數(shù)字隔離器可應(yīng)用在本質(zhì)安全應(yīng)用中

　　對(duì)于設(shè)備信號(hào)輸入和輸出方面的困難，本質(zhì)安全(IS)設(shè)備設(shè)計(jì)師了然于胸。有些新技術(shù)擁有誘人的特性，可以使設(shè)計(jì)變得更小、更簡單、功耗更低、速度更快或者四者兼而有之，但是由于IS安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們根本不知道能否以及如何使用它們。

　　簡介

　　如果你并不熟悉本質(zhì)安全(IS)，相關(guān)術(shù)語和概念可能使你不知所措。本質(zhì)安全似乎是一個(gè)獨(dú)立的電子設(shè)計(jì)世界，需要一些時(shí)間才能了解相關(guān)的術(shù)語和世界觀(此處為雙關(guān)義)。我們先來回顧一下本質(zhì)安全隔離器組件背后的主要概念。本質(zhì)安全就是關(guān)于易燃環(huán)境和粉塵的安全問題。主要概念是要從設(shè)計(jì)上確保不因能量產(chǎn)生火花，保證在可以設(shè)想的每一種故障場(chǎng)景下，絕緣機(jī)制都能安然無恙。IEC 60079-11中規(guī)定的全部測(cè)試和設(shè)計(jì)要求其實(shí)都是為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)安全的方式是對(duì)表面沿線的厚度、距離等絕緣屬性提出強(qiáng)制性規(guī)定。這是實(shí)現(xiàn)絕緣安全的常用方法，但所選安全裕度比IEC標(biāo)準(zhǔn)的典型做法要保守得多。

　　本質(zhì)安全世界分為兩個(gè)區(qū)域：粉塵和氣體形成危險(xiǎn)條件的本質(zhì)安全區(qū)，世界其余部分(即非本質(zhì)安全區(qū))。在本質(zhì)安全區(qū)內(nèi)，能量受限，工作電壓范圍為24 V至60 V;電流也受到限制，處于安全特低電壓(SELV)范圍。在該環(huán)境中，組件必須能消耗系統(tǒng)可為其提供的最大能量且不產(chǎn)生火花或燃燒?？梢酝ㄟ^幾種方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。一種方法是制造結(jié)實(shí)耐用的組件，使其能消耗大量能量而不發(fā)熱。另一種方法用分立元件保護(hù)輸入和輸出，這些分立元件會(huì)把能量限制在器件能承受的范圍以內(nèi)。一般地，限幅組件由一個(gè)用于限壓的齊納二極管和一個(gè)用于限流的保險(xiǎn)絲或電阻構(gòu)成。如果你考慮設(shè)計(jì)一個(gè)組件不多的現(xiàn)代系統(tǒng)，結(jié)果可能是每個(gè)有源元件周圍都有大量的無源元件。你我所在的非本質(zhì)安全區(qū)的線路電壓在100 V至250 V之間，并且可能有無限的電流。要做到安全，隔離器件就必須能承受線路供電故障，并且不能使其絕緣機(jī)制失效或者導(dǎo)致會(huì)影響到本質(zhì)安全區(qū)的電弧火花或燃燒。這意味著要采用超級(jí)魯棒并且能應(yīng)付高能量故障的接口和保護(hù)器件。魯棒的保護(hù)器件甚至?xí)捎酶?、更大的組件，占用更多的電路板空間。

　　我是不是提到過，本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)非常保守，不會(huì)很快采用新技術(shù)?用于在兩個(gè)區(qū)之間實(shí)現(xiàn)邏輯層通信的首選技術(shù)是令人尊敬的光耦合器。光耦合器制造商與本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)保守的絕緣要求之間的關(guān)系一直都很緊張。本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣體的質(zhì)量著墨不多，只認(rèn)可兩類絕緣。第一類是可以覆蓋相對(duì)可靠的IC用塑封材料的鑄模材料，以及受控程度低得多的灌注材料。第二類絕緣材料是能絕緣且為固體的所有其他材料，包括從玻璃、聚合物薄膜到蠟紙的一切材料。這些絕緣材料的性能及其應(yīng)用的質(zhì)量大相徑庭。標(biāo)準(zhǔn)采用保守方法，要求采用較厚的絕緣層。如果光耦合器在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小厚度，就會(huì)很難制造出速度令人滿意的組件。在標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的過程中，有關(guān)人士努力降低絕緣要求，因而可以采用性能更好的光耦合器。新的試驗(yàn)方案出現(xiàn)了，即光耦合器碳化試驗(yàn)，用于驗(yàn)證在施加非本質(zhì)安全區(qū)存在的超高功率時(shí)，光耦合器不會(huì)破裂。結(jié)果喜憂參半，多數(shù)設(shè)計(jì)師和光耦合器公司對(duì)這種折衷方案并不滿意。

