可用于本質(zhì)安全設備應用的數(shù)字隔離器解決方案

本質(zhì)安全（IS）設備的設計人員了解將信號輸入和輸出設備的挑戰(zhàn)。新技術(shù)具有誘人的特性，可以使設計更小，更簡單，更低功率，更快，或全部四種，但由于IS安全標準的要求，不清楚是否或如何使用它們。

簡介

如果您是本土安全（IS）領域的新手，您可能會對術(shù)語和概念感到不知所措。它往往是一個與其他電子設計不同的世界，需要一段時間才能達到術(shù)語和世界觀（雙關語意）。讓我們回顧一下IS隔離器組件背后的主要概念。這一切都與可燃氣氛和灰塵有關。主要概念是設計無法利用其可用的能量產(chǎn)生火花或火焰，因此在每種可能的故障情況下，絕緣將保持完整。 IEC 60079-11中列出的所有測試和設計指南都是為了實現(xiàn)這兩個目標。該標準通過強制絕緣特性（例如沿表面的厚度或距離）來接近安全方面。雖然這是實現(xiàn)絕緣安全的常用方法，但所選擇的安全裕度比IEC標準中的安全邊緣要保守得多。

本質(zhì)安全的世界分為兩個區(qū)域：灰塵和氣體產(chǎn)生危險條件的本質(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)，能量受到限制，電壓往往在24 V至60 V范圍內(nèi)，電流有限且處于安全超低電壓（SELV）范圍內(nèi)。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產(chǎn)生火花或燃燒。這可以通過幾種方式實現(xiàn)。一種是構(gòu)建堅固的組件，可以在不升溫的情況下耗散大量電力。另一種方法是使用分立元件保護輸入和輸出，這些元件將功率限制在器件可以承受的范圍內(nèi)。通常，限制組件包括用于限制電壓的齊納二極管和用于限制電流的熔絲或電阻器。如果您考慮使用具有適度數(shù)量組件的現(xiàn)代系統(tǒng)，這可能會開始成為圍繞每個活動組件的大量無源組件。您和我居住的非IS區(qū)域的線電壓范圍為100 V至250 V，電流可能無限制。為了安全起見，隔離裝置必須能夠承受線路電源的故障，并且不會使其絕緣失效或?qū)е逻M入IS區(qū)域的電弧火花或燃燒。這意味著非常強大的接口和保護設備能夠處理非常有能量的故障。強大的保護功能使用更多更大的組件和電路板空間。

我是否提到IS標準委員會非常保守，并且不會快速采用新技術(shù)？在區(qū)域之間獲得邏輯級通信的首選技術(shù)是令人尊敬的光耦合器。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系。 IS標準并沒有對絕緣材料的質(zhì)量做太多考慮，它只承認兩種類型的絕緣。第一種是鑄造化合物，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。第二種類型的絕緣材料是其他所有固體和絕緣材料，它包括從玻璃和薄聚合物薄膜到蠟紙的所有東西。這些絕緣材料的功能和應用質(zhì)量可能差異很大。該標準采用保守的方法，并要求厚層絕緣。當光耦合器設計為標準規(guī)定的最小厚度時，很難制造出能夠以任何速度運行的元件。為標準的發(fā)展做出了努力，以降低絕緣要求，從而可以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)果充其量是混合的，大多數(shù)設計師和光耦合器公司都不滿意妥協(xié)。

IEC60079-11的要求

IEC60079-11標準，爆炸性環(huán)境部分 - 第11部分：本質(zhì)安全設備保護“I”第6版 - 包含使系統(tǒng)安全用于爆炸性環(huán)境（如化學工廠或可燃粉塵區(qū)域）的準則。該標準以四種方式表征隔離器設備。

絕緣和沿表面，爬電距離和間隙的距離

封裝的爬電距離和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 ，具體取決于應用。

容錯

必須允許出現(xiàn)最高可用系統(tǒng)電壓的故障，而不會燒壞，產(chǎn)生電弧或使絕緣失效。這可能需要外部組件，具體取決于可用能量。這是關于高溫環(huán)境下的絕緣完整性 - 它不需要組件功能。

瞬態(tài)額定值

這將來自SELV類型環(huán)境的安裝類和系統(tǒng)電壓。在IS邊界內(nèi)，這通常是500 V rms，對于線電壓，它可能高達6000 V PEAK 。這種表征是關于高壓應力的絕緣完整性。它不需要組件功能。

通過絕緣材料的距離

絕緣配合標準只是說絕緣穿通和磨損不能可靠預測，必須通過實驗推導出來。在IS-non-IS屏障的情況下，IEC60079-11標準選擇在安全方面犯錯，并選擇通過絕緣的距離值足夠大，幾乎任何絕緣都是安全的。對于線電壓，這意味著需要1 mm至2 mm的絕緣，而對于受控環(huán)境，則需要0.2 mm。在IS-to-IS接口的情況下，不應用通過絕緣要求的距離。

在IS應用中必須經(jīng)過兩個障礙，IS到非IS障礙，其中非IS側(cè)存在線電壓，而內(nèi)部存在IS-to-IS障礙安全區(qū)，用于將系統(tǒng)內(nèi)的能量與分布式電容或電源隔離開來。功率通常為SELV級別。該標準對每種類型屏障的隔離器提出了非常不同的要求。

隔離器屬性

IEC60079-11要求如何影響設計人員在IS應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)標準所要求的相似。幾乎所有光耦合器和數(shù)字隔離器都能滿足這些要求。決定隔離器適用性的因素是它能夠承受故障條件以及IEC60079-11標準表5或附件F所要求的絕緣距離。

