數(shù)字隔離器可用于本質安全應用

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。為適應光耦合器做出了兩項努力。個是附件F，它是為比標準主體假設的更清潔的安裝環(huán)境（污染等級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。

本質安全 （IS） 設備的設計人員了解將信號傳入和傳出設備的挑戰(zhàn)。新技術具有誘人的特性，可以使設計更小、更簡單、功耗更低、更快或四者兼而有之，但由于 IS 安全標準的要求，尚不清楚您是否或如何使用它們。

介紹

如果您是本質安全 （IS） 領域的新手，您可能會對術語和概念感到有些不知所措。它往往與其他電子設計截然不同，需要一段時間才能接受術語和世界觀（雙關語）。讓我們回顧一下IS隔離器組件背后的主要概念。這一切都與易燃氣氛和灰塵周圍的安全有關。主要概念是，設計不能利用可用的能量產(chǎn)生火花或火焰，以便在每個可能的故障情況下，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。該標準通過強制要求絕緣性能（例如厚度或沿表面的距離）來接近安全側。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標準中的典型安全裕度要保守得多。

本質安全的世界分為兩個區(qū)域：粉塵和氣體造成危險條件的本質安全區(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)運行，電流有限，在安全超低電壓 （SELV） 范圍內(nèi)運行。在這種環(huán)境中，組件必須能夠耗散系統(tǒng)可以提供的功率，而不會產(chǎn)生火花或燃燒。這可以通過幾種方式實現(xiàn)。一種是制造堅固耐用的組件，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組成。如果您考慮一個具有少量組件的現(xiàn)代系統(tǒng)，那么它可能會開始成為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，隔離設備必須能夠承受線路電源故障，并且不會使其絕緣失效或導致電弧火花或燒傷進入IS區(qū)域。這意味著非常堅固的接口和保護設備能夠處理非常有能量的故障。強大的保護使用更多更大的元件和電路板空間。

我有沒有提到IS標準委員會非常保守，不會迅速采用新技術？在區(qū)域之間實現(xiàn)邏輯電平通信的技術是古老的光耦合器。光耦合器制造商與IS標準的保守絕緣要求之間存在緊張的關系。IS標準對絕緣材料的質量沒有太多假設，它只識別兩種類型的絕緣材料。種是鑄造化合物，可以覆蓋相對可靠的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用質量可能差異很大。該標準采用保守的方法，并要求厚厚的絕緣層。當光耦合器設計為標準中規(guī)定的厚度時，很難制造出以任何速度運行的組件。在標準的發(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。新的測試被創(chuàng)建，即光耦合器碳化測試，以驗證光耦合器在施加非IS區(qū)域中可用的非常高的功率時不會破裂。結果充其量是喜憂參半的，大多數(shù)設計人員和光耦合器公司對妥協(xié)并不滿意。

圖1.本質安全系統(tǒng)的隔離布局。

IEC60079-11的要求

IEC60079-11 標準，爆炸性環(huán)境部分 - 第 11 部分：本質安全“I”版 6 的設備保護 - 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。該標準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，基于 IEC60664 絕緣協(xié)調和污染等級 2 或 3，具體取決于應用。

容錯

必須容忍可用系統(tǒng)電壓的故障，而不會燒毀、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——它不需要組件功能。

瞬態(tài)額定值

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

通過絕緣層的距離

絕緣協(xié)調標準只是簡單地指出，絕緣穿透和磨損無法可靠地預測，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。對于線路電壓，這意味著需要 1 mm 至 2 mm 的絕緣，對于受控環(huán)境，需要 0.2 mm。對于 IS 到 IS 接口，不適用通過絕緣的距離要求。

在 IS 應用中必須跨越兩個屏障，即 IS 到非 IS 屏障，其中線路電壓存在于非 IS 側，以及本質安全區(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 級別。該標準對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標準表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設計可用的標準技術，用于將邏輯電平信號傳入和傳出IS區(qū)域。很早就意識到，光耦合器的絕緣和功耗要求很高。例如，1 mm的通孔絕緣要求會大幅衰減光線，以至于高速光耦合器不實用?？梢灾圃斓退俟怦詈掀?，但其性能會受到影響。

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。為適應光耦合器做出了兩項努力。個是附件F，它是為比標準主體假設的更清潔的安裝環(huán)境（污染等級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，增加了一個特殊的測試部分，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)包括許多過載測試和稱為碳化測試的東西。不幸的是，這組測試非常嚴格，很少有光耦合器符合這部分標準。

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)應用中都具有的相同缺點在IS應用中也是一個問題。也就是說，光耦合器現(xiàn)在體積大、速度慢、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)會隨著時間的推移而漂移。

替代技術是數(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、封裝中的多個通道方向、速度提高一個數(shù)量級、易于集成接口功能以及長期穩(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，大多數(shù)設計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。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。需要解決的問題是容錯。

在IS到IS邊界的有限電壓和電流環(huán)境中，容錯可以通過幾種方式處理，即保護I/O引腳和電源，或者設計和鑒定引腳以消耗足夠的功率。外部保護選項占用大量電路板空間，并且可能比采用小型封裝占用更多空間。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，可保證零件不會產(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經(jīng)歷溫升。這與額定環(huán)境溫度相結合，將給出IS熱分析中使用的封裝溫度。

實際示例，ADI公司ADuM144x四通道隔離器

ADI公司的ADuM144x系列i耦合器數(shù)字隔離器因其多項特性而引起IS系統(tǒng)設計人員的興趣。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 IS 應用具有吸引力，因為通過 IEC60079-11 評估使其易于使用。

與所有數(shù)字隔離器一樣，該系列器件的絕緣層不夠厚，無法實現(xiàn)IS到非IS隔離，并且尚未評估實體參數(shù)。這意味著該器件可以與IS-to-IS屏障中的外部保護設備一起使用。但是，該器件能夠承受足夠高的功耗故障，通過適當?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，使IS系統(tǒng)設計人員能夠輕松地將其納入其設計中。CSA/SIRA必須解釋現(xiàn)有標準中適用于數(shù)字隔離器的要求。例如，這些設備中使用的脈沖變壓器就其絕緣性能而言更接近電容器。它們存儲的能量很少，因此將變壓器設計規(guī)則應用于它們沒有意義。實體參數(shù)測試程序也必須從頭開始制定。

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，因此總功率將限制實際應用中的電壓和/或電流。表2中的表面溫度反映了表征中測得的表面溫度。封裝越大，溫度越低。這是款獲得爆炸性環(huán)境通用組件級的數(shù)字隔離器，因此符合該標準的所有制造質量要求。