功能安全系統如何設計？你只差一款高性能Σ-Δ ADC

自動(dòng)化如果不安全，就談不上智能。功能安全在工業(yè) 4.0 中發(fā)揮著(zhù)重要作用，其旨在免于發(fā)生不可接受的風(fēng)險的自由，保護人員、資產(chǎn)和環(huán)境免受非惡意行為者造成的無(wú)意傷害，例如不良規劃、不良實(shí)施、一組不良的要求或隨機故障。面對全球化的工業(yè)4.0浪潮，提供具有診斷功能的產(chǎn)品幫助客戶(hù)開(kāi)發(fā)適用于工業(yè)應用的功能安全設計成為了包括ADI公司在內的各大解決方案提供商的研究重點(diǎn)。

兩個(gè)步驟建立高性能功能安全系統

第一，危害分析，確定可能致人受傷的方式。對危害進(jìn)行分析之后，系統設計應確保避免危險情況發(fā)生。如果存在無(wú)法避免的情況，應增加安全系統來(lái)檢測該不安全狀態(tài)并讓系統處于安全狀態(tài)。例如一個(gè)開(kāi)環(huán)式閥門(mén)控制系統，根據油箱溫度，一個(gè)連接到油箱的閥門(mén)打開(kāi)一定的百分比以使爆炸風(fēng)險最低。一個(gè)DAC通過(guò)一臺電機控制閥門(mén)開(kāi)口大小。危害分析揭示出有兩種情況可能產(chǎn)生不確定狀態(tài)：溫度測量錯誤以及DAC未能正確打開(kāi)/關(guān)閉閥門(mén)。然后評估各種危害的風(fēng)險，公式如下：

開(kāi)環(huán)閥門(mén)控制系統信號鏈

第二，設計一個(gè)能將風(fēng)險降至容許水平的功能安全系統。功能安全國際標準IEC-61508定義了四個(gè)安全完整性等級(SIL)，這些等級規定了安全功能應將風(fēng)險降至何種水平。這是基于對未檢出故障的降低和最小化程度來(lái)制定的，未檢出故障是指會(huì )使系統功能失常并可能觸發(fā)不利狀況的故障。

不同標準的風(fēng)險水平概算

若系統能提供99%的診斷覆蓋率，則可實(shí)現SIL3；若診斷覆蓋率為90%，則可實(shí)現SIL2；若診斷覆蓋率只有60%，則可實(shí)現SIL1。換言之，未檢出故障的概率隨著(zhù)診斷覆蓋率的提高而降低。目前，常見(jiàn)的實(shí)現高診斷覆蓋率分別是采用已通過(guò)相應保護等級認證的器件以及在器件層面使用冗余設計。這兩種方法都有不容忽視的弊病，前者的認證標準可能不適用你的系統，而且系統保護等級也可能不匹配。后者在進(jìn)行錯誤檢測時(shí)，并不是直接進(jìn)行，而是間接將兩個(gè)（或更多）理應相同的輸出進(jìn)行比較。這種方法極大地增加了物料成本、PCB面積、處理開(kāi)銷(xiāo)和成本。同時(shí)還會(huì )給系統設計人員帶來(lái)額外的負擔，比如，增加開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低可靠性等。

從核心器件層面減少故障概率

一個(gè)常見(jiàn)的差錯來(lái)源是外部接口中的數據傳輸：如果任何一位在傳輸中被破壞，數據便可能被接收器誤解，并且可能產(chǎn)生不利狀況。因此數據鏈上的每一個(gè)器件都很重要，若制造商宣稱(chēng)某個(gè)器件針對功能安全系統而設計，其應能夠提供FIT以及更為重要的故障模式、影響和診斷分析。此數據用于分析特定應用中的IC，計算系統的診斷覆蓋率(DC)、安全失效系數(SFF)和危險故障率。 相對而言，其中常用的Σ-Δ ADC的功能安全尤其關(guān)鍵。

對Σ-Δ ADC的一般分析揭示出了此類(lèi)器件的內部復雜性所引起的多種錯誤來(lái)源，包括：基準電壓斷開(kāi)連接/受損；輸入/輸出緩沖器/PGA受損；ADC內核受損/飽和內部穩壓器電源不正確，以及外部電源不正確。此外，只有某些問(wèn)題會(huì )在器件模塊中產(chǎn)生故障，但存在其他不像上面所列那么明顯的故障原因：內部鍵合線(xiàn)受損；鍵合線(xiàn)與鄰近引腳短路；漏電流增加；等。例如，若VREF漏電流增加以致在內部基準電壓上產(chǎn)生壓降，器件能否檢測到這一情形？為檢查此類(lèi)故障，ADC應能選擇不同的基準電壓進(jìn)行轉換，并將V_REF用作轉換輸入。ADI公司的現代化Σ-Δ ADC，比如 AD7770, AD7768, 或 AD7764, 通過(guò)多個(gè)診斷檢測器來(lái)提高容錯保護，并檢測數字模塊和模擬模塊中的功能錯誤。下面以AD7770為例分析其關(guān)鍵特性。

