浪涌抑制器IC簡(jiǎn)化了用于危險(xiǎn)環(huán)境的電子產(chǎn)品本質(zhì)安全屏障的設(shè)計(jì)

隨著電子儀器儀表應(yīng)用的激增，越來(lái)越多的應(yīng)用需要足夠安全的設(shè)備才能在危險(xiǎn)環(huán)境中運(yùn)行?；S、煉油廠、油/氣井、煤炭和紡織業(yè)務(wù)都是使用電子儀器的潛在爆炸性環(huán)境的例子。為了在這種環(huán)境中安全運(yùn)行，儀器必須防爆。

向這些市場(chǎng)供應(yīng)設(shè)備的公司必須將保護(hù)集成到設(shè)計(jì)中。電子設(shè)計(jì)人員有責(zé)任考慮可用的安全措施，并以最小的成本和對(duì)正確電路運(yùn)行的影響實(shí)施這些措施。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，由于必須滿足許多危險(xiǎn)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)才能滿足全球或國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，這使得這項(xiàng)任務(wù)變得更加困難。盡管各種標(biāo)準(zhǔn)正在緩慢地走向協(xié)調(diào)，但在某些情況下，它們?nèi)匀幌嗷ッ堋?/p>

本文討論安全標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，以及滿足這些要求的方法。特別是，LT4356 系列過(guò)壓 / 過(guò)流保護(hù)器件提供了一種在電子設(shè)備中創(chuàng)建保護(hù)柵的高效而優(yōu)雅的方法。為了充分了解要求和解決方案，必須適度熟悉標(biāo)準(zhǔn)本身以及執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)。

本質(zhì)安全和危險(xiǎn)環(huán)境分類

簡(jiǎn)而言之，在危險(xiǎn)環(huán)境中，設(shè)計(jì)師的任務(wù)是防止點(diǎn)火源遇到爆炸性環(huán)境。有幾種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)此目的，本文重點(diǎn)介紹稱為本質(zhì)安全 （IS） 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)學(xué)科。圖1描繪了點(diǎn)火三角形，說(shuō)明燃料、氧化劑和點(diǎn)火源必須全部存在才能發(fā)生爆炸。有幾種技術(shù)只是防止現(xiàn)有的點(diǎn)火源接觸爆炸性環(huán)境，而本質(zhì)安全設(shè)計(jì)實(shí)際上消除了點(diǎn)火源。表 1 中列出了主要的保護(hù)技術(shù)。

圖1.點(diǎn)火三角形。

分離技術(shù)非常適合許多應(yīng)用，但需要特殊的密封方法和物質(zhì)，通常會(huì)形成永久性屏障，使維修或服務(wù)變得不可能。施工技術(shù)是機(jī)械方法，同樣需要特殊材料。

只有本質(zhì)安全技術(shù)允許正常的儀器制造方法和材料，并且不需要特殊的結(jié)構(gòu)或包裝。此外，IS電路可以在有電源的情況下提供服務(wù)，并且通常是獲得認(rèn)證的最低成本方法。此外，ATEX 0 區(qū)僅允許使用經(jīng)過(guò) IS 認(rèn)證的設(shè)備（指令 94/9/EC ATEX“大氣爆炸物”）。這是真的，因?yàn)閮x器設(shè)計(jì)確保沒(méi)有足夠的電能（火花）或熱能作為點(diǎn)火源。具體而言，本質(zhì)安全電路是指在主要標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60079-2006）規(guī)定的條件下產(chǎn)生的任何火花或任何熱效應(yīng)（包括正常運(yùn)行和指定的故障條件）都不能引起給定爆炸性氣體環(huán)境的點(diǎn)火。

