可用于本质安全设备应用的数字隔离器解决方案

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，更低功率，更快，或全部四种，但由于IS安全标准的要求，不清楚是否或如何使用它们。

简介

如果您是本土安全（IS）领域的新手，您可能会对术语和概念感到不知所措。它往往是一个与其他电子设计不同的世界，需要一段时间才能达到术语和世界观（双关语意）。让我们回顾一下IS隔离器组件背后的主要概念。这一切都与可燃气氛和灰尘有关。主要概念是设计无法利用其可用的能量产生火花或火焰，因此在每种可能的故障情况下，绝缘将保持完整。 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。该标准通过强制绝缘特性（例如沿表面的厚度或距离）来接近安全方面。虽然这是实现绝缘安全的常用方法，但所选择的安全裕度比IEC标准中的安全边缘要保守得多。

本质安全的世界分为两个区域：灰尘和气体产生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，能量受到限制，电压往往在24 V至60 V范围内，电流有限且处于安全超低电压（SELV）范围内。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。一种是构建坚固的组件，可以在不升温的情况下耗散大量电力。另一种方法是使用分立元件保护输入和输出，这些元件将功率限制在器件可以承受的范围内。通常，限制组件包括用于限制电压的齐纳二极管和用于限制电流的熔丝或电阻器。如果您考虑使用具有适度数量组件的现代系统，这可能会开始成为围绕每个活动组件的大量无源组件。您和我居住的非IS区域的线电压范围为100 V至250 V，电流可能无限制。为了安全起见，隔离装置必须能够承受线路电源的故障，并且不会使其绝缘失效或导致进入IS区域的电弧火花或燃烧。这意味着非常强大的接口和保护设备能够处理非常有能量的故障。强大的保护功能使用更多更大的组件和电路板空间。

我是否提到IS标准委员会非常保守，并且不会快速采用新技术？在区域之间获得逻辑级通信的首选技术是令人尊敬的光耦合器。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标准并没有对绝缘材料的质量做太多考虑，它只承认两种类型的绝缘。第一种是铸造化合物，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。第二种类型的绝缘材料是其他所有固体和绝缘材料，它包括从玻璃和薄聚合物薄膜到蜡纸的所有东西。这些绝缘材料的功能和应用质量可能差异很大。该标准采用保守的方法，并要求厚层绝缘。当光耦合器设计为标准规定的最小厚度时，很难制造出能够以任何速度运行的元件。为标准的发展做出了努力，以降低绝缘要求，从而可以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。结果充其量是混合的，大多数设计师和光耦合器公司都不满意妥协。

IEC60079-11的要求

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

绝缘和沿表面，爬电距离和间隙的距离

封装的爬电距离和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

必须允许出现最高可用系统电压的故障，而不会烧坏，产生电弧或使绝缘失效。这可能需要外部组件，具体取决于可用能量。这是关于高温环境下的绝缘完整性 - 它不需要组件功能。

瞬态额定值

这将来自SELV类型环境的安装类和系统电压。在IS边界内，这通常是500 V rms，对于线电压，它可能高达6000 V PEAK 。这种表征是关于高压应力的绝缘完整性。它不需要组件功能。

通过绝缘材料的距离

绝缘配合标准只是说绝缘穿通和磨损不能可靠预测，必须通过实验推导出来。在IS-non-IS屏障的情况下，IEC60079-11标准选择在安全方面犯错，并选择通过绝缘的距离值足够大，几乎任何绝缘都是安全的。对于线电压，这意味着需要1 mm至2 mm的绝缘，而对于受控环境，则需要0.2 mm。在IS-to-IS接口的情况下，不应用通过绝缘要求的距离。

在IS应用中必须经过两个障碍，IS到非IS障碍，其中非IS侧存在线电压，而内部存在IS-to-IS障碍安全区，用于将系统内的能量与分布式电容或电源隔离开来。功率通常为SELV级别。该标准对每种类型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？所需的爬电距离和间隙距离以及瞬态额定值与任何工业标准所要求的相似。几乎所有光耦合器和数字隔离器都能满足这些要求。决定隔离器适用性的因素是它能够承受故障条件以及IEC60079-11标准表5或附件F所要求的绝缘距离。

