將來自 SELV 類型環(huán)境的安裝等級和系統(tǒng)電壓。在 IS 邊界內(nèi)，這通常是 500 V rms，對于線路電壓，它可能高達 6000 VPEAK。這種特性是關(guān)于高壓應(yīng)力的絕緣完整性。它不需要組件功能。

通過絕緣層的距離

絕緣協(xié)調(diào)標準簡單地說，絕緣穿通和磨損不能可靠地預(yù)測，必須通過實驗得出。在 IS-非 IS 屏障的情況下，IEC60079-11 標準選擇在安全方面犯錯，并選擇了足夠大的絕緣距離值，幾乎所有絕緣都是安全的。對于線路電壓，這意味著需要 1 mm 到 2 mm 的絕緣層，而對于受控環(huán)境，則需要 0.2 mm。在 IS-to-IS 接口的情況下，不適用穿過絕緣層的距離要求。

在 IS 應(yīng)用中必須穿過兩個屏障，IS-to-non-IS 屏障，其中線路電壓出現(xiàn)在非 IS 側(cè)，IS-to-IS 屏障位于本質(zhì)安全區(qū)域內(nèi)部，用于將系統(tǒng)內(nèi)的能量與分布電容或電源隔離開來。功率通常處于 SELV 級別。該標準對每種屏障的隔離器提出了非常不同的要求。

隔離器屬性

IEC60079-11 要求如何影響設(shè)計人員在 IS 應(yīng)用中使用隔離器的能力？所需的爬電距離和電氣間隙以及瞬態(tài)額定值與任何工業(yè)標準的要求相似。幾乎所有的光耦合器和數(shù)字隔離器都可以滿足這些要求。決定隔離器適用性的因素是其耐受故障條件的能力以及表 5 或 IEC60079-11 標準的附錄 F 中要求的絕緣穿過距離。

光耦合器已經(jīng)存在了大約 50 年。它們是 IS 設(shè)計可用于將邏輯電平信號進出 IS 區(qū)域的標準技術(shù)。很早就意識到，光耦合器的絕緣和功耗要求很繁重。例如，1 毫米的穿透絕緣要求會使光衰減太多，以至于高速光耦合器不實用?？梢灾圃斓退俟怦詈掀?，但它們的性能會受到影響。

多年來，隨著行業(yè)需要更多更快的通信，該標準發(fā)生了變化。為適應(yīng)光耦合器做了兩項努力。第一個是附錄 F，它是為比標準正文假設(shè)的更清潔的安裝環(huán)境（污染等級 2）而制定的。這允許爬電距離和間隙更短。此外，通過絕緣的距離降低到 0.2 mm，這使得大多數(shù)光耦合器能夠滿足要求。其次，增加了一個特殊的測試部分來表征光電耦合器在 IS 到非 IS 邊界中的故障，而無需外部限制組件。本節(jié)包括許多過載測試和所謂的碳化測試。不幸的是，這組測試非常嚴格，以至于很少有光耦合器符合這部分標準。

該標準現(xiàn)在已經(jīng)容納了足夠多的光耦合器，可以使用它們制作可用的接口。然而，光耦合器在所有工業(yè)應(yīng)用中的相同缺點在 IS 應(yīng)用中也是一個問題。也就是說，光耦合器現(xiàn)在體積大、速度慢、耗電、集成其他功能甚至混合方向通道的能力有限，并且它們的參數(shù)會隨著時間而漂移。

另一種技術(shù)是數(shù)字隔離器，它可以解決光耦合器的幾乎所有功能問題。數(shù)字隔離器可以以超低功耗、非常小的封裝、一個封裝中的多個通道方向、高一個數(shù)量級的速度、易于集成的接口功能以及隨時間推移的穩(wěn)定性能運行。這些特性使它們對 IS 設(shè)備的設(shè)計者非常有吸引力。然而，為了實現(xiàn)這些特性，他們使用厚度在 10 μm 到 40 μm 范圍內(nèi)的薄膜絕緣材料。參考表 5 中約 1 mm 或附錄 F 中 0.2 mm 的貫穿絕緣要求，數(shù)字隔離器的絕緣層比這些要求薄得多。在這一點上，大多數(shù)設(shè)計人員都重重地嘆了口氣，又開始翻閱光耦合器目錄。