一些機(jī)構(gòu)監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)的遵守情況，并向制造商頒發(fā)證書。在北美FM，UL和CSA管理IEC-79系列標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，而歐盟的ATEX標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性主要由DEMKO認(rèn)證。所需的保護(hù)級(jí)別取決于儀器運(yùn)行的環(huán)境。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和操作守則根據(jù)爆炸風(fēng)險(xiǎn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行分類。存在的氣體/蒸氣/粉塵的類型和揮發(fā)性及其存在的可能性決定了這種風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)司法管轄區(qū)的不同，分類系統(tǒng)按類別/部門（北美）或區(qū)域（歐盟）進(jìn)行。這些系統(tǒng)通常是兼容的，就本文而言，我們專注于類別/部門系統(tǒng)，因?yàn)樵S多國(guó)家/地區(qū)已采用IEC79系列標(biāo)準(zhǔn)，這是現(xiàn)有所有標(biāo)準(zhǔn)中最充分利用和協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)電氣設(shè)備和易燃材料同時(shí)存在時(shí)，必須對(duì)設(shè)備和爆炸性環(huán)境進(jìn)行分類。所提供的保護(hù)水平必須等于或優(yōu)于在此類環(huán)境中使用的標(biāo)準(zhǔn)所要求的水平。環(huán)境或“植物”根據(jù)爆炸性環(huán)境的類型（類和組）和存在概率（分區(qū)）進(jìn)行分類。設(shè)備根據(jù)暴露于危險(xiǎn)環(huán)境中的設(shè)備的任何組件的最高表面溫度（溫度代碼）以及它可以在火花事件中產(chǎn)生或釋放的最大能量（設(shè)備組）進(jìn)行分類。重要的是要了解表面溫度與點(diǎn)燃給定氣體所需的火花點(diǎn)火能量之間沒(méi)有關(guān)系。表 2 總結(jié)了這些限制。

電子設(shè)計(jì)在本質(zhì)安全中的作用

標(biāo)準(zhǔn)IEC79-11中將IS電路定義為：

“在本國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下（包括正常運(yùn)行和規(guī)定的故障條件）下產(chǎn)生的任何火花或熱效應(yīng)都不能在給定的爆炸性氣體環(huán)境中引起點(diǎn)火的電路?！?/p>

因此，電路必須包含安全元件，以防止火花或熱能達(dá)到足以在故障條件下引起爆炸的水平。電路設(shè)計(jì)人員有責(zé)任將這些保護(hù)元件整合到設(shè)計(jì)中，同時(shí)仍保持適當(dāng)?shù)碾娐愤\(yùn)行。這很少是一件容易的事。

任何設(shè)計(jì)用于危險(xiǎn)環(huán)境的設(shè)備都可以歸類為簡(jiǎn)單或非簡(jiǎn)單設(shè)備。在不贅述的情況下，如果一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)備包含無(wú)源元件，不產(chǎn)生或存儲(chǔ)大于1.5V，100mA和25mW的大量能量，則不需要機(jī)構(gòu)認(rèn)證。簡(jiǎn)單裝置的例子有電阻器、二極管、LED、光電管、熱電偶、開關(guān)、接線端子等。出于顯而易見(jiàn)的原因，我們不會(huì)詳述此類設(shè)備。

電子儀器設(shè)計(jì)人員關(guān)注的非簡(jiǎn)單IS設(shè)備被歸類為“Ex ib”（可能有一個(gè)可數(shù)故障）和“Ex ia”（可能有兩個(gè)可數(shù)故障）?？蓴?shù)故障是指檢查員為分析防止熱和火花點(diǎn)火故障的功效而施加的任意故障。不可計(jì)數(shù)的故障不是由元件故障引起的，而是由電路間距問(wèn)題引起的，例如爬電距離/間隙、元件電壓/電流/額定功率不當(dāng)或元件結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員的工作是確保他的元件選擇和電路布局不包含任何不可計(jì)數(shù)的故障，否則他可能無(wú)法僅憑這些故障進(jìn)行認(rèn)證。

