數字隔離器可應用在本質(zhì)安全應用中

　　對于設備信號輸入和輸出方面的困難，本質(zhì)安全(IS)設備設計師了然于胸。有些新技術(shù)擁有誘人的特性，可以使設計變得更小、更簡(jiǎn)單、功耗更低、速度更快或者四者兼而有之，但是由于IS安全標準的要求，我們根本不知道能否以及如何使用它們。

　　簡(jiǎn)介

　　如果你并不熟悉本質(zhì)安全(IS)，相關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念可能使你不知所措。本質(zhì)安全似乎是一個(gè)獨立的電子設計世界，需要一些時(shí)間才能了解相關(guān)的術(shù)語(yǔ)和世界觀(guān)(此處為雙關(guān)義)。我們先來(lái)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(wèn)題。主要概念是要從設計上確保不因能量產(chǎn)生火花，保證在可以設想的每一種故障場(chǎng)景下，絕緣機制都能安然無(wú)恙。IEC 60079-11中規定的全部測試和設計要求其實(shí)都是為了實(shí)現這兩個(gè)目標。該標準實(shí)現安全的方式是對表面沿線(xiàn)的厚度、距離等絕緣屬性提出強制性規定。這是實(shí)現絕緣安全的常用方法，但所選安全裕度比IEC標準的典型做法要保守得多。

　　本質(zhì)安全世界分為兩個(gè)區域：粉塵和氣體形成危險條件的本質(zhì)安全區，世界其余部分(即非本質(zhì)安全區)。在本質(zhì)安全區內，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可為其提供的最大能量且不產(chǎn)生火花或燃燒?？梢酝ㄟ^(guò)幾種方式實(shí)現這一目標。一種方法是制造結實(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?xún)?。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)用于限流的保險絲或電阻構成。如果你考慮設計一個(gè)組件不多的現代系統，結果可能是每個(gè)有源元件周?chē)加写罅康臒o(wú)源元件。你我所在的非本質(zhì)安全區的線(xiàn)路電壓在100 V至250 V之間，并且可能有無(wú)限的電流。要做到安全，隔離器件就必須能承受線(xiàn)路供電故障，并且不能使其絕緣機制失效或者導致會(huì )影響到本質(zhì)安全區的電弧火花或燃燒。這意味著(zhù)要采用超級?mèng)敯舨⑶夷軕陡吣芰抗收系慕涌诤捅Ｗo器件。魯棒的保護器件甚至會(huì )采用更多、更大的組件，占用更多的電路板空間。

　　我是不是提到過(guò)，本質(zhì)安全標準委員會(huì )非常保守，不會(huì )很快采用新技術(shù)?用于在兩個(gè)區之間實(shí)現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)安全標準保守的絕緣要求之間的關(guān)系一直都很緊張。本質(zhì)安全標準對絕緣體的質(zhì)量著(zhù)墨不多，只認可兩類(lèi)絕緣。第一類(lèi)是可以覆蓋相對可靠的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(lèi)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用的質(zhì)量大相徑庭。標準采用保守方法，要求采用較厚的絕緣層。如果光耦合器在設計時(shí)采用的是標準中規定的最小厚度，就會(huì )很難制造出速度令人滿(mǎn)意的組件。在標準演進(jìn)的過(guò)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。新的試驗方案出現了，即光耦合器碳化試驗，用于驗證在施加非本質(zhì)安全區存在的超高功率時(shí)，光耦合器不會(huì )破裂。結果喜憂(yōu)參半，多數設計師和光耦合器公司對這種折衷方案并不滿(mǎn)意。

　　圖1.本質(zhì)安全系統的隔離布局

　　IEC60079-11的要求

　　IEC60079-11標準，“易爆環(huán)境”小節——第11部分：通過(guò)本質(zhì)安全“I”保護設備(第6版)——就開(kāi)發(fā)可在化工廠(chǎng)、有易燃粉塵的區域等易爆環(huán)境中安全使用的系統提出了指導意見(jiàn)。標準從四個(gè)方面規定了隔離器的特性。

