数字隔离器可应用在本质安全应用中

作者：张馨予

　　对于设备信号输入和输出方面的困难，本质安全(IS)设备设计师了然于胸。有些新技术拥有诱人的特性，可以使设计变得更小、更简单、功耗更低、速度更快或者四者兼而有之，但是由于IS安全标准的要求，我们根本不知道能否以及如何使用它们。

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　　简介

　　如果你并不熟悉本质安全(IS)，相关术语和概念可能使你不知所措。本质安全似乎是一个独立的电子设计世界，需要一些时间才能了解相关的术语和世界观(此处为双关义)。我们先来回顾一下本质安全隔离器组件背后的主要概念。本质安全就是关于易燃环境和粉尘的安全问题。主要概念是要从设计上确保不因能量产生火花，保证在可以设想的每一种故障场景下，绝缘机制都能安然无恙。IEC 60079-11中规定的全部测试和设计要求其实都是为了实现这两个目标。该标准实现安全的方式是对表面沿线的厚度、距离等绝缘属性提出强制性规定。这是实现绝缘安全的常用方法，但所选安全裕度比IEC标准的典型做法要保守得多。

　　本质安全世界分为两个区域：粉尘和气体形成危险条件的本质安全区，世界其余部分(即非本质安全区)。在本质安全区内，能量受限，工作电压范围为24 V至60 V;电流也受到限制，处于安全特低电压(SELV)范围。在该环境中，组件必须能消耗系统可为其提供的最大能量且不产生火花或燃烧。可以通过几种方式实现这一目标。一种方法是制造结实耐用的组件，使其能消耗大量能量而不发热。另一种方法用分立元件保护输入和输出，这些分立元件会把能量限制在器件能承受的范围以内。一般地，限幅组件由一个用于限压的齐纳二极管和一个用于限流的保险丝或电阻构成。如果你考虑设计一个组件不多的现代系统，结果可能是每个有源元件周围都有大量的无源元件。你我所在的非本质安全区的线路电压在100 V至250 V之间，并且可能有无限的电流。要做到安全，隔离器件就必须能承受线路供电故障，并且不能使其绝缘机制失效或者导致会影响到本质安全区的电弧火花或燃烧。这意味着要采用超级鲁棒并且能应付高能量故障的接口和保护器件。鲁棒的保护器件甚至会采用更多、更大的组件，占用更多的电路板空间。

　　我是不是提到过，本质安全标准委员会非常保守，不会很快采用新技术?用于在两个区之间实现逻辑层通信的首选技术是令人尊敬的光耦合器。光耦合器制造商与本质安全标准保守的绝缘要求之间的关系一直都很紧张。本质安全标准对绝缘体的质量着墨不多，只认可两类绝缘。第一类是可以覆盖相对可靠的IC用塑封材料的铸模材料，以及受控程度低得多的灌注材料。第二类绝缘材料是能绝缘且为固体的所有其他材料，包括从玻璃、聚合物薄膜到蜡纸的一切材料。这些绝缘材料的性能及其应用的质量大相径庭。标准采用保守方法，要求采用较厚的绝缘层。如果光耦合器在设计时采用的是标准中规定的最小厚度，就会很难制造出速度令人满意的组件。在标准演进的过程中，有关人士努力降低绝缘要求，因而可以采用性能更好的光耦合器。新的试验方案出现了，即光耦合器碳化试验，用于验证在施加非本质安全区存在的超高功率时，光耦合器不会破裂。结果喜忧参半，多数设计师和光耦合器公司对这种折衷方案并不满意。

数字隔离器可应用在本质安全应用中

　　图1.本质安全系统的隔离布局

　　IEC60079-11的要求

　　IEC60079-11标准，“易爆环境”小节——第11部分：通过本质安全“I”保护设备(第6版)——就开发可在化工厂、有易燃粉尘的区域等易爆环境中安全使用的系统提出了指导意见。标准从四个方面规定了隔离器的特性。

　　绝缘体周围及表面沿线的距离、爬电距离和电气间隙

　　封装的爬电距离和电气间隙取决于要求的工作电压和安装等级(IEC60664绝缘协调与染污等级2或3，因具体应用而异)。

　　容错

　　必须能承受最高可用系统电压故障，不造成燃烧、电弧，也不会使绝缘体失效。根据可用能量，这可能要求采用外部组件，也可能无此要求。这是高温环境下的绝缘完整性问题——对组件功能无要求。

　　额定瞬态电压

　　对于SELV类环境，可以从安装等级和系统电压推算出此项指标。在本质安全区内部，通常为500 V rms;如果是线路电压，则可能高达6000 VPEAK。此项特性涉及的是绝缘体在高压条件下的完整性。对组件功能无要求。

　　绝缘距离