　　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)，“易爆環(huán)境”小節(jié)——第11部分：通過本質(zhì)安全“I”保護(hù)設(shè)備(第6版)——就開發(fā)可在化工廠、有易燃粉塵的區(qū)域等易爆環(huán)境中安全使用的系統(tǒng)提出了指導(dǎo)意見。標(biāo)準(zhǔn)從四個(gè)方面規(guī)定了隔離器的特性。

　　絕緣體周圍及表面沿線的距離、爬電距離和電氣間隙

　　封裝的爬電距離和電氣間隙取決于要求的工作電壓和安裝等級(jí)(IEC60664絕緣協(xié)調(diào)與染污等級(jí)2或3，因具體應(yīng)用而異)。

　　容錯(cuò)

　　必須能承受最高可用系統(tǒng)電壓故障，不造成燃燒、電弧，也不會(huì)使絕緣體失效。根據(jù)可用能量，這可能要求采用外部組件，也可能無此要求。這是高溫環(huán)境下的絕緣完整性問題——對(duì)組件功能無要求。

　　額定瞬態(tài)電壓

　　對(duì)于SELV類環(huán)境，可以從安裝等級(jí)和系統(tǒng)電壓推算出此項(xiàng)指標(biāo)。在本質(zhì)安全區(qū)內(nèi)部，通常為500 V rms;如果是線路電壓，則可能高達(dá)6000 VPEAK。此項(xiàng)特性涉及的是絕緣體在高壓條件下的完整性。對(duì)組件功能無要求。

　　絕緣距離

　　絕緣協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)只是規(guī)定，不能可靠地預(yù)測(cè)絕緣體擊穿和磨損，必須通過試驗(yàn)推算。對(duì)于本質(zhì)安全-非本質(zhì)安全屏障，IEC60079-11標(biāo)準(zhǔn)寧可預(yù)留過多的安全裕量，選擇的絕緣距離值足夠大，幾乎任何絕緣都能做到安全。對(duì)于線路電壓，這意味著需要采用1 mm至2 mm的絕緣體;對(duì)于受控環(huán)境，則要求采用0.2 mm的絕緣體。對(duì)于本質(zhì)安全轉(zhuǎn)本質(zhì)安全接口，絕緣距離要求不適用。

　　在本質(zhì)安全應(yīng)用中必須穿過兩個(gè)屏障，其一是本質(zhì)安全轉(zhuǎn)非本質(zhì)安全屏障(線路電壓存在于非本質(zhì)安全一端)，其二是本質(zhì)安全區(qū)內(nèi)部的本質(zhì)安全轉(zhuǎn)本質(zhì)安全屏障(用于隔離系統(tǒng)中來自分布式電容或電源的能量)。電源通常處于SELV水平。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類屏障端的隔離器規(guī)定了不同的要求。

　　隔離器特性

　　IEC60079-11的要求會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)師在本質(zhì)安全應(yīng)用中使用隔離器的能力產(chǎn)生什么樣的影響?爬電距離和電氣間隙距離要求以及額定瞬態(tài)電壓與任何工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求相似。幾乎所有的光耦合器和數(shù)字隔離器都能達(dá)到這些要求。決定隔離器是否合適的是隔離器的故障條件承受能力以及表5或IEC60079-11標(biāo)準(zhǔn)附錄F中要求的絕緣距離。

　　光耦合器自發(fā)明至今已有大約50年。它們都是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)師可以用它們?nèi)〉眠M(jìn)出本質(zhì)安全區(qū)的邏輯電平信號(hào)。人們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到，對(duì)光耦合器來說，絕緣和功耗要求太高了。例如，1 mm絕緣要求會(huì)使光信號(hào)發(fā)生衰減，結(jié)果導(dǎo)致高速光耦合器喪失實(shí)用性。雖然可以制造低速光耦合器，但需要犧牲性能。

