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本质安全 (IS) 设备的设计人员非常清楚与设备信号输入和输出相关的困难。 有一些新技术具有诱人的特性，可以使设计更小、更简单、功耗更低、速度更快，或者这四者兼而有之，但由于 IS 安全标准的要求信号隔离器的作用，我们根本不知道我们是否可以以及如何做到使用它们。

介绍

如果您不熟悉本质安全 (IS)，这些术语和概念可能会让您不知所措。 本质安全似乎是它自己的电子设计世界，需要一些时间来学习相关的术语和世界观（此处为双关语）。 让我们首先回顾本质安全隔离器组件背后的主要概念。 本质安全是关于易燃环境和粉尘的安全性。 主要概念是以这样一种方式进行设计，即不会因能量而产生火花，并且绝缘机制在每一种可能的故障情况下都是安全的。 IEC 60079-11 中规定的所有测试和设计要求实际上都是为了实现这两个目标。 该标准实现安全的方式是通过对绝缘特性（例如沿表面的厚度和距离）做出强制性规定。 这是一种常见的绝缘安全方法，但所选择的安全裕度比 IEC 标准中的典型安全裕度要保守得多。

本质安全世界分为两个区域：粉尘和气体产生危险条件的本质安全区域，以及世界其他地方（即非本质安全区域）。 在本安区，能量受限，工作电压范围为24V～60V； 电流也受到限制，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给它们的最大能量，而不会产生火花或燃烧。 这可以通过多种方式实现。 一种方法是创建坚固的组件，这些组件可以在不加热的情况下消耗大量功率。 另一种方法使用分立元件保护输入和输出，将能量限制在设备可以处理的范围内。 通常，限流元件由用于限压的齐纳二极管和用于限流的保险丝或电阻组成。 如果您考虑设计一个组件很少的现代系统，结果可能是每个有源组件周围都有大量无源组件。 您和我所在的非本质安全区域的线路电压介于 100 V 和 250 V 之间，并且可能存在无限电流。 为了安全起见，隔离装置必须能够承受线路电源故障，而不会使其绝缘机制失效或引起会影响本质安全区域的电弧火花或燃烧。 这意味着使用超级坚固且能够处理高能量故障的接口和保护设备。 强大的保护装置使用更多更大的元件，占用更多的电路板空间。

我有没有提到本质安全标准委员会非常保守并且不会很快采用新技术？ 两个区域之间逻辑层通信的首选技术是古老的光耦合器。 光耦合器制造商与本安标准保守的绝缘要求之间的关系一直很紧张。 本质安全标准对绝缘子的质量并没有多说，只承认两种绝缘。 第一类是模塑材料，可以涵盖相对可靠的IC塑料封装材料，以及控制较少的灌封材料。 第二类绝缘材料是所有其他绝缘材料和固体材料，包括从玻璃和聚合物薄膜到蜡纸的所有材料。 这些绝缘材料的特性及其应用质量千差万别。 该标准采取了保守的方法，要求使用更厚的绝缘材料。 如果光耦合器设计成标准中规定的最小厚度，将难以以令人满意的速度制造元件。 随着标准的发展，人们努力降低绝缘要求，从而允许使用更好的光耦合器。 出现了一种新的测试方案，即光耦碳化测试，用于验证在非本质安全区存在的超大功率下，光耦不会破裂。 结果喜忧参半，大多数设计师和光耦合器公司对这种妥协并不满意。

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”小节 - 第 11 部分：通过本质安全“I”（第 6 版）保护设备 - 开发可用于化工厂、易燃粉尘区域等的爆炸性环境。安全使用指南该系统被提出。 该标准从四个方面规定了隔离器的特性。

绝缘体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（IEC60664 绝缘协调和污染等级 2 或 3，具体取决于具体应用）。

容错

必须能够承受最高可用系统电压的故障，而不会发生燃烧、电弧或绝缘故障。 根据可用的能量，这可能需要也可能不需要外部组件。 这是高温环境下的绝缘完整性问题——对组件功能没有要求。