光耦合器已存在约50年。它们是IS设计可用于在IS区域内外获取逻辑电平信号的标准技术。早期就意识到光电耦合器的绝缘和功耗要求是繁重的。例如，1毫米的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，但是它们的性能会受到影响。

随着行业需要更多更快的通信，标准在过去几年中发生了变化。为支持光耦合器做了两项努力。第一个是附件F，它是为了更清洁的安装环境（污染等级2）而制定的，而不是标准的主体。这允许爬电距离和间隙更短。此外，绝缘距离降至0.2 mm，这使得大多数光耦合器都能满足要求。其次，增加了一个特殊的测试部分来表征光电耦合器的IS到非IS边界的故障，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，以至于很少有光耦合器符合标准的这一部分。

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具有的相同缺点是IS应用中的问题。也就是说，光耦合器现在很大，速度慢，耗电量大，在混合方向上集成其他功能甚至通道的能力有限，并且它们的参数随时间漂移。

替代技术是数字隔离器，几乎可以解决光耦合器的所有功能问题。数字隔离器可以采用超低功耗，非常小的封装，封装中的多通道方向，速度提高一个数量级，接口功能易于集成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，为了实现这些特征，它们使用可以在10μm至40μm厚度范围内的薄膜绝缘。回顾表5的绝缘要求约为1 mm或附件F的绝缘要求为0.2 mm，数字隔离器的绝缘比这些要求要薄得多。在这一点上，大多数设计师重重叹息，并再次开始翻阅光耦目录。

不是那么快！您可能还记得，绝缘层周围以及表面，爬电距离和间隙的距离不适用于IS或IS隔离，因此数字隔离器可用于该边界。在IS-to-IS应用中，电压通常限制在SELV电压限制以下，功率也受限制，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，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，通过保护I可以通过两种方式处理容错。 / O引脚和电源或通过设计和鉴定引脚来消耗足够的功率。外部保护选项占用大量电路板空间，并且可能比通过小型封装获得更多空间。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，可确保零件不会发生电弧，破裂或使其绝缘无效。在这些条件下，该部件可能会从耗散功率中经历温度升高。这与最高额定环境温度相结合，将提供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

AD系统的ADuM144x系列 i 耦合器®数字隔离器是IS系统设计人员感兴趣的对于它的几个属性。它可以消耗微安级范围内的功率，具有2 Mbps的高数据速率，并且采用小型QSOP或SSOP封装，具有4个数据通道，并且具有绝缘能够承受的能力。这些数字隔离器的爬电距离，间隙和瞬态规范（超过6000 V PEAK ）对于IS环境来说已经足够了。该器件非常适合1 Mbps SPI通信。部件规格使该部件对IS应用具有吸引力，因为对IEC60079-11进行评估使其易于使用。

与所有数字隔离器一样，该系列器件的绝缘不够厚。 IS是非IS隔离，并且尚未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。然而，该部件能够容忍故障到足够高的功率消耗，通过适当的测试实体参数，可以生成允许设备无保护地使用 - 使其成为IS-to-IS环境的理想选择。

ADI公司与CSA / SIRA合作，为该系列器件生成ATEX和IECEx认证，使IS系统设计人员能够轻松将其纳入其设计中。 CSA / SIRA必须解释现有标准的要求，因为它们适用于数字隔离器。例如，这些器件中使用的脉冲变压器就其绝缘特性而言更接近电容器。它们存储的能量非常少，因此将变压器设计规则应用于它们是没有意义的。实体参数测试程序也必须从头开始。

实体参数和环境条件如表1和表2所示。功耗指定为保持绝缘完整性，而不是超越安全方面的功能。这样可以指定更高的功耗，并消除外部元件。应当注意，必须满足所有实体参数限制以保证绝缘安全，因此总功率将限制实际应用中的电压和/或电流。表2中的最大表面温度反映了在表征中观察到的测量的最大表面温度。较大的包装具有较低的温度。这是第一款在爆炸性环境中使用通用元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。

未来有什么用？

限量使用数字隔离器很棒在某些情况下，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限制使用或限制结构性能.IS社群早已认识到这一点，并且该问题正在标准层面得到解决。正在研究IS隔离器的新方法，以便将其纳入标准的下一版本，该标准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的绝缘要求的替代方案。容错测试避免使用外部保护装置的要求也在逐步简化。未来将在本质安全应用中更多地使用高性能数字隔离器设备。