　　絕緣體周?chē)氨砻嫜鼐€(xiàn)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(IEC60664絕緣協(xié)調與染污等級2或3，因具體應用而異)。

　　容錯

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

　　額定瞬態(tài)電壓

　　對于SELV類(lèi)環(huán)境，可以從安裝等級和系統電壓推算出此項指標。在本質(zhì)安全區內部，通常為500 V rms;如果是線(xiàn)路電壓，則可能高達6000 VPEAK。此項特性涉及的是絕緣體在高壓條件下的完整性。對組件功能無(wú)要求。

　　絕緣距離

　　絕緣協(xié)調標準只是規定，不能可靠地預測絕緣體擊穿和磨損，必須通過(guò)試驗推算。對于本質(zhì)安全-非本質(zhì)安全屏障，IEC60079-11標準寧可預留過(guò)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。對于線(xiàn)路電壓，這意味著(zhù)需要采用1 mm至2 mm的絕緣體;對于受控環(huán)境，則要求采用0.2 mm的絕緣體。對于本質(zhì)安全轉本質(zhì)安全接口，絕緣距離要求不適用。

　　在本質(zhì)安全應用中必須穿過(guò)兩個(gè)屏障，其一是本質(zhì)安全轉非本質(zhì)安全屏障(線(xiàn)路電壓存在于非本質(zhì)安全一端)，其二是本質(zhì)安全區內部的本質(zhì)安全轉本質(zhì)安全屏障(用于隔離系統中來(lái)自分布式電容或電源的能量)。電源通常處于SELV水平。標準對各類(lèi)屏障端的隔離器規定了不同的要求。

　　隔離器特性

　　IEC60079-11的要求會(huì )對設計師在本質(zhì)安全應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)標準的要求相似。幾乎所有的光耦合器和數字隔離器都能達到這些要求。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標準附錄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。它們都是標準技術(shù)，本質(zhì)安全設計師可以用它們取得進(jìn)出本質(zhì)安全區的邏輯電平信號。人們早就認識到，對光耦合器來(lái)說(shuō)，絕緣和功耗要求太高了。例如，1 mm絕緣要求會(huì )使光信號發(fā)生衰減，結果導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(lái)，隨著(zhù)行業(yè)提出更多、更快的通信需求，標準也幾經(jīng)變化。為了適應光耦合器的需要，人們從兩個(gè)方面進(jìn)行了努力。其一，針對比標準正文更干凈的安裝環(huán)境(污染等級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，多數光耦合器都能滿(mǎn)足要求。其二，增加了特殊試驗一節，其中針對本質(zhì)安全轉非本質(zhì)安全邊界故障規定了光耦合器的相應特性，無(wú)需采用外部限制組件。這部分包括大量過(guò)載試驗和所謂的碳化試驗。不幸的是，這些試驗非常嚴格，很少有光耦合器能達到標準這部分的要求。

　　目前，標準針對光耦合器進(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)安全應用中，光耦合器在所有工業(yè)應用中存在的不足都成了問(wèn)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(mǎn)足不同通道方向，并且其參數也會(huì )隨時(shí)間而變化。

　　替代技術(shù)是數字隔離器，該器件可以解決光耦合器存在的幾乎全部功能問(wèn)題。數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、性能穩定等特點(diǎn)。這些特性極大地提高了其對本質(zhì)安全設備設計師的吸引力。然而，為了實(shí)現這些特性，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規定的絕緣厚度約為1 mm，附錄F規定的絕緣厚度約為0.2 mm，數字隔離器的絕緣體遠遠低于這些要求。這時(shí)，多數設計師會(huì )重重地嘆口氣，再次開(kāi)始瀏覽光耦合器目錄。