在合規(guī)性檢查期間，允許評(píng)估員通過(guò)一個(gè)（Ex ib）或兩個(gè)（Ex ia）保護(hù)組件，并探索這些故障對(duì)安全性的影響。如果這些故障不會(huì)降低電路的安全功能，則設(shè)備將獲得危險(xiǎn)場(chǎng)所認(rèn)證。參考表 2，I類 1 分區(qū) IIC 組認(rèn)證，T6 允許在任何危險(xiǎn)環(huán)境中運(yùn)行，包括 ATEX 0 區(qū)區(qū)域。顯然，Ex ia是最難獲得的認(rèn)證，制造商應(yīng)該確定他必須具有這種級(jí)別的保護(hù)，然后再產(chǎn)生這樣做的成本。大多數(shù)應(yīng)用只需要 I/1 級(jí)或 2 級(jí)（1 區(qū)）認(rèn)證。

屏障概念

將功率/電壓/電流限制在特定環(huán)境的安全水平的屏障必須調(diào)節(jié)危險(xiǎn)位置和非危險(xiǎn)位置之間的任何電源或信號(hào)流。這種屏障在標(biāo)準(zhǔn)中稱為相關(guān)設(shè)備。重要的是要認(rèn)識(shí)到，包含保護(hù)組件的IS屏障位于非危險(xiǎn)區(qū)域，并為危險(xiǎn)區(qū)域中的IS認(rèn)證設(shè)備（包括簡(jiǎn)單設(shè)備）供電。兩臺(tái)設(shè)備都必須遵守IS規(guī)則。也就是說(shuō)，對(duì)于Ex ia認(rèn)證，兩個(gè)單元都必須被批準(zhǔn)遭受雙重故障，同時(shí)保持點(diǎn)火安全，如圖2所示。只要設(shè)備是安全的，設(shè)備的正?；蚩射N售操作與審查員無(wú)關(guān)。

圖2.隔離/保護(hù)屏障位置。

屏障的概念是獲得合規(guī)性的有力工具。很明顯，圖2中的非危險(xiǎn)區(qū)域屏障必須限制危險(xiǎn)區(qū)域中IS設(shè)備可用的總功率。然而，在危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)備內(nèi)也可能存在多個(gè)屏障。內(nèi)部屏障可用于進(jìn)一步限制設(shè)備內(nèi)子電路的功率，以防止應(yīng)用多個(gè)可計(jì)數(shù)故障。

從廣義上講，保護(hù)元件是串聯(lián)型或并聯(lián)型。限流電阻是最常見(jiàn)的串聯(lián)保護(hù)器件，而限壓齊納二極管是最常見(jiàn)的并聯(lián)保護(hù)器件。當(dāng)組合使用以限制功率時(shí)，保護(hù)裝置被稱為屏障。保持真正電流隔離的屏障稱為“隔離器”。隔離器的例子有變壓器、電容耦合器和光耦合器。然而，隔離器不會(huì)提供直流電源或傳輸直流信號(hào)，因此與本次討論無(wú)關(guān)。我們不會(huì)深入研究使用電阻器或二極管來(lái)隔離儲(chǔ)能元件以提供火花點(diǎn)火保護(hù)，但這在標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定，與電流隔離器的概念不同。

安全組件和屏障設(shè)計(jì)

根據(jù)用于設(shè)計(jì)它們的組件，可以將屏障分類為被動(dòng)或主動(dòng)。被動(dòng)屏障具有概念簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)和在市場(chǎng)上隨時(shí)可用的優(yōu)勢(shì)。但是，受保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須承受勢(shì)壘施加的電壓負(fù)擔(dān)，并且仍然正常運(yùn)行。被動(dòng)屏障能效低下且體積龐大。如果必須將任何超過(guò)幾毫瓦的功率傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，則安全組件將變得非常大。

