数字隔离器可用于本质安全应用

作者：Mark Cantrell

本质安全 （IS） 设备的设计人员了解将信号传入和传出设备的挑战。新技术具有诱人的特性，可以使设计更小、更简单、功耗更低、更快或四者兼而有之，但由于 IS 安全标准的要求，尚不清楚您是否或如何使用它们。

介绍

如果您是本质安全 （IS） 领域的新手，您可能会对术语和概念感到有些不知所措。它往往与其他电子设计截然不同，需要一段时间才能接受术语和世界观（双关语）。让我们回顾一下IS隔离器组件背后的主要概念。这一切都与易燃气氛和灰尘周围的安全有关。主要概念是，设计不能利用可用的能量产生火花或火焰，以便在每个可能的故障情况下，绝缘将保持不变。IEC 60079-11中列出的所有测试和设计指南都是为了实现这两个目标。该标准通过强制要求绝缘性能（例如厚度或沿表面的距离）来接近安全侧。虽然这是接近绝缘安全的常用方法，但选择的安全裕度比IEC标准中的典型安全裕度要保守得多。

本质安全的世界分为两个区域：粉尘和气体造成危险条件的本质安全区域，以及世界其他地区（非IS区域）。在 IS 区域内，能量有限，电压往往在 24 V 至 60 V 范围内运行，电流有限，在安全超低电压 （SELV） 范围内运行。在这种环境中，组件必须能够耗散系统可以提供的最大功率，而不会产生火花或燃烧。这可以通过几种方式实现。一种是制造坚固耐用的组件，这些组件可以在不加热的情况下消耗大量功率。另一种是使用分立元件保护输入和输出，这将功率限制在器件可以容忍的范围内。通常，限幅元件由一个用于限制电压的齐纳二极管和一个用于限制电流的保险丝或电阻组成。如果您考虑一个具有少量组件的现代系统，那么它可能会开始成为围绕每个有源组件的大量无源组件。你和我居住的非IS区域具有100 V至250 V范围内的线路电压，电流可能不受限制。为了被称为安全，隔离设备必须能够承受线路电源故障，并且不会使其绝缘失效或导致电弧火花或烧伤进入IS区域。这意味着非常坚固的接口和保护设备能够处理非常有能量的故障。强大的保护使用更多更大的元件和电路板空间。

我有没有提到IS标准委员会非常保守，不会迅速采用新技术？在区域之间实现逻辑电平通信的首选技术是古老的光耦合器。光耦合器制造商与IS标准的保守绝缘要求之间存在紧张的关系。IS标准对绝缘材料的质量没有太多假设，它只识别两种类型的绝缘材料。第一种是铸造化合物，可以覆盖相对可靠的IC模塑料，以及控制较少的灌封化合物。第二种类型的绝缘材料是其他所有固体和绝缘材料，包括从玻璃和聚合物薄膜到蜡纸的所有内容。这些绝缘材料的性能和应用质量可能差异很大。该标准采用保守的方法，并要求厚厚的绝缘层。当光耦合器设计为标准中规定的最小厚度时，很难制造出以任何速度运行的组件。在标准的发展过程中，我们努力降低绝缘穿透要求，从而允许使用性能更好的光耦合器。新的测试被创建，即光耦合器碳化测试，以验证光耦合器在施加非IS区域中可用的非常高的功率时不会破裂。结果充其量是喜忧参半的，大多数设计人员和光耦合器公司对妥协并不满意。

图1.本质安全系统的隔离布局。

IEC60079-11的要求

IEC60079-11 标准，爆炸性环境部分 - 第 11 部分：本质安全“I”版 6 的设备保护 - 包含使系统安全用于爆炸性环境（如化工厂或可燃粉尘区域）的指南。该标准以四种方式表征隔离器器件。

绝缘材料周围和沿表面的距离、爬电距离和电气间隙

封装的爬电距离和电气间隙取决于所需的工作电压和安装等级，基于 IEC60664 绝缘协调和污染等级 2 或 3，具体取决于应用。

容错

必须容忍最高可用系统电压的故障，而不会烧毁、电弧或使绝缘失效。这可能需要外部组件，也不需要，具体取决于可用能量。这与高温环境中的绝缘完整性有关——它不需要组件功能。

瞬态额定值

这将从 SELV 类型环境的安装等级和系统电压得出。在IS边界内，这通常为500 V rms，对于线路电压，它可能高达6000 V峰.该表征与高压应力的绝缘完整性有关。它不需要组件功能。

通过绝缘层的距离

绝缘协调标准只是简单地指出，绝缘穿透和磨损无法可靠地预测，必须通过实验得出。在IS非IS屏障的情况下，IEC60079-11标准选择在安全方面犯错，并选择了通过绝缘的距离值，该值足够大，几乎任何绝缘都是安全的。对于线路电压，这意味着需要 1 mm 至 2 mm 的绝缘，对于受控环境，需要 0.2 mm。对于 IS 到 IS 接口，不适用通过绝缘的距离要求。

在 IS 应用中必须跨越两个屏障，即 IS 到非 IS 屏障，其中线路电压存在于非 IS 侧，以及本质安全区内部的 IS 到 IS 屏障，用于将系统内的能量与分布式电容或电源隔离。功率通常处于 SELV 级别。该标准对每种类型的隔离器提出了非常不同的要求。

隔离器属性

IEC60079-11要求如何影响设计人员在IS应用中使用隔离器的能力？所需的爬电距离和间隙距离以及瞬态额定值与任何工业标准的要求相似。几乎所有的光耦合器和数字隔离器都可以满足这些要求。决定隔离器适用性的是其承受故障条件的能力以及IEC60079-11标准表5或附录F中要求的绝缘距离。

