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(jì)人員了解將信號(hào)傳入和傳出設(shè)備的挑戰(zhàn)。新技術(shù)具有誘人的特性，可以使設(shè)計(jì)更小、更簡(jiǎn)單、功耗更低、更快或四者兼而有之，但由于 IS 安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，尚不清楚您是否或如何使用它們。

介紹

如果您是本質(zhì)安全 （IS） 領(lǐng)域的新手，您可能會(huì)對(duì)術(shù)語和概念感到有些不知所措。它往往與其他電子設(shè)計(jì)截然不同，需要一段時(shí)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?xì)夥蘸突覊m周圍的安全有關(guān)。主要概念是，設(shè)計(jì)不能利用可用的能量產(chǎn)生火花或火焰，以便在每個(gè)可能的故障情況下，絕緣將保持不變。IEC 60079-11中列出的所有測(cè)試和設(shè)計(jì)指南都是為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)通過強(qiáng)制要求絕緣性能（例如厚度或沿表面的距離）來接近安全側(cè)。雖然這是接近絕緣安全的常用方法，但選擇的安全裕度比IEC標(biāo)準(zhǔn)中的典型安全裕度要保守得多。

本質(zhì)安全的世界分為兩個(gè)區(qū)域：粉塵和氣體造成危險(xiǎn)條件的本質(zhì)安全區(qū)域，以及世界其他地區(qū)（非IS區(qū)域）。在 IS 區(qū)域內(nèi)，能量有限，電壓往往在 24 V 至 60 V 范圍內(nèi)運(yùn)行，電流有限，在安全超低電壓 （SELV） 范圍內(nèi)運(yùn)行。在這種環(huán)境中，組件必須能夠耗散系統(tǒng)可以提供的最大功率，而不會(huì)產(chǎn)生火花或燃燒。這可以通過幾種方式實(shí)現(xiàn)。一種是制造堅(jiān)固耐用的組件，這些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(hù)輸入和輸出，這將功率限制在器件可以容忍的范圍內(nèi)。通常，限幅元件由一個(gè)用于限制電壓的齊納二極管和一個(gè)用于限制電流的保險(xiǎn)絲或電阻組成。如果您考慮一個(gè)具有少量組件的現(xiàn)代系統(tǒng)，那么它可能會(huì)開始成為圍繞每個(gè)有源組件的大量無源組件。你和我居住的非IS區(qū)域具有100 V至250 V范圍內(nèi)的線路電壓，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(huì)使其絕緣失效或?qū)е码娀』鸹ɑ驘齻M(jìn)入IS區(qū)域。這意味著非常堅(jiān)固的接口和保護(hù)設(shè)備能夠處理非常有能量的故障。強(qiáng)大的保護(hù)使用更多更大的元件和電路板空間。

我有沒有提到IS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)非常保守，不會(huì)迅速采用新技術(shù)？在區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)邏輯電平通信的首選技術(shù)是古老的光耦合器。光耦合器制造商與IS標(biāo)準(zhǔn)的保守絕緣要求之間存在緊張的關(guān)系。IS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣材料的質(zhì)量沒有太多假設(shè)，它只識(shí)別兩種類型的絕緣材料。第一種是鑄造化合物，可以覆蓋相對(duì)可靠的IC模塑料，以及控制較少的灌封化合物。第二種類型的絕緣材料是其他所有固體和絕緣材料，包括從玻璃和聚合物薄膜到蠟紙的所有內(nèi)容。這些絕緣材料的性能和應(yīng)用質(zhì)量可能差異很大。該標(biāo)準(zhǔn)采用保守的方法，并要求厚厚的絕緣層。當(dāng)光耦合器設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小厚度時(shí)，很難制造出以任何速度運(yùn)行的組件。在標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程中，我們努力降低絕緣穿透要求，從而允許使用性能更好的光耦合器。新的測(cè)試被創(chuàng)建，即光耦合器碳化測(cè)試，以驗(yàn)證光耦合器在施加非IS區(qū)域中可用的非常高的功率時(shí)不會(huì)破裂。結(jié)果充其量是喜憂參半的，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員和光耦合器公司對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，爆炸性環(huán)境部分 - 第 11 部分：本質(zhì)安全“I”版 6 的設(shè)備保護(hù) - 包含使系統(tǒng)安全用于爆炸性環(huán)境（如化工廠或可燃粉塵區(qū)域）的指南。該標(biāo)準(zhǔn)以四種方式表征隔離器器件。