主動(dòng)屏障在效率和組件尺寸方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但通常更難設(shè)計(jì)，并且生產(chǎn)成本可能更高。此外，這些通常是不容易重用的定制設(shè)計(jì)。主動(dòng)障礙最嚴(yán)重的缺點(diǎn)不是概念上的，而是官僚主義的。分析屏障設(shè)計(jì)的審查員完全熟悉常見(jiàn)的無(wú)源設(shè)計(jì)，在批準(zhǔn)有源設(shè)計(jì)之前，可能需要實(shí)際的火花測(cè)試（費(fèi)用由您承擔(dān)）。然而，正如我們將看到的，LT4356 系列浪涌抑制器 IC 可用于設(shè)計(jì)一個(gè)有源屏障，其參數(shù)可輕松更改，以快速提供定制屏障。由于基本電路拓?fù)洳粫?huì)有太大變化，一旦這種有源設(shè)計(jì)獲得批準(zhǔn)，當(dāng)僅進(jìn)行元件值更改時(shí)，它將更容易獲得批準(zhǔn)。如果 IS 儀器 供應(yīng) 商 只 執(zhí)行 一些 IS 屏障 設(shè)計(jì)， 則 可 顯著 節(jié)省 的 能效、 屏障 尺寸 和 成本。

為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供直流電源的相關(guān)設(shè)備的無(wú)源設(shè)計(jì)，即屏障，利用三種古老的無(wú)源器件來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)：保險(xiǎn)絲、電阻器和齊納二極管。1.5 或 1.7 的安全系數(shù)適用于這些設(shè)備參數(shù)。此外，對(duì)于“ia”保護(hù)級(jí)別的雙故障保護(hù)，需要多個(gè)冗余組件。圖3顯示了最常見(jiàn)的被動(dòng)屏障設(shè)計(jì)類型作為示例。

圖3.簡(jiǎn)單的無(wú)源元件屏障。

只有齊納二極管可以限制開路電壓，只有電阻器和保險(xiǎn)絲可以限制電流。保險(xiǎn)絲不被視為火花點(diǎn)火能量限制裝置，因?yàn)樗姆磻?yīng)時(shí)間很慢。在每種情況下，器件都會(huì)耗散功率，并且必須正確額定值。Zeners實(shí)際上確實(shí)吸收了一些反向漏電流，即使它們沒(méi)有完全打開。

檢查員假設(shè)齊納電壓拐點(diǎn)出現(xiàn)在其公差的高端，通常為5%。齊納的額定功率必須為勢(shì)壘最大功率的 1.5 倍，電阻器的額定功率必須為最大功率的 1.5 倍，保險(xiǎn)絲假定通過(guò)其額定電流的 1.7 倍。假定電阻處于其容差范圍的低端。所有有源和無(wú)源器件還必須具有絕對(duì)最大擊穿電壓規(guī)格，該規(guī)格是它們?cè)谡；蚬收蠗l件下遇到的最大工作電壓的 1.5 倍。這些假設(shè)不是為了挫敗電子設(shè)計(jì)師，而是為了達(dá)到最壞情況下的屏障性能，總是在安全方面犯錯(cuò)。

假設(shè)勢(shì)壘通過(guò)的最大功率為 V超頻?我南卡羅來(lái)納州= P.MAX/2當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的阻抗等于勢(shì)壘源阻抗時(shí)，最大功率傳輸點(diǎn)。對(duì)于此分析，假設(shè)電阻值為 （R – %容差）和 V超頻在 （Vz + %容差）。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的任何組件都必須能夠承受P.MAX/2除非通過(guò)次要手段以較低的值進(jìn)行保護(hù)。如果我們假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只不過(guò)是一個(gè)LED，那么LED必須能夠耗散P.MAX/2不超過(guò)設(shè)備表面溫度代碼，例如 T85 額定產(chǎn)品的 6°C。