额定瞬态电压

对于 SELV 环境，该指标可以从安装级别和系统电压推导出来。 在本质安全区内，通常为 500 V rms； 如果是线电压，可以高达6000VPEAK。 该性能是指绝缘体在高压条件下的完整性。 对组件功能没有要求。

绝缘距离

统一绝缘标准仅规定绝缘子击穿和磨损无法可靠预测，必须通过实验计算。 对于本安-非本安型安全栅，IEC60079-11标准宁可预留过多的安全余量，选择的绝缘距离值也足够大，几乎任何绝缘都可以安全。 对于线路电压，这意味着 1 毫米至 2 毫米的绝缘层； 对于受控环境，需要 0.2 毫米的绝缘层。 对于本质安全到本质安全接口，绝缘距离要求不适用。

在本质安全应用中，必须经过两道安全栅，一道是本质安全到非本质安全栅（非本质安全端存在线路电压），另一道是本质安全到本质安全栅内部本质安全区（用于隔离系统中分布电容或电源的能量）。 电源通常处于 SELV 级别。 该标准规定了不同屏障端隔离器的不同要求。

隔离器特性

IEC60079-11 的要求将如何影响设计人员在本质安全应用中使用隔离器的能力？ 爬电距离和电气间隙要求以及额定瞬态电压与任何行业标准的要求相似。 几乎所有的光耦合器和数字隔离器都能满足这些要求。 决定隔离器是否合适的是隔离器的故障条件耐受能力和IEC60079-11标准表5或附录F中要求的绝缘距离。

光耦合器自发明以来已有大约 50 年的历史。 这些是本质安全设计人员可以用来获取进出本质安全区域的逻辑电平信号的标准技术。 人们早就认识到，隔离和功耗要求对于光耦合器来说太高了。 例如，1 mm 的绝缘要求会衰减光信号，使高速光耦合器变得不切实际。 虽然可以制造低速光耦合器，但会牺牲性能。

多年来，随着行业需要更多更快的通信，标准发生了变化。 为了满足光耦合器的需求，人们从两个方面做出了努力。 首先，附录 F 是为比标准体更清洁的安装环境（污染度 2）制定的。 这减少了爬电距离和电气间隙。 此外，绝缘距离减小到0.2mm，使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，其中针对本质安全到非本质安全的边界故障规定了光耦合器的相应特性，而无需外部限制元件。 这部分包括广泛的过载测试和所谓的碳化测试。 不幸的是，这些测试非常严格，以至于很少有光耦合器能够满足这部分标准的要求。

该标准现已针对光耦合器进行了充分修订，以与光耦合器建立工作接口。 然而，在本质安全应用中，光耦合器在所有工业应用中的缺点都成为问题。 这些不足包括体积大、速度慢、光耦合器功耗大、难以与其他功能集成，或满足不同的通道方向，其参数会随时间变化。

替代技术是数字隔离器，它解决了光耦合器几乎所有的功能问题。 数字隔离器具有超低功耗、超小封装、同一封装内多个通道方向、更高的速度、接口功能易于集成、性能稳定等特点。 这些特性极大地增加了它对本质安全设备设计者的吸引力。 然而，为了实现这些特性，他们采用了厚度在 10 μm 到 40 μm 之间的薄膜绝缘解决方案。 我们前面提到表5中规定的绝缘厚度约为1mm，而附录F中规定的绝缘厚度约为0.2mm。 数字隔离器的绝缘体远低于这些要求。 至此，大部分设计人员都重重叹了口气，重新开始浏览光耦合器目录。

不要这么快下结论！ 如前所述，绝缘体周围和沿表面的距离、爬电距离和电气间隙不适用于本质安全区域或本质安全隔离，因此可以在该边界使用数字隔离器。 在本质安全到本质安全的应用中，电压通常被限制在 SELV 电压限制以下，同时也限制了功率。 因此，瞬态隔离电压通常为 500 VPEAK，爬电距离和电气间隙仅为 0.5 毫米至 4 毫米，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的小封装特性。 突然之间，数字隔离器看起来很迷人。 唯一需要解决的问题是容错。