絕緣材料周圍和沿表面的距離、爬電距離和電氣間隙

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(jí)，基于 IEC60664 絕緣協(xié)調(diào)和污染等級(jí) 2 或 3，具體取決于應(yīng)用。

容錯(cuò)

必須容忍最高可用系統(tǒng)電壓的故障，而不會(huì)燒毀、電弧或使絕緣失效。這可能需要外部組件，也不需要，具體取決于可用能量。這與高溫環(huán)境中的絕緣完整性有關(guān)——它不需要組件功能。

瞬態(tài)額定值

這將從 SELV 類型環(huán)境的安裝等級(jí)和系統(tǒng)電壓得出。在IS邊界內(nèi)，這通常為500 V rms，對(duì)于線路電壓，它可能高達(dá)6000 V峰.該表征與高壓應(yīng)力的絕緣完整性有關(guān)。它不需要組件功能。

通過絕緣層的距離

絕緣協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)只是簡(jiǎn)單地指出，絕緣穿透和磨損無法可靠地預(yù)測(cè)，必須通過實(shí)驗(yàn)得出。在IS非IS屏障的情況下，IEC60079-11標(biāo)準(zhǔn)選擇在安全方面犯錯(cuò)，并選擇了通過絕緣的距離值，該值足夠大，幾乎任何絕緣都是安全的。對(duì)于線路電壓，這意味著需要 1 mm 至 2 mm 的絕緣，對(duì)于受控環(huán)境，需要 0.2 mm。對(duì)于 IS 到 IS 接口，不適用通過絕緣的距離要求。

在 IS 應(yīng)用中必須跨越兩個(gè)屏障，即 IS 到非 IS 屏障，其中線路電壓存在于非 IS 側(cè)，以及本質(zhì)安全區(qū)內(nèi)部的 IS 到 IS 屏障，用于將系統(tǒng)內(nèi)的能量與分布式電容或電源隔離。功率通常處于 SELV 級(jí)別。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每種類型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(jì)人員在IS應(yīng)用中使用隔離器的能力？所需的爬電距離和間隙距離以及瞬態(tài)額定值與任何工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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是其承受故障條件的能力以及IEC60079-11標(biāo)準(zhǔn)表5或附錄F中要求的絕緣距離。

光耦合器已經(jīng)存在了大約50年。它們是IS設(shè)計(jì)可用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用于將邏輯電平信號(hào)傳入和傳出IS區(qū)域。很早就意識(shí)到，光耦合器的絕緣和功耗要求很高。例如，1 mm的通孔絕緣要求會(huì)大幅衰減光線，以至于高速光耦合器不實(shí)用?？梢灾圃斓退俟怦詈掀?，但其性能會(huì)受到影響。

多年來，隨著行業(yè)需要更多更快的通信，該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了變化。為適應(yīng)光耦合器做出了兩項(xiàng)努力。第一個(gè)是附件F，它是為比標(biāo)準(zhǔn)主體假設(shè)的更清潔的安裝環(huán)境（污染等級(jí)2）而制定的。這使得爬電距離和間隙更短。此外，穿透絕緣距離降低到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(gè)特殊的測(cè)試部分，用于表征光耦合器在IS至非IS邊界內(nèi)的故障，而無需外部限制元件。本節(jié)包括許多過載測(cè)試和稱為碳化測(cè)試的東西。不幸的是，這組測(cè)試非常嚴(yán)格，很少有光耦合器符合這部分標(biāo)準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)足夠容納光耦合器，可以使用它們制作可行的接口。然而，光耦合器在所有工業(yè)應(yīng)用中都具有的相同缺點(diǎn)在IS應(yīng)用中也是一個(gè)問題。也就是說，光耦合器現(xiàn)在體積大、速度慢、功耗大，在混合方向上集成其他功能甚至通道的能力有限，并且其參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移。

替代技術(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)字隔離器可以采用超低功耗、極小封裝、封裝中的多個(gè)通道方向、速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)、易于集成接口功能以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的性能。這些特性使它們對(duì)IS設(shè)備的設(shè)計(jì)者非常有吸引力。然而，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，它們使用厚度范圍為10μm至40μm的薄膜絕緣?；氐奖?的穿透絕緣要求或附錄F的0.2 mm，數(shù)字隔離器的絕緣比這些要求薄得多。此時(shí)，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都重重地嘆了口氣，再次開始翻閱光耦合器目錄。

