数字隔离器可用于本质安全应用

本质安全 （IS） 设备的设计人员了解将信号输入和输出设备的挑战。新技术具有诱人的特性，可以使设计更小、更简单、更低功耗、更快，或四者兼备，但由于 IS 安全标准的要求，尚不清楚是否或如何使用它们。

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。它往往是一个与其他电子设计不同的世界，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。这一切都与易燃环境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，因此在每一种可能的故障情况下，绝缘都将保持完好。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（例如沿表面的厚度或距离）来接近安全方面。

本质安全世界分为两个区域：粉尘和气体造成危险条件的本质安全区域和世界其他区域（非 IS 区域）。在 IS 区域内，能量是有限的，电压往往在 24 V 至 60 V 范围内运行，电流有限，并且在安全超低电压 （SELV） 范围内。在这种环境中，组件必须能够消耗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来实现。一种是制造坚固的组件，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，这会将功率限制在该部分可以承受的范围内。通常，限流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器组成。如果您考虑一个包含少量组件的现代系统，这可能会开始变成围绕每个有源组件的大量无源组件。你和我居住的非 IS 区域的线路电压在 100 V 到 250 V 范围内，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进入 IS 区域的电弧火花或烧伤。这意味着非常强大的接口和保护设备能够处理非常活跃的故障。强大的保护使用更多更大的组件和电路板空间。这可以开始成为围绕每个有源元件的大量无源元件。你和我居住的非 IS 区域的线路电压在 100 V 到 250 V 范围内，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进入 IS 区域的电弧火花或烧伤。这意味着非常强大的接口和保护设备能够处理非常活跃的故障。强大的保护使用更多更大的组件和电路板空间。这可以开始成为围绕每个有源元件的大量无源元件。你和我居住的非 IS 区域的线路电压在 100 V 到 250 V 范围内，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进入 IS 区域的电弧火花或烧伤。这意味着非常强大的接口和保护设备能够处理非常活跃的故障。强大的保护使用更多更大的组件和电路板空间。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。这意味着非常强大的接口和保护设备能够处理非常活跃的故障。强大的保护使用更多更大的组件和电路板空间。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。这意味着非常强大的接口和保护设备能够处理非常活跃的故障。强大的保护使用更多更大的组件和电路板空间。

我有没有提到 IS 标准委员会非常保守，不会很快采用新技术？在区域之间获得逻辑电平通信的首选技术是久负盛名的光耦合器。光耦合器制造商与 IS 标准的保守绝缘要求之间存在紧张关系。IS标准对绝缘的质量没有太多假设，它只承认两种绝缘类型。第一种是浇注化合物，可以覆盖相对可靠的 IC 模具化合物，以及控制较少的灌封化合物。第二种绝缘材料是所有其他固体和绝缘材料，包括从玻璃和聚合物薄膜到蜡纸的所有东西。这些绝缘材料的性能及其应用质量可能差别很大。该标准采用保守的方法并要求使用厚层绝缘。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。对标准的演进做出了努力，以降低贯穿绝缘的要求，从而允许使用性能更好的光耦合器。创建了新的测试，即光耦合器碳化测试，以验证当应用非 IS 区域中可用的非常高的功率时光耦合器不会破裂。结果好坏参半，大多数设计师和光耦合器公司对妥协并不满意。该标准采用保守的方法并要求使用厚层绝缘。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。对标准的演进做出了努力，以降低贯穿绝缘的要求，从而允许使用性能更好的光耦合器。创建了新的测试，即光耦合器碳化测试，以验证当应用非 IS 区域中可用的非常高的功率时光耦合器不会破裂。结果好坏参半，大多数设计师和光耦合器公司对妥协并不满意。该标准采用保守的方法并要求使用厚层绝缘。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。对标准的演进做出了努力，以降低贯穿绝缘的要求，从而允许使用性能更好的光耦合器。创建了新的测试，即光耦合器碳化测试，以验证当应用非 IS 区域中可用的非常高的功率时光耦合器不会破裂。结果好坏参半，大多数设计师和光耦合器公司对妥协并不满意。制造以任何速度运行的组件变得困难。对标准的演进做出了努力，以降低贯穿绝缘的要求，从而允许使用性能更好的光耦合器。创建了新的测试，即光耦合器碳化测试，以验证当应用非 IS 区域中可用的非常高的功率时光耦合器不会破裂。结果好坏参半，大多数设计师和光耦合器公司对妥协并不满意。制造以任何速度运行的组件变得困难。对标准的演进做出了努力，以降低贯穿绝缘的要求，从而允许使用性能更好的光耦合器。创建了新的测试，即光耦合器碳化测试，以验证当应用非 IS 区域中可用的非常高的功率时光耦合器不会破裂。结果好坏参半，大多数设计师和光耦合器公司对妥协并不满意。验证当在非 IS 区域应用非常高的功率时，光耦合器不会破裂。结果好坏参半，大多数设计师和光耦合器公司对妥协并不满意。验证当在非 IS 区域应用非常高的功率时，光耦合器不会破裂。结果好坏参半，大多数设计师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 标准的爆炸性环境部分——第 11 部分：本质安全“I”版第 6 版的设备保护——包含使系统在爆炸性环境（如化工厂或有可燃粉尘的区域）中安全使用的指南。该标准以四种方式表征隔离器设备。