在實(shí)際的屏障設(shè)計(jì)中，保護(hù)元件冗余對(duì)于合規(guī)性是必要的，特別是對(duì)于齊納二極管。對(duì)于 Ex ib 額定設(shè)備，需要兩個(gè)并聯(lián)齊納二極管，對(duì)于 Ex ia 防護(hù)等級(jí)，需要三個(gè)并聯(lián)齊納二極管。請(qǐng)注意，齊納功率耗散額定值取決于保險(xiǎn)絲清除。如果沒(méi)有保險(xiǎn)絲，則必須提供證據(jù)證明齊納二極管可以無(wú)限期地耗散全部阻隔功率，而不會(huì)發(fā)生故障或超過(guò)設(shè)備的額定溫度。此外，IEC79 標(biāo)準(zhǔn)要求必須封裝所有未包含在認(rèn)可座中的保險(xiǎn)絲。對(duì)保護(hù)電阻器還有進(jìn)一步的要求：它必須是“萬(wàn)無(wú)一失的”。如果兩個(gè)電阻串聯(lián)使用，則每個(gè)電阻器的值必須足夠高，以便在其中一個(gè)電阻短路時(shí)限制電流。如果兩個(gè)電阻并聯(lián)使用，則必須指定每個(gè)電阻器，以便在一個(gè)電阻失效開路時(shí)消耗最大故障功率。絕對(duì)可靠的電阻器是金屬膜、陶瓷釉面繞線或帶有保形涂層的厚膜 SMD 類型之一，所有這些都具有合適的爬電距離/間隙間距，以避免不可計(jì)數(shù)的故障。絕對(duì)可靠的電阻被認(rèn)為僅在開路時(shí)失效。檢查人員可能會(huì)將其視為一個(gè)可數(shù)故障，但除非它揭示電阻下游的故障，否則不會(huì)為分析提供信息。

盡管它們很簡(jiǎn)單，但被動(dòng)屏障在功率損耗和尺寸方面付出了高昂的代價(jià)。只有當(dāng)最大功率的輸入阻抗等于柵內(nèi)限流電阻器的電阻時(shí)，才會(huì)將最大功率傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而這僅僅是提供給勢(shì)壘的功率的一半。如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要超過(guò)幾毫瓦的功率，則勢(shì)壘電阻器可能會(huì)變得很大?？梢岳斫獾氖?，這種電阻器價(jià)格昂貴，值范圍有限，并且難以供電和安裝。如果設(shè)計(jì)中不包含保險(xiǎn)絲，齊納二極管同樣會(huì)變得笨重且昂貴。保險(xiǎn)絲必須封裝（第7.3段）這一事實(shí)通常規(guī)定整個(gè)屏障都已封裝，使其無(wú)法維修，而且制造起來(lái)很混亂，而且成本更高。

確定最大安全現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功率限制

可以通過(guò)相關(guān)設(shè)備屏障傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際功率完全取決于儀器供應(yīng)商尋求的認(rèn)證級(jí)別。這反過(guò)來(lái)又完全取決于它將遇到的環(huán)境。

所需的等級(jí)和部門評(píng)級(jí)很容易確定。但是，易燃?xì)怏w/粉塵類型決定了設(shè)備組和 T 代碼。氫氣具有相對(duì)較高的點(diǎn)火溫度（560°C）和非常低的火花點(diǎn)火能量（20μJ）的事實(shí)表明，在尋求認(rèn)證測(cè)試之前必須仔細(xì)考慮這些參數(shù)。在這里，我們將討論僅限于I類位置，地面操作中的氣體和蒸汽，II組。為了確定在屏障的輸出端可以有多少功率可用，并且仍然可以安全地故障開路或短路，我們利用標(biāo)準(zhǔn)中公布的經(jīng)驗(yàn)確定的氣體點(diǎn)火曲線。這些曲線表示給定氣體組允許的最大電壓和電流。

標(biāo)準(zhǔn)中公布了三個(gè)圖表，一個(gè)用于電阻，電感和電容電路。圖4顯示了簡(jiǎn)單電阻電路的曲線。為了便于討論，我們假設(shè)我們正在處理火花點(diǎn)火的最惡劣環(huán)境，乙炔，IIA組。參考圖4，在20V電壓下超頻似乎高達(dá) 400mA I南卡羅來(lái)納州允許無(wú)著火危險(xiǎn)。此外，該功率不得允許相應(yīng)的表面溫升高到足以在正?；蚬收蠗l件下熱點(diǎn)燃?xì)怏w。