　　多年以來，隨著行業(yè)提出更多、更快的通信需求，標(biāo)準(zhǔn)也幾經(jīng)變化。為了適應(yīng)光耦合器的需要，人們從兩個(gè)方面進(jìn)行了努力。其一，針對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)正文更干凈的安裝環(huán)境(污染等級(jí)2)而制定了附錄F。這樣就可以縮短爬電距離和電氣間隙。另外，絕緣距離被降至0.2 mm，這樣，多數(shù)光耦合器都能滿足要求。其二，增加了特殊試驗(yàn)一節(jié)，其中針對(duì)本質(zhì)安全轉(zhuǎn)非本質(zhì)安全邊界故障規(guī)定了光耦合器的相應(yīng)特性，無需采用外部限制組件。這部分包括大量過載試驗(yàn)和所謂的碳化試驗(yàn)。不幸的是，這些試驗(yàn)非常嚴(yán)格，很少有光耦合器能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)這部分的要求。

　　目前，標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)光耦合器進(jìn)行了充分修正，已經(jīng)能用光耦合器制造出行之有效的接口了。然而，在本質(zhì)安全應(yīng)用中，光耦合器在所有工業(yè)應(yīng)用中存在的不足都成了問題。這些不足包括光耦合器尺寸大、速度慢、功耗高、難以與其他功能的集成，或滿足不同通道方向，并且其參數(shù)也會(huì)隨時(shí)間而變化。

　　替代技術(shù)是數(shù)字隔離器，該器件可以解決光耦合器存在的幾乎全部功能問題。數(shù)字隔離器具有功耗超低、封裝超小、同一封裝多個(gè)通道方向、速度高得多、可輕松集成接口功能、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。這些特性極大地提高了其對(duì)本質(zhì)安全設(shè)備設(shè)計(jì)師的吸引力。然而，為了實(shí)現(xiàn)這些特性，他們采用的是厚度范圍為10 μm至40 μm的薄膜絕緣方案。我們前面提到，表5規(guī)定的絕緣厚度約為1 mm，附錄F規(guī)定的絕緣厚度約為0.2 mm，數(shù)字隔離器的絕緣體遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些要求。這時(shí)，多數(shù)設(shè)計(jì)師會(huì)重重地嘆口氣，再次開始瀏覽光耦合器目錄。

　　不要這么快下結(jié)論!如前所述，絕緣體周圍及表面沿線的距離、爬電距離和電氣間隙并不適用于本質(zhì)安全區(qū)或本質(zhì)安全隔離，所以可以在該邊界使用數(shù)字隔離器。在本質(zhì)安全轉(zhuǎn)本質(zhì)安全應(yīng)用中，電壓通常被限制在SELV電壓限值以下，同時(shí)還要限制功率。所以，瞬態(tài)隔離電壓通常為500 VPEAK，爬電距離和電氣間隙只有0.5 mm至4 mm，具體取決于采用的是哪張表。這意味著，在這些接口中，可以利用數(shù)字隔離器的小封裝特性。突然之間，數(shù)字隔離器變得極富魅力。剩下要解決的唯一問題是容錯(cuò)問題。

　　在本質(zhì)安全轉(zhuǎn)本質(zhì)安全邊界的限壓和限流環(huán)境中，可以通過數(shù)種方式解決容錯(cuò)問題，比如保護(hù)I/O引腳和電源，或者從設(shè)計(jì)和質(zhì)量上確保引腳能消耗足夠的能量。外置保護(hù)方案會(huì)占用較大的電路板空間，其占用的空間可能比采用小型封裝節(jié)省的空間還要大。另一個(gè)方案是評(píng)估器件在故障條件下的行為，并基于此生成實(shí)體參數(shù)。實(shí)體參數(shù)是針對(duì)電壓、電流和功率的一組限值，其作用是確保器件不會(huì)產(chǎn)生電弧、斷裂或使其絕緣體失效。在這些條件下，器件可能會(huì)因消耗能量而經(jīng)歷升溫過程。加上最大額定環(huán)境溫度，結(jié)果可以得到用在本質(zhì)安全散熱分析中的最大封裝溫度。