绝缘周围和沿表面的距离、爬电距离和间隙

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 绝缘配合和污染等级 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，而不会燃烧、产生电弧或使绝缘失效。这可能需要或不需要外部组件，具体取决于可用能量。这是关于高温环境中的绝缘完整性——它不需要组件功能。

瞬态额定值

这将来自 SELV 类型环境的安装等级和系统电压。在 IS 边界内，这通常是 500 V rms，对于线路电压，它可能高达 6000 VPEAK。这种特性是关于高压应力的绝缘完整性。它不需要组件功能。

通过绝缘层的距离

绝缘协调标准简单地说，绝缘穿通和磨损不能可靠地预测，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，并选择了足够大的绝缘距离值，几乎所有绝缘都是安全的。对于线路电压，这意味着需要 1 mm 到 2 mm 的绝缘层，而对于受控环境，则需要 0.2 mm。在 IS-to-IS 接口的情况下，不适用穿过绝缘层的距离要求。

在 IS 应用中必须穿过两个屏障，IS-to-non-IS 屏障，其中线路电压出现在非 IS 侧，IS-to-IS 屏障位于本质安全区域内部，用于将系统内的能量与分布电容或电源隔离开来。功率通常处于 SELV 级别。该标准对每种屏障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？所需的爬电距离和电气间隙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因素是其耐受故障条件的能力以及表 5 或 IEC60079-11 标准的附录 F 中要求的绝缘穿过距离。

光耦合器已经存在了大约 50 年。它们是 IS 设计可用于将逻辑电平信号进出 IS 区域的标准技术。很早就意识到，光耦合器的绝缘和功耗要求很繁重。例如，1 毫米的穿透绝缘要求会使光衰减太多，以至于高速光耦合器不实用。可以制造低速光耦合器，但它们的性能会受到影响。

多年来，随着行业需要更多更快的通信，该标准发生了变化。为适应光耦合器做了两项努力。第一个是附录 F，它是为比标准正文假设的更清洁的安装环境（污染等级 2）而制定的。这允许爬电距离和间隙更短。此外，通过绝缘的距离降低到 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来表征光电耦合器在 IS 到非 IS 边界中的故障，而无需外部限制组件。本节包括许多过载测试和所谓的碳化测试。不幸的是，这组测试非常严格，以至于很少有光耦合器符合这部分标准。

该标准现在已经容纳了足够多的光耦合器，可以使用它们制作可用的接口。然而，光耦合器在所有工业应用中的相同缺点在 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、耗电、集成其他功能甚至混合方向通道的能力有限，并且它们的参数会随着时间而漂移。