　　不要這么快下結論!如前所述，絕緣體周?chē)氨砻嫜鼐€(xiàn)的距離、爬電距離和電氣間隙并不適用于本質(zhì)安全區或本質(zhì)安全隔離，所以可以在該邊界使用數字隔離器。在本質(zhì)安全轉本質(zhì)安全應用中，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(zhù)，在這些接口中，可以利用數字隔離器的小封裝特性。突然之間，數字隔離器變得極富魅力。剩下要解決的唯一問(wèn)題是容錯問(wèn)題。

　　在本質(zhì)安全轉本質(zhì)安全邊界的限壓和限流環(huán)境中，可以通過(guò)數種方式解決容錯問(wèn)題，比如保護I/O引腳和電源，或者從設計和質(zhì)量上確保引腳能消耗足夠的能量。外置保護方案會(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省的空間還要大。另一個(gè)方案是評估器件在故障條件下的行為，并基于此生成實(shí)體參數。實(shí)體參數是針對電壓、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(guò)程。加上最大額定環(huán)境溫度，結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® 數字隔離器擁有多種特性，是系統設計師的不錯選擇。其功耗處于微安級別，數據速率高達2 Mbps，有4個(gè)數據通道，采用小型QSOP或SSOP封裝，絕緣性能出色。這些數字隔離器的爬電距離、電氣間隙和瞬態(tài)電壓(超過(guò)6000 VPEAK)等規格高于本質(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)規格使其成為本質(zhì)安全應用的良好選擇，并且其經(jīng)評估符合IEC60079-11標準，因而具有突出的易用性。

　　就如所有數字隔離器一樣，該系列器件絕緣體的厚度未達到本質(zhì)安全轉非本質(zhì)安全的隔離要求，其實(shí)體參數也未經(jīng)評估。這意味著(zhù)該器件可以用在本質(zhì)安全轉本質(zhì)安全屏障中，與外置保護裝置相配合。然而，該器件能承受可能的超高功耗故障，加上適當的實(shí)驗實(shí)體參數，可以在不帶保護措施的條件下使用——這使其成為本質(zhì)安全轉本質(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認證，這樣，本質(zhì)安全系統設計師就可以輕松地將其集成到他們的設計當中。CSA/SIRA需要解讀適用于數字隔離器的現有標準要求。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。它們只存儲極少的能量，所以在它們上面運用變壓器設計規則是沒(méi)有意義的。實(shí)體參數的試驗程序也需要從頭開(kāi)始設計。

　　實(shí)體參數和環(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)體參數限值，以確保絕緣安全，所以，在實(shí)際應用中，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定中觀(guān)察到的最高表面溫度。封裝越大，溫度越低。這是通過(guò)易爆環(huán)境通用組件等級認證的首款數字隔離器，因為，它符合標準中有關(guān)制造質(zhì)量的所有要求。

　　表1.ADuM144x實(shí)體參數

　　表2.ADuM144x散熱特性

　　未來(lái)的發(fā)展趨勢是什么?

　　在某些情況下，限定數字隔離器的用途是不錯的選擇，但實(shí)踐表明，把過(guò)于保守的非特定絕緣厚度要求用于所有類(lèi)型的隔離器會(huì )導致用途受限或者性能受限于結構。本質(zhì)安全相關(guān)群體早就認識到了這一點(diǎn)，并且已經(jīng)從標準層面著(zhù)手解決這個(gè)問(wèn)題。有人正在研究一種新的本質(zhì)安全隔離器方案，并且準備納入下一次修訂版標準當中;修訂后的標準會(huì )對光隔離器和數字隔離器一視同仁，并在最新版標準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裝置的容錯試驗。在本質(zhì)安全應用領(lǐng)域，高性能數字隔離器的運用會(huì )大幅增加。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Mark Cantrell是ADI公司iCoupler® 數字隔離器部的應用工程師，也是IEC60079-11維護團隊成員。他的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域是iCoupler數字隔離產(chǎn)品，包括isoPower® 隔離電源器件和I2C、USB隔離器等通信總線(xiàn)器件。他還負責所有iCoupler數字隔離器產(chǎn)品的機構安全認證。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。