圖4.電阻電路火花點(diǎn)火曲線。

一些權(quán)威機(jī)構(gòu)建議降低電壓V超頻10% 和當(dāng)前 I南卡羅來(lái)納州33%。這在標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60079-11，10.1.4.2）的安全系數(shù)下有所說(shuō)明。限流串聯(lián)電阻的計(jì)算值為V超頻/我南卡羅來(lái)納州= 20/0.4 = 5Ω.電阻必須耗散的功率為 V超頻?我南卡羅來(lái)納州或（I南卡羅來(lái)納州）2/R 或 （V超頻）2/R，以電路操作或故障期間的最高值為準(zhǔn)。簡(jiǎn)單的計(jì)算表明，即使是很小的功率也可能需要相當(dāng)大的限流電阻。最后要注意的是：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)，T4（135°C）溫度代碼會(huì)自動(dòng)授予任何使用1.3瓦或更低功率的電路。

利用 LT4356 浪涌抑制器作為本質(zhì)安全柵

LT?4356 系列過(guò)壓 / 過(guò)流限制器是設(shè)計(jì)具有最少部件數(shù)量和功耗浪費(fèi)的有源保護(hù)柵的絕佳選擇。認(rèn)識(shí)到這一事實(shí)，凌力爾特提供采用 16 引腳 SO 封裝的 IC，其引腳間距足以避免在封裝時(shí)因不可計(jì)數(shù)故障而影響設(shè)計(jì)。對(duì)于高達(dá)10V的電壓，一些標(biāo)準(zhǔn)要求爬電距離為1.5mm（59.1mil），最高2V的爬電距離為0.78mm（7.30mil）。在2006 79系列標(biāo)準(zhǔn)之前，由于50引腳SO封裝的引線間距為1 mil（2.16mm），因此必須封裝IC以滿足這些要求，但封裝具有提高電路中任何相關(guān)元件的熱限制的額外優(yōu)勢(shì)。

然而，最新版本的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)IEC60079-11（第5版2006-07）大大降低了印刷電路板上的這些爬電距離要求，當(dāng)設(shè)備以符合侵入保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的方式封閉時(shí)。這些標(biāo)準(zhǔn)被稱為IP等級(jí)，可防止灰塵或濕氣進(jìn)入，從而保證污染程度為2或更低。這個(gè)想法是電路板保持越干凈和干燥， 電路板的 CTI 越低 （比較漏電起痕指數(shù)） 并且發(fā)生漏電流的可能性就越小.因此，79-11的附錄F僅允許0.2mm爬電距離，最高可達(dá)50V，適用于I類環(huán)境。由于大多數(shù)儀器儀表都是封閉的，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)該使用具有高IP等級(jí)的外殼，例如IP67或IP68，以避免封裝要求。除非必須封裝以滿足熱限制，否則最好避免其成本和相關(guān)問(wèn)題。

圖 5 是 LT4356 IC 的簡(jiǎn)化框圖。LT4356 連續(xù)監(jiān)視電流和電壓，并在發(fā)生故障時(shí)快速關(guān)斷串聯(lián)通 MOSFET。電流和電壓限值均由外部元件設(shè)置，因此可以輕松更改限值。分流電阻器和電壓反饋電阻器應(yīng)做到萬(wàn)無(wú)一失，才能獲得認(rèn)證。通常，反饋電阻可以任意增大，這樣將輸入功率直接短路到反饋電阻的MOSFET故障就不會(huì)引起明顯的功耗。

圖5.LT4356 的簡(jiǎn)化框圖

盡管如此，還有兩份警告說(shuō)明是必要的。首先，有源器件（可控半導(dǎo)體）可以在Ex ib情況下用于功率限制（熱點(diǎn)火），但不能用于火花點(diǎn)火保護(hù)。見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)第7.5.2和7.5.3段。某些解釋可能允許在區(qū)域0中使用主動(dòng)屏障，但只能以一式三份的形式使用。第二個(gè)警告是，與任何IS屏障一樣，即使對(duì)于Ex ib（單故障）應(yīng)用，屏障故障通常也會(huì)導(dǎo)致屏障下游的不可計(jì)數(shù)的熱故障故障。因此，如果其中一個(gè)屏障發(fā)生故障，則需要冗余。

