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

對于設(shè)備信號輸入和輸出方面的困難，本質(zhì)安全(IS)設(shè)備設(shè)計師了然于胸。有些新技術(shù)擁有誘人的特性，可以使設(shè)計變得更小、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)安全似乎是一個獨立的電子設(shè)計世界，需要一些時間才能了解相關(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)想的每一種故障場景下，絕緣機制都能安然無恙。IEC 60079-11中規(guī)定的全部測試和設(shè)計要求其實都是為了實現(xiàn)這兩個目標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)安全的方式是對表面沿線的厚度、距離等絕緣屬性提出強制性規(guī)定。這是實現(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)安全世界分為兩個區(qū)域：粉塵和氣體形成危險條件的本質(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^幾種方式實現(xiàn)這一目標(biāo)。一種方法是制造結(jié)實耐用的組件，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，限幅組件由一個用于限壓的齊納二極管和一個用于限流的保險絲或電阻構(gòu)成。如果你考慮設(shè)計一個組件不多的現(xiàn)代系統(tǒng)，結(jié)果可能是每個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制失效或者導(dǎo)致會影響到本質(zhì)安全區(qū)的電弧火花或燃燒。這意味著要采用超級魯棒并且能應(yīng)付高能量故障的接口和保護器件。魯棒的保護器件甚至?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)委員會非常保守，不會很快采用新技術(shù)?用于在兩個區(qū)之間實現(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)計時采用的是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小厚度，就會很難制造出速度令人滿意的組件。在標(biāo)準(zhǔn)演進的過程中，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。新的試驗方案出現(xiàn)了，即光耦合器碳化試驗，用于驗證在施加非本質(zhì)安全區(qū)存在的超高功率時，光耦合器不會破裂。結(jié)果喜憂參半，多數(shù)設(shè)計師和光耦合器公司對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(IEC60664絕緣協(xié)調(diào)與染污等級2或3，因具體應(yīng)用而異)。

容錯

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——對組件功能無要求。

額定瞬態(tài)電壓

對于SELV類環(huán)境，可以從安裝等級和系統(tǒng)電壓推算出此項指標(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)測絕緣體擊穿和磨損，必須通過試驗推算。對于本質(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。對于線路電壓，這意味著需要采用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(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的要求會對設(shè)計師在本質(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)計師可以用它們?nèi)〉眠M出本質(zhì)安全區(qū)的邏輯電平信號。人們早就認(rèn)識到，對光耦合器來說，絕緣和功耗要求太高了。例如，1 mm絕緣要求會使光信號發(fā)生衰減，結(jié)果導(dǎo)致高速光耦合器喪失實用性。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，人們從兩個方面進行了努力。其一，針對比標(biāo)準(zhǔn)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(shù)光耦合器都能滿足要求。其二，增加了特殊試驗一節(jié)，其中針對本質(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和所謂的碳化試驗。不幸的是，這些試驗非常嚴(yán)格，很少有光耦合器能達到標(biāo)準(zhǔn)這部分的要求。

目前，標(biāo)準(zhǔn)針對光耦合器進行了充分修正，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)也會隨時間而變化。

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。這些特性極大地提高了其對本質(zhì)安全設(shè)備設(shè)計師的吸引力。然而，為了實現(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遠低于這些要求。這時，多數(shù)設(shè)計師會重重地嘆口氣，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)種方式解決容錯問題，比如保護I/O引腳和電源，或者從設(shè)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。另一個方案是評估器件在故障條件下的行為，并基于此生成實體參數(shù)。實體參數(shù)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)計師的不錯選擇。其功耗處于微安級別，數(shù)據(jù)速率高達2 Mbps，有4個數(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到本質(zhì)安全轉(zhuǎn)非本質(zhì)安全的隔離要求，其實體參數(shù)也未經(jīng)評估。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)膶嶒瀸嶓w參數(shù)，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(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)計師就可以輕松地將其集成到他們的設(shè)計當(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。它們只存儲極少的能量，所以在它們上面運用變壓器設(shè)計規(guī)則是沒有意義的。實體參數(shù)的試驗程序也需要從頭開始設(shè)計。

實體參數(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，必須符合所有實體參數(shù)限值，以確保絕緣安全，所以，在實際應(yīng)用中，總功率會限制電壓和/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)境通用組件等級認(rèn)證的首款數(shù)字隔離器，因為，它符合標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)制造質(zhì)量的所有要求。

表1.ADuM144x實體參數(shù)

表2.ADuM144x散熱特性

未來的發(fā)展趨勢是什么?

在某些情況下，限定數(shù)字隔離器的用途是不錯的選擇，但實踐表明，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)識到了這一點，并且已經(jīng)從標(biāo)準(zhǔn)層面著手解決這個問題。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)會對光隔離器和數(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(yīng)用領(lǐng)域，高性能數(shù)字隔離器的運用會大幅增加。