　　實(shí)例，ADI ADuM144x四通道隔離器

　　ADI ADuM144x系列iCoupler® 數(shù)字隔離器擁有多種特性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的不錯(cuò)選擇。其功耗處于微安級(jí)別，數(shù)據(jù)速率高達(dá)2 Mbps，有4個(gè)數(shù)據(jù)通道，采用小型QSOP或SSOP封裝，絕緣性能出色。這些數(shù)字隔離器的爬電距離、電氣間隙和瞬態(tài)電壓(超過6000 VPEAK)等規(guī)格高于本質(zhì)安全環(huán)境的要求。該器件非常適合1 Mbps SPI通信。這款器件優(yōu)異的技術(shù)規(guī)格使其成為本質(zhì)安全應(yīng)用的良好選擇，并且其經(jīng)評(píng)估符合IEC60079-11標(biāo)準(zhǔn)，因而具有突出的易用性。

　　就如所有數(shù)字隔離器一樣，該系列器件絕緣體的厚度未達(dá)到本質(zhì)安全轉(zhuǎn)非本質(zhì)安全的隔離要求，其實(shí)體參數(shù)也未經(jīng)評(píng)估。這意味著該器件可以用在本質(zhì)安全轉(zhuǎn)本質(zhì)安全屏障中，與外置保護(hù)裝置相配合。然而，該器件能承受可能的超高功耗故障，加上適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)實(shí)體參數(shù)，可以在不帶保護(hù)措施的條件下使用——這使其成為本質(zhì)安全轉(zhuǎn)本質(zhì)安全環(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，這樣，本質(zhì)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就可以輕松地將其集成到他們的設(shè)計(jì)當(dāng)中。CSA/SIRA需要解讀適用于數(shù)字隔離器的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求。例如，這些器件中使用的脈沖變壓器在絕緣特性方面更接近電容。它們只存儲(chǔ)極少的能量，所以在它們上面運(yùn)用變壓器設(shè)計(jì)規(guī)則是沒有意義的。實(shí)體參數(shù)的試驗(yàn)程序也需要從頭開始設(shè)計(jì)。

　　實(shí)體參數(shù)和環(huán)境條件如表1和表2所示。額定功耗旨在維持絕緣完整性而非超出安全范圍時(shí)的器件功能。這樣就可以指定更高的功耗，還能消除外部組件的必要性。需要注意的是，必須符合所有實(shí)體參數(shù)限值，以確保絕緣安全，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，總功率會(huì)限制電壓和/或電流。表2中的最高表面溫度反映的是特性測(cè)定中觀察到的最高表面溫度。封裝越大，溫度越低。這是通過易爆環(huán)境通用組件等級(jí)認(rèn)證的首款數(shù)字隔離器，因?yàn)?，它符合?biāo)準(zhǔn)中有關(guān)制造質(zhì)量的所有要求。

　　表1.ADuM144x實(shí)體參數(shù)

　　表2.ADuM144x散熱特性

　　未來的發(fā)展趨勢(shì)是什么?

　　在某些情況下，限定數(shù)字隔離器的用途是不錯(cuò)的選擇，但實(shí)踐表明，把過于保守的非特定絕緣厚度要求用于所有類型的隔離器會(huì)導(dǎo)致用途受限或者性能受限于結(jié)構(gòu)。本質(zhì)安全相關(guān)群體早就認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，并且已經(jīng)從標(biāo)準(zhǔn)層面著手解決這個(gè)問題。有人正在研究一種新的本質(zhì)安全隔離器方案，并且準(zhǔn)備納入下一次修訂版標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中;修訂后的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)光隔離器和數(shù)字隔離器一視同仁，并在最新版標(biāo)準(zhǔn)中為絕緣要求提供替代方案。同時(shí)還將優(yōu)先用于避免使用外置保護(hù)裝置的容錯(cuò)試驗(yàn)。在本質(zhì)安全應(yīng)用領(lǐng)域，高性能數(shù)字隔離器的運(yùn)用會(huì)大幅增加。

　　作者簡介

　　Mark Cantrell是ADI公司iCoupler® 數(shù)字隔離器部的應(yīng)用工程師，也是IEC60079-11維護(hù)團(tuán)隊(duì)成員。他的專業(yè)領(lǐng)域是iCoupler數(shù)字隔離產(chǎn)品，包括isoPower® 隔離電源器件和I2C、USB隔離器等通信總線器件。他還負(fù)責(zé)所有iCoupler數(shù)字隔離器產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)安全認(rèn)證。Mark畢業(yè)于美國印第安納大學(xué)，獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：mark.cantrell@analog.com。