光耦合器已存在約50年。它們是IS設計可用于在IS區(qū)域內(nèi)外獲取邏輯電平信號的標準技術(shù)。早期就意識到光電耦合器的絕緣和功耗要求是繁重的。例如，1毫米的絕緣要求會使光衰減太多，以至于高速光耦合器不實用。可以制造低速光耦合器，但是它們的性能會受到影響。

隨著行業(yè)需要更多更快的通信，標準在過去幾年中發(fā)生了變化。為支持光耦合器做了兩項努力。第一個是附件F，它是為了更清潔的安裝環(huán)境（污染等級2）而制定的，而不是標準的主體。這允許爬電距離和間隙更短。此外，絕緣距離降至0.2 mm，這使得大多數(shù)光耦合器都能滿足要求。其次，增加了一個特殊的測試部分來表征光電耦合器的IS到非IS邊界的故障，而無需外部限制元件。本節(jié)包括許多過載測試和稱為碳化測試的東西。不幸的是，這組測試非常嚴格，以至于很少有光耦合器符合標準的這一部分。

該標準現(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)應用中具有的相同缺點是IS應用中的問題。也就是說，光耦合器現(xiàn)在很大，速度慢，耗電量大，在混合方向上集成其他功能甚至通道的能力有限，并且它們的參數(shù)隨時間漂移。

替代技術(shù)是數(shù)字隔離器，幾乎可以解決光耦合器的所有功能問題。數(shù)字隔離器可以采用超低功耗，非常小的封裝，封裝中的多通道方向，速度提高一個數(shù)量級，接口功能易于集成以及長期穩(wěn)定的性能。這些特性使它們對IS設備的設計者非常有吸引力。然而，為了實現(xiàn)這些特征，它們使用可以在10μm至40μm厚度范圍內(nèi)的薄膜絕緣。回顧表5的絕緣要求約為1 mm或附件F的絕緣要求為0.2 mm，數(shù)字隔離器的絕緣比這些要求要薄得多。在這一點上，大多數(shù)設計師重重嘆息，并再次開始翻閱光耦目錄。

不是那么快！您可能還記得，絕緣層周圍以及表面，爬電距離和間隙的距離不適用于IS或IS隔離，因此數(shù)字隔離器可用于該邊界。在IS-to-IS應用中，電壓通常限制在SELV電壓限制以下，功率也受限制，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，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，通過保護I可以通過兩種方式處理容錯。 / O引腳和電源或通過設計和鑒定引腳來消耗足夠的功率。外部保護選項占用大量電路板空間，并且可能比通過小型封裝獲得更多空間。另一種選擇是評估設備在生成實體參數(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，可確保零件不會發(fā)生電弧，破裂或使其絕緣無效。在這些條件下，該部件可能會從耗散功率中經(jīng)歷溫度升高。這與最高額定環(huán)境溫度相結(jié)合，將提供IS熱分析中使用的最大封裝溫度。

實際示例，ADI公司ADuM144x四通道隔離器

AD系統(tǒng)的ADuM144x系列 i 耦合器?數(shù)字隔離器是IS系統(tǒng)設計人員感興趣的對于它的幾個屬性。它可以消耗微安級范圍內(nèi)的功率，具有2 Mbps的高數(shù)據(jù)速率，并且采用小型QSOP或SSOP封裝，具有4個數(shù)據(jù)通道，并且具有絕緣能夠承受的能力。這些數(shù)字隔離器的爬電距離，間隙和瞬態(tài)規(guī)范（超過6000 V PEAK ）對于IS環(huán)境來說已經(jīng)足夠了。該器件非常適合1 Mbps SPI通信。部件規(guī)格使該部件對IS應用具有吸引力，因為對IEC60079-11進行評估使其易于使用。

與所有數(shù)字隔離器一樣，該系列器件的絕緣不夠厚。 IS是非IS隔離，并且尚未針對實體參數(shù)進行評估。這意味著該設備可以與IS-to-IS屏障中的外部保護設備一起使用。然而，該部件能夠容忍故障到足夠高的功率消耗，通過適當?shù)臏y試實體參數(shù)，可以生成允許設備無保護地使用 - 使其成為IS-to-IS環(huán)境的理想選擇。

ADI公司與CSA / SIRA合作，為該系列器件生成ATEX和IECEx認證，使IS系統(tǒng)設計人員能夠輕松將其納入其設計中。 CSA / SIRA必須解釋現(xiàn)有標準的要求，因為它們適用于數(shù)字隔離器。例如，這些器件中使用的脈沖變壓器就其絕緣特性而言更接近電容器。它們存儲的能量非常少，因此將變壓器設計規(guī)則應用于它們是沒有意義的。實體參數(shù)測試程序也必須從頭開始。

實體參數(shù)和環(huán)境條件如表1和表2所示。功耗指定為保持絕緣完整性，而不是超越安全方面的功能。這樣可以指定更高的功耗，并消除外部元件。應當注意，必須滿足所有實體參數(shù)限制以保證絕緣安全，因此總功率將限制實際應用中的電壓和/或電流。表2中的最大表面溫度反映了在表征中觀察到的測量的最大表面溫度。較大的包裝具有較低的溫度。這是第一款在爆炸性環(huán)境中使用通用元件級認證的數(shù)字隔離器，因此符合該標準的所有制造質(zhì)量要求。

未來有什么用？

限量使用數(shù)字隔離器很棒在某些情況下，但對所有類型的隔離器應用過于保守的非特定絕緣厚度要求會導致限制使用或限制結(jié)構(gòu)性能.IS社群早已認識到這一點，并且該問題正在標準層面得到解決。正在研究IS隔離器的新方法，以便將其納入標準的下一版本，該標準將統(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的絕緣要求的替代方案。容錯測試避免使用外部保護裝置的要求也在逐步簡化。未來將在本質(zhì)安全應用中更多地使用高性能數(shù)字隔離器設備。