在从本质安全到本质安全边界的电压和电流限制环境中，可以通过多种方式解决容错问题，例如保护 I/O 引脚和电源，或通过设计和质量确保引脚耗散足够的能量. 外部保护方案会占用大量电路板空间，这可能大于使用小型封装所节省的空间。 另一种选择是评估设备在故障条件下的行为，并据此生成物理参数。 重要参数是一组电压、电流和功率限制，可确保设备不会产生电弧、断路或绝缘体失效。 在这些条件下，设备可能会因耗散能量而经历加热过程。 加上最大额定环境温度，得出本质安全热分析中使用的最大封装温度。

示例，ADI ADuM144x 四通道隔离器

ADI 的 ADuM144x 系列 iCoupler® 数字隔离器具有多种特性，使其成为系统设计人员的理想选择。 它消耗微安的功率，数据速率高达 2 Mbps，有 4 个数据通道，并采用具有出色隔离功能的小型 QSOP 或 SSOP 封装。 这些数字隔离器的爬电距离、间隙距离和瞬态电压（超过 6000 VPEAK）等规格超出了本质安全环境的要求。 该器件非常适合 1 Mbps SPI 通信。 该设备的出色规格使其成为本质安全应用的理想选择，并且根据 IEC60079-11 进行了评估，具有出色的易用性。

与所有数字隔离器一样，该系列器件的绝缘体厚度不满足本质安全到非本质安全的隔离要求，其物理参数尚未评估。 这意味着该设备可以与外部保护设备一起用于本质安全到本质安全的安全栅。 但是，该设备能够承受可能出现的非常高的电源故障，并且具有适当的实验物理参数，可以在不受保护的情况下使用——使其成为本质安全到本质安全环境的理想选择。

Analog Devices 已与 CSA/SIRA 合作，为该系列设备生成 ATEX 和 IECEx 认证，以便本质安全系统设计人员可以轻松地将其集成到他们的设计中。 CSA/SIRA 需要解释适用于数字隔离器的现有标准要求。 例如，这些设备中使用的脉冲变压器在隔离特性方面更接近于电容器。 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没有意义。 物理参数的实验程序也需要从头开始设计。

实体参数和环境条件如表 1 和表 2 所示。额定功耗用于器件功能，同时保持绝缘完整性且不超过安全限值。 这允许指定更高的功耗信号隔离器的作用，并且还消除了对外部组件的需要。 重要的是要注意，必须遵守所有物理参数限制以确保绝缘安全，因此在实践中总功率会限制电压和/或电流。 表 2 中的最高表面温度反映了表征过程中观察到的最高表面温度。 包装越大，温度越低。 这是第一个通过爆炸性环境通用组件评级认证的数字隔离器，因为它满足标准关于制造质量的所有要求。

表 1. ADuM144x 物理参数

表 2. ADuM144x 热特性

未来的发展趋势是什么？

在某些情况下，限制数字隔离器的使用是可以的，但实践表明，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可能会导致使用受限或结构性能受限。 本质安全界早就认识到了这一点，并在标准层面解决了这个问题。 正在研究一种本质安全隔离器的新方法，以纳入标准的下一次修订； 修订后的标准将平等对待光隔离器和数字隔离器，并在最新版本的标准中提供绝缘要求的替代方案。 同时，将优先考虑避免使用外部保护装置的容错测试。 在本质安全应用中，高性能数字隔离器的使用将显着增加。

关于作者

Mark Cantrell 是 ADI 公司 iCoupler® 数字隔离器部门的应用工程师，也是 IEC60079-11 维护团队的成员。 他的专长领域是 iCoupler 数字隔离产品，包括 isoPower® 隔离电源设备和通信总线设备，例如 I2C 和 USB 隔离器。 他还负责所有 iCoupler 数字隔离器产品的机构安全认证。 马克毕业于印第安纳大学，获得物理学硕士学位。 联系方式：mark.cantrell@analog.com。