沒那么快！您會記得，絕緣周圍和表面的距離、爬電距離和間隙不適用于 IS 或 IS 隔離，因此可以在該邊界使用數(shù)字隔離器。在 IS-to-IS 應(yīng)用中，電壓通常限制在 SELV 電壓限值以下，并且功率也受到限制，因此瞬態(tài)隔離通常為 500 VPEAK，爬電距離和間隙僅為 0.5 mm 至 4 mm，具體取決于所使用的表格。 這意味著在這些接口中，可以利用數(shù)字隔離器提供的小型封裝。突然間，數(shù)字隔離器變得非常有吸引力。唯一需要解決的問題是容錯。

在 IS-to-IS 邊界的有限電壓和電流環(huán)境中，可以通過多種方式處理容錯，通過保護 I/O 引腳和電源，或通過設(shè)計和驗證引腳以消耗足夠的功率。外部保護選項會占用大量電路板空間，并且可能比采用小型封裝獲得的空間更多。另一種選擇是評估設(shè)備在生成實體參數(shù)的故障條件下的行為。實體參數(shù)是一組電壓、電流和功率限制，可確保部件不會產(chǎn)生電弧、破裂或使其絕緣失效。在這些條件下，器件可能會因耗散功率而導(dǎo)致溫度升高。這與最高額定環(huán)境溫度相結(jié)合，

實際示例：Analog Devices ADuM144x 四路隔離器

ADI 公司的ADuM144x系列i Coupler 數(shù)字隔離器因其多項特性而引起 IS 系統(tǒng)設(shè)計人員的興趣。它可以在微安范圍內(nèi)消耗功率，具有 2 Mbps 的高數(shù)據(jù)速率，并且在小型 QSOP 或 SSOP 封裝中具有 4 個數(shù)據(jù)通道，并且絕緣能夠承受。這些數(shù)字隔離器的爬電距離、電氣間隙和瞬態(tài)規(guī)格（超過 6000 VPEAK）對于 IS 環(huán)境來說綽綽有余。該器件非常適合 1 Mbps SPI 通信。零件規(guī)格使該零件對 IS 應(yīng)用具有吸引力，因為經(jīng)過 IEC60079-11 的評估使其易于使用。

與所有數(shù)字隔離器一樣，該系列設(shè)備沒有足夠厚的絕緣層來實現(xiàn) IS 到非 IS 隔離，并且沒有針對實體參數(shù)進行評估。這意味著該設(shè)備可以與 IS-to-IS 屏障中的外部保護設(shè)備一起使用。但是，該器件能夠容忍足夠高的功耗故障，通過適當?shù)臏y試實體參數(shù)，可以生成允許器件在沒有保護的情況下使用，使其成為 IS-to-IS 環(huán)境的理想選擇。

ADI 公司與 CSA/SIRA 合作，為該系列設(shè)備生成 ATEX 和 IECEx 認證，以使 IS 系統(tǒng)設(shè)計人員能夠輕松地將其納入他們的設(shè)計中。CSA/SIRA 必須解釋適用于數(shù)字隔離器的現(xiàn)有標準的要求。例如，這些設(shè)備中使用的脈沖變壓器在絕緣性能方面更接近電容器。它們存儲的能量很少，因此將變壓器設(shè)計規(guī)則應(yīng)用于它們沒有意義。實體參數(shù)的測試程序也必須從頭開始開發(fā)。

實體參數(shù)和環(huán)境條件如表 1 和表 2 所示。指定功耗是為了保持絕緣完整性，而不是超出安全方面的部分功能。這允許指定更高的功耗并消除外部組件。應(yīng)該注意的是，為了保證絕緣安全，必須滿足所有實體參數(shù)限制，因此在實際應(yīng)用中總功率將限制電壓和/或電流。表 2 中的最高表面溫度反映了在表征中看到的測量的最高表面溫度。較大的封裝具有較低的溫度。這是第一個通過通用組件級認證的數(shù)字隔離器，可用于爆炸性環(huán)境，因此滿足標準的所有制造質(zhì)量要求。

［表 1 | ADuM144x 實體參數(shù)］

［表 2 | ADuM144x 熱特性］

未來該何去何從？

在某些情況下，有限使用的數(shù)字隔離器非常有用，但對所有類型的隔離器應(yīng)用過于保守的非特定絕緣厚度要求會導(dǎo)致使用受限或結(jié)構(gòu)性能受限。IS 社區(qū)早就認識到了這一點，并且這個問題正在標準層面上得到解決。正在研究一種新的 IS 隔離器方法，以便將其納入標準的下一個修訂版，該修訂版將統(tǒng)一處理光隔離器和數(shù)字隔離器，并提供當前版本標準中貫穿絕緣要求的替代方案。避免使用外部保護設(shè)備所需的容錯測試也在簡化。

審核編輯：郭婷