簡(jiǎn)化功能安全設計，ADI打造精密設計典范

對此，全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)解決方案提供商ADI公司推出了一系列現代化Σ-Δ ADC，實(shí)現了許多內部錯誤檢測器，不僅能夠檢測數字模塊和模擬模塊中的功能錯誤，還簡(jiǎn)化了功能安全系統的設計，使整體復雜度低于其他解決方案。其中AD7770更是精密Σ-Δ ADC設計的典范，包含以下特性：

· 用于熔絲位、寄存器和接口的CRC校驗器

· 過(guò)壓/欠壓檢測器

· 基準電壓和LDO電壓檢測器

· 用于PGA增益測試的內部固定電壓

· 外部時(shí)鐘檢測器

· 多個(gè)基準電壓源

AD7770是一款8通道同步采樣ADC，片內集成8個(gè)完整的Σ-Δ型ADC。能夠提供低輸入電流，允許直接連接傳感器。每個(gè)輸入通道都有一個(gè)增益為1、2、4和8的可編程增益級，可將低幅度傳感器輸出映射到滿(mǎn)量程ADC輸入范圍，從而使信號鏈的動(dòng)態(tài)范圍最大。AD7770接受1 V至3.6 V的V_REF電壓。模擬輸入接受單極性（0 V至V_REF）或真雙極性(±V_REF/2)模擬輸入信號，模擬電源電壓分別為3.3 V或±1.65 V (PGAGAIN = 1）。模擬輸入可接受真差分、偽差分或單端信號以匹配不同的傳感器輸出配置。

AD7770 的診斷和監控模塊

其每個(gè)通道包含一個(gè)PGA、一個(gè)ADC調制器和一個(gè)sinc3低延遲數字濾波器。采用SRC來(lái)對AD7770 ODR進(jìn)行精細分辨率控制。這種控制可用于線(xiàn)頻率變化為0.01 Hz時(shí)，ODR分辨率需要維持相干性的應用。SRC可通過(guò)串行端口接口(SPI)編程。AD7770實(shí)現了兩種不同接口：數據輸出接口和SPI控制接口。ADC數據輸出接口專(zhuān)門(mén)用于將ADC轉換結果從AD7770發(fā)送至處理器。SPI寫(xiě)入或讀取AD7770配置寄存器，并控制和讀取SAR ADC數據。SPI還可配置為輸出Σ-Δ轉換數據。

除了以上特性，AD7770還內置了一個(gè)輔助12位SAR型ADC，它可以使診斷覆蓋率達到最大，例如：

· 實(shí)現其他架構以得到某些好處，比如提供不同的EMC抗擾度

· 它通過(guò)不同的電源引腳供電，故而可以用作基準電壓源

· 其速度非?？?，用作監視器時(shí)，在一個(gè)Σ-Δ 通道的單次轉換期間，它可以監視8個(gè)Σ-Δ通道，但該SAR型ADC的精度和Σ-Δ ADC的精度不同

· 它利用不同的串行接口(SPI)提供轉換結果

· 提供所有內部電壓節點(diǎn)的測量進(jìn)行診斷，比如外部電源、V_REF、V_CM、LDO輸出電壓或內部基準電壓。

除此之外，也無(wú)需為系統測量功能專(zhuān)門(mén)騰出一個(gè)Σ-Δ型ADC通道。通過(guò)外部多路復用器（可利用3個(gè)通用輸入/輸出引腳(GPIO)加以控制）和信號調理，SAR ADC可在需要功能安全性的應用中用于驗證Σ-Δ型ADC測量結果。值得一提的是，AD7770 SAR ADC還內置一個(gè)多路復用器，可用來(lái)檢測內部節點(diǎn)。

結語(yǔ)

新的國際標準和法規加速了工業(yè)設備對安全系統的需求。不僅因為安全是未來(lái)工廠(chǎng)的基本要素，更是因為功能安全可確保更高的可靠性、更精確的診斷和更大的彈性。ADI 公司一直采用IEC 61508 標準來(lái)擴展其已經(jīng)非常嚴格的功能安全新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，確保了IEC61508 要求的額外安全計劃、安全分析、驗證和確認得以執行，幫助系統設計師實(shí)現功能安全理想。