LT4356 提供了兩個(gè)串聯(lián)調(diào)整管 （通常用于反極性保護(hù)）。“在可能發(fā)生的情況下”需要防止極性反轉(zhuǎn)。單個(gè)二極管被認(rèn)為可以滿足這一要求，但兩個(gè)調(diào)整管可以更好地防止可數(shù)故障，而不會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降。

圖6.冗余調(diào)整管。

對(duì)于Ex ib環(huán)境，檢查員可以使用其單個(gè)可數(shù)故障在內(nèi)部短路IC上的所有引腳，以分析由此產(chǎn)生的故障。雖然適當(dāng)額定的冗余齊納二極管可以放置在 LT4356 的輸出端以提供一個(gè)電壓限值，但在任何可觀的功率水平下，指定這些齊納二極管的成本和難度使得簡(jiǎn)單地復(fù)制整個(gè)柵更具成本效益。請(qǐng)注意，對(duì)于Ex ia應(yīng)用，需要三重式屏障或帶有串聯(lián)無(wú)懈可擊電阻的兩個(gè)屏障才能滿足雙故障分析規(guī)則。

從這里開始，我們假設(shè)遵循間距和熱上升、元件額定值、PCB粘接寬度和冗余規(guī)則，并且電路不會(huì)因可數(shù)或不可數(shù)故障而失效。剩下的問(wèn)題是火花點(diǎn)火能量。為此，LT4356 可能沒(méi)有用處，具體取決于應(yīng)用。

LT4356 通過(guò)關(guān)斷調(diào)整管來(lái)對(duì)電流和電壓故障做出反應(yīng)。但是，由于它不會(huì)立即關(guān)閉，因此會(huì)通過(guò)屏障噴射一些能量。在標(biāo)準(zhǔn)中，這被稱為通過(guò)能量，通常使用示波器測(cè)量和/或在腔室中進(jìn)行實(shí)際火花點(diǎn)火測(cè)試進(jìn)行評(píng)估。如果這種能量足以點(diǎn)燃目標(biāo)氣體，則屏障未通過(guò)認(rèn)證。可接受的通過(guò)能量總結(jié)在表3中。

臺(tái)架測(cè)試表明，LT4356 對(duì)于 Ex ia 熱點(diǎn)火應(yīng)用來(lái)說(shuō)也綽綽有余。臺(tái)架測(cè)試使用改進(jìn)的LT4356評(píng)估板DC1018A完成。設(shè)置原理圖如圖7所示。反饋電阻被選為IS特定的9.9V電壓限值，電流檢測(cè)電阻值被改變以允許300mA的電流限值。測(cè)試了過(guò)壓和過(guò)流限制性能。通過(guò)輸入從15到<>V的階躍變化來(lái)評(píng)估電壓限制。通過(guò)通過(guò)低R對(duì)輸出地施加直接短路來(lái)評(píng)估電流限值DS（ON）MOSFET 由一個(gè) 5V 方波驅(qū)動(dòng)。

圖7.改進(jìn)型DC1018A評(píng)估板的原理圖。

IC系列提供了許多使用故障定時(shí)器的故障恢復(fù)選項(xiàng)，根據(jù)應(yīng)用的不同，IS設(shè)備的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)利用這些選項(xiàng)，但這里不討論這些選項(xiàng)。評(píng)估板上啟用的自動(dòng)故障復(fù)位保持啟用狀態(tài)，以便進(jìn)行測(cè)試。

圖8顯示了評(píng)估板采用15V電源和9.9V箝位限值上電時(shí)的電壓箝位動(dòng)作示波器曲線。故障復(fù)位定時(shí)器的動(dòng)作很明顯。