沒那么快！您可能還記得，絕緣層周圍以及沿表面的距離、爬電距離和電氣間隙不適用于IS或IS隔離，因此可以在該邊界內(nèi)使用數(shù)字隔離器。在 IS 到 IS 應(yīng)用中，電壓通常限制在低于 SELV 電壓限值，并且功率也受到限制，因此瞬態(tài)隔離通常為 500 VPEAK，爬電距離和電氣間隙僅為 0.5 mm 至 4 mm，具體取決于所使用的工作臺(tái)。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(cuò)。

在IS到IS邊界的有限電壓和電流環(huán)境中，容錯(cuò)可以通過幾種方式處理，即保護(hù)I/O引腳和電源，或者設(shè)計(jì)和鑒定引腳以消耗足夠的功率。外部保護(hù)選項(xiàng)占用大量電路板空間，并且可能比采用小型封裝占用更多空間。另一種選擇是評(píng)估設(shè)備在生成實(shí)體參數(shù)的故障條件下的行為。實(shí)體參數(shù)是一組電壓、電流和功率限制，可保證零件不會(huì)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(huì)因耗散功率而經(jīng)歷溫升。這與最大額定環(huán)境溫度相結(jié)合，將給出IS熱分析中使用的最大封裝溫度。

實(shí)際示例，ADI公司ADuM144x四通道隔離器

ADI公司的ADuM144x系列i耦合器數(shù)字隔離器因其多項(xiàng)特性而引起IS系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的興趣。它可以消耗微安范圍內(nèi)的功率，具有 2 Mbps 的高數(shù)據(jù)速率，并在小型 QSOP 或 SSOP 封裝中具有 4 個(gè)數(shù)據(jù)通道，具有能夠承受絕緣的能力。爬電距離、電氣間隙和瞬態(tài)規(guī)格（超過 6000 V?峰），這些數(shù)字隔離器對(duì)于IS環(huán)境來說綽綽有余。該器件非常適合 1 Mbps SPI 通信。器件規(guī)格使該器件對(duì) IS 應(yīng)用具有吸引力，因?yàn)橥ㄟ^ IEC60079-11 評(píng)估使其易于使用。

與所有數(shù)字隔離器一樣，該系列器件的絕緣層不夠厚，無法實(shí)現(xiàn)IS到非IS隔離，并且尚未評(píng)估實(shí)體參數(shù)。這意味著該器件可以與IS-to-IS屏障中的外部保護(hù)設(shè)備一起使用。但是，該器件能夠承受足夠高的功耗故障，通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)試實(shí)體參數(shù)，可以生成允許器件在沒有保護(hù)的情況下使用，使其成為IS到IS環(huán)境的理想選擇。

ADI公司與CSA/SIRA合作，為該系列器件生成ATEX和IECEx認(rèn)證，使IS系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠輕松地將其納入其設(shè)計(jì)中。CSA/SIRA必須解釋現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中適用于數(shù)字隔離器的要求。例如，這些設(shè)備中使用的脈沖變壓器就其絕緣性能而言更接近電容器。它們存儲(chǔ)的能量很少，因此將變壓器設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)用于它們沒有意義。實(shí)體參數(shù)測(cè)試程序也必須從頭開始制定。

實(shí)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(shí)體參數(shù)限制，因此總功率將限制實(shí)際應(yīng)用中的電壓和/或電流。表2中的最高表面溫度反映了表征中測(cè)得的最大表面溫度。封裝越大，溫度越低。這是第一款獲得爆炸性環(huán)境通用組件級(jí)認(rèn)證的數(shù)字隔離器，因此符合該標(biāo)準(zhǔn)的所有制造質(zhì)量要求。

表 1.ADuM144x 實(shí)體參數(shù)

表 2.ADuM144x 熱特性

未來會(huì)怎樣？

在某些情況下，使用有限的數(shù)字隔離器是很好的，但是對(duì)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導(dǎo)致了使用受限或性能限制結(jié)構(gòu)。IS社區(qū)早就認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并且正在標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別解決該問題。正在研究一種用于IS隔離器的新方法，以納入該標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)修訂版，該方法將統(tǒng)一處理光隔離器和數(shù)字隔離器，并為當(dāng)前版本的標(biāo)準(zhǔn)中的絕緣穿透要求提供替代方案。避免使用外部保護(hù)設(shè)備所需的容錯(cuò)測(cè)試也正在簡(jiǎn)化。未來，在本質(zhì)安全應(yīng)用中，高性能數(shù)字隔離器器件將獲得更多的渠道。

審核編輯：郭婷