光耦合器已经存在了大约50年。它们是IS设计可用的标准技术，用于将逻辑电平信号传入和传出IS区域。很早就意识到，光耦合器的绝缘和功耗要求很高。例如，1 mm的通孔绝缘要求会大幅衰减光线，以至于高速光耦合器不实用。可以制造低速光耦合器，但其性能会受到影响。

多年来，随着行业需要更多更快的通信，该标准发生了变化。为适应光耦合器做出了两项努力。第一个是附件F，它是为比标准主体假设的更清洁的安装环境（污染等级2）而制定的。这使得爬电距离和间隙更短。此外，穿透绝缘距离降低到0.2 mm，这使得大多数光耦合器能够满足要求。其次，增加了一个特殊的测试部分，用于表征光耦合器在IS至非IS边界内的故障，而无需外部限制元件。本节包括许多过载测试和称为碳化测试的东西。不幸的是，这组测试非常严格，很少有光耦合器符合这部分标准。

该标准现在已经足够容纳光耦合器，可以使用它们制作可行的接口。然而，光耦合器在所有工业应用中都具有的相同缺点在IS应用中也是一个问题。也就是说，光耦合器现在体积大、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，并且其参数会随着时间的推移而漂移。

替代技术是数字隔离器，它可以解决光耦合器的几乎所有功能问题。数字隔离器可以采用超低功耗、极小封装、封装中的多个通道方向、速度提高一个数量级、易于集成接口功能以及长期稳定的性能。这些特性使它们对IS设备的设计者非常有吸引力。然而，为了实现这些功能，它们使用厚度范围为10μm至40μm的薄膜绝缘。回到表5的穿透绝缘要求或附录F的0.2 mm，数字隔离器的绝缘比这些要求薄得多。此时，大多数设计人员都重重地叹了口气，再次开始翻阅光耦合器目录。

没那么快！您可能还记得，绝缘层周围以及沿表面的距离、爬电距离和电气间隙不适用于IS或IS隔离，因此可以在该边界内使用数字隔离器。在 IS 到 IS 应用中，电压通常限制在低于 SELV 电压限值，并且功率也受到限制，因此瞬态隔离通常为 500 VPEAK，爬电距离和电气间隙仅为 0.5 mm 至 4 mm，具体取决于所使用的工作台。这意味着在这些接口中，可以利用数字隔离器提供的小型封装。突然间，数字隔离器变得非常有吸引力。唯一需要解决的问题是容错。

在IS到IS边界的有限电压和电流环境中，容错可以通过几种方式处理，即保护I/O引脚和电源，或者设计和鉴定引脚以消耗足够的功率。外部保护选项占用大量电路板空间，并且可能比采用小型封装占用更多空间。另一种选择是评估设备在生成实体参数的故障条件下的行为。实体参数是一组电压、电流和功率限制，可保证零件不会产生电弧、破裂或使其绝缘失效。在这些条件下，器件可能会因耗散功率而经历温升。这与最大额定环境温度相结合，将给出IS热分析中使用的最大封装温度。

实际示例，ADI公司ADuM144x四通道隔离器

ADI公司的ADuM144x系列i耦合器数字隔离器因其多项特性而引起IS系统设计人员的兴趣。它可以消耗微安范围内的功率，具有 2 Mbps 的高数据速率，并在小型 QSOP 或 SSOP 封装中具有 4 个数据通道，具有能够承受绝缘的能力。爬电距离、电气间隙和瞬态规格（超过 6000 V®峰），这些数字隔离器对于IS环境来说绰绰有余。该器件非常适合 1 Mbps SPI通信。器件规格使该器件对 IS 应用具有吸引力，因为通过 IEC60079-11 评估使其易于使用。

与所有数字隔离器一样，该系列器件的绝缘层不够厚，无法实现IS到非IS隔离，并且尚未评估实体参数。这意味着该器件可以与IS-to-IS屏障中的外部保护设备一起使用。但是，该器件能够承受足够高的功耗故障，通过适当的测试实体参数，可以生成允许器件在没有保护的情况下使用，使其成为IS到IS环境的理想选择。

ADI公司与CSA/SIRA合作，为该系列器件生成ATEX和IECEx认证，使IS系统设计人员能够轻松地将其纳入其设计中。CSA/SIRA必须解释现有标准中适用于数字隔离器的要求。例如，这些设备中使用的脉冲变压器就其绝缘性能而言更接近电容器。它们存储的能量很少，因此将变压器设计规则应用于它们没有意义。实体参数测试程序也必须从头开始制定。

实体参数和环境条件如表1和表2所示。指定功耗是为了保持绝缘完整性，而不是超出安全方面的部分功能。这允许指定更高的功耗并消除外部组件。应该注意的是，为了保证绝缘安全，必须满足所有实体参数限制，因此总功率将限制实际应用中的电压和/或电流。表2中的最高表面温度反映了表征中测得的最大表面温度。封装越大，温度越低。这是第一款获得爆炸性环境通用组件级认证的数字隔离器，因此符合该标准的所有制造质量要求。

表 1.ADuM144x 实体参数

表 2.ADuM144x 热特性

未来会怎样？

在某些情况下，使用有限的数字隔离器是很好的，但是对所有类型的隔离器应用过于保守的非特定绝缘厚度要求导致了使用受限或性能限制结构。IS社区早就认识到这一点，并且正在标准级别解决该问题。正在研究一种用于IS隔离器的新方法，以纳入该标准的下一个修订版，该方法将统一处理光隔离器和数字隔离器，并为当前版本的标准中的绝缘穿透要求提供替代方案。避免使用外部保护设备所需的容错测试也正在简化。未来，在本质安全应用中，高性能数字隔离器器件将获得更多的渠道。