圖8.過(guò)壓故障操作。

更重要的是，圖9顯示了當(dāng)前的故障動(dòng)作。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)接通負(fù)載MOSFET，電壓在不到6μs的時(shí)間內(nèi)被箝位到地。通道1是觸發(fā)脈沖，通道2是勢(shì)壘輸出電壓。雖然沒(méi)有顯示，但電流也在下降，盡管沒(méi)有電壓那么快。電流的壓擺率取決于電源阻抗、電路電感和MOSFET柵極電容等變量。通常，應(yīng)使用盡可能小的MOSFET芯片尺寸，并且可能需要使用與勢(shì)壘輸出串聯(lián)的低值電阻器，以保持在火花點(diǎn)火閾值以下。

圖9.過(guò)流故障操作。

為了正確計(jì)算通過(guò)能量，必須從電流和電壓曲線得出功率曲線，然后隨時(shí)間進(jìn)行積分?；鸹c(diǎn)火測(cè)試僅在不打開儀器外殼的情況下可能斷開的連接上進(jìn)行。也就是說(shuō)，與屏障本身外部和外部的設(shè)備之間的電纜或連接器。檢查員可以切斷電纜或斷開連接器以測(cè)量火花點(diǎn)火潛力。在外殼內(nèi)，只需評(píng)估熱點(diǎn)火潛力。

結(jié)論

任何希望向可能具有爆炸性的市場(chǎng)和環(huán)境銷售設(shè)備的供應(yīng)商都必須遵守設(shè)計(jì)規(guī)則，使其在此類環(huán)境中的操作不會(huì)產(chǎn)生煽動(dòng)性。也就是說(shuō)，它們不得能夠提供熱源或火花點(diǎn)火源。有幾種標(biāo)準(zhǔn)方法可以提供這種保護(hù)，但對(duì)于電子儀器，首選和成本最低的方法通常是本質(zhì)安全。管理爆炸性環(huán)境中電氣設(shè)備的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)綜復(fù)雜，在許多情況下，對(duì)于實(shí)現(xiàn)合規(guī)性所需的設(shè)計(jì)方法含糊不清。在當(dāng)今具有安全意識(shí)的世界中，政府和市場(chǎng)都要求設(shè)備經(jīng)過(guò)認(rèn)證，符合標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)證由許多被稱為國(guó)家認(rèn)可的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)管機(jī)構(gòu)完成，并在授予認(rèn)證之前進(jìn)行徹底和詳細(xì)的分析過(guò)程。

通過(guò)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)屏障設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了獲得IS環(huán)境儀器認(rèn)證的過(guò)程。雖然被動(dòng)屏障設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但當(dāng)正常運(yùn)行需要超過(guò)幾毫瓦時(shí)，它們會(huì)在尺寸和成本方面造成沉重的損失。主動(dòng)屏障可以在提供幾瓦能量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全操作，但設(shè)計(jì)規(guī)則更為復(fù)雜。

如果遵循基本規(guī)則，諸如 LT4356 之類的集成電路使得有源屏障設(shè)計(jì)更容易認(rèn)證。LT4356 系列電壓 / 電流鉗位的出色響應(yīng)時(shí)間是滿足限制可能導(dǎo)致熱點(diǎn)火的功率的法規(guī)要求的關(guān)鍵。如果要將 LT4356 也用于限制火花點(diǎn)火，則可能需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)以及可能的額外快速箝位。

本文并未涵蓋合規(guī)屏障設(shè)計(jì)所需的所有細(xì)節(jié)，并且 IS 設(shè)計(jì)人員仍需要對(duì)適用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究。盡管如此，認(rèn)證就緒的主動(dòng)屏障現(xiàn)在非常容易獲得，為設(shè)計(jì)師及其公司提供了一個(gè)前所未有的機(jī)會(huì)來(lái)擴(kuò)展到迄今為止相對(duì)封閉的市場(chǎng)。

審核編輯：郭婷