另一种技术是数字隔离器，它可以解决光耦合器的几乎所有功能问题。数字隔离器可以以超低功耗、非常小的封装、一个封装中的多个通道方向、高一个数量级的速度、易于集成的接口功能以及随时间推移的稳定性能运行。这些特性使它们对 IS 设备的设计者非常有吸引力。然而，为了实现这些特性，他们使用厚度在 10 μm 到 40 μm 范围内的薄膜绝缘材料。参考表 5 中约 1 mm 或附录 F 中 0.2 mm 的贯穿绝缘要求，数字隔离器的绝缘层比这些要求薄得多。在这一点上，大多数设计人员都重重地叹了口气，又开始翻阅光耦合器目录。

没那么快！您会记得，绝缘周围和表面的距离、爬电距离和间隙不适用于 IS 或 IS 隔离，因此可以在该边界使用数字隔离器。在 IS-to-IS 应用中，电压通常限制在 SELV 电压限值以下，并且功率也受到限制，因此瞬态隔离通常为 500 VPEAK，爬电距离和间隙仅为 0.5 mm 至 4 mm，具体取决于所使用的表格。 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-to-IS 边界的有限电压和电流环境中，可以通过多种方式处理容错，通过保护 I/O 引脚和电源，或通过设计和验证引脚以消耗足够的功率。外部保护选项会占用大量电路板空间，并且可能比采用小型封装获得的空间更多。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，可确保部件不会产生电弧、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导致温度升高。这与最高额定环境温度相结合，

实际示例：Analog Devices ADuM144x 四路隔离器

ADI 公司的ADuM144x系列i Coupler 数字隔离器因其多项特性而引起 IS 系统设计人员的兴趣。它可以在微安范围内消耗功率，具有 2 Mbps 的高数据速率，并且在小型 QSOP 或 SSOP 封装中具有 4 个数据通道，并且绝缘能够承受。这些数字隔离器的爬电距离、电气间隙和瞬态规格（超过 6000 VPEAK）对于 IS 环境来说绰绰有余。该器件非常适合 1 Mbps SPI 通信。零件规格使该零件对 IS 应用具有吸引力，因为经过 IEC60079-11 的评估使其易于使用。

与所有数字隔离器一样，该系列设备没有足够厚的绝缘层来实现 IS 到非 IS 隔离，并且没有针对实体参数进行评估。这意味着该设备可以与 IS-to-IS 屏障中的外部保护设备一起使用。但是，该器件能够容忍足够高的功耗故障，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-to-IS 环境的理想选择。

ADI 公司与 CSA/SIRA 合作，为该系列设备生成 ATEX 和 IECEx 认证，以使 IS 系统设计人员能够轻松地将其纳入他们的设计中。CSA/SIRA 必须解释适用于数字隔离器的现有标准的要求。例如，这些设备中使用的脉冲变压器在绝缘性能方面更接近电容器。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。实体参数的测试程序也必须从头开始开发。

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，因此在实际应用中总功率将限制电压和/或电流。表 2 中的最高表面温度反映了在表征中看到的测量的最高表面温度。较大的封装具有较低的温度。这是第一个通过通用组件级认证的数字隔离器，可用于爆炸性环境，因此满足标准的所有制造质量要求。

［表 1 | ADuM144x 实体参数］

［表 2 | ADuM144x 热特性］

未来该何去何从？

在某些情况下，有限使用的数字隔离器非常有用，但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会导致使用受限或结构性能受限。IS 社区早就认识到了这一点，并且这个问题正在标准层面上得到解决。正在研究一种新的 IS 隔离器方法，以便将其纳入标准的下一个修订版，该修订版将统一处理光隔离器和数字隔离器，并提供当前版本标准中贯穿绝缘要求的替代方案。避免使用外部保护设备所需的容错测试也在简化。

审核编辑：郭婷