【導讀】多年來
，隨著行業需要更多更快的通信，該標準發生了變化。為適應光耦合器做出了兩項努力。個是附件F
，它是為比標準主體假設的更清潔的安裝環境（汙染等級2）而製定的。這使得爬電距離和間隙更短。此外，穿透絕緣距離降低到0.2 mm
，這使得大多數光耦合器能夠滿足要求。

本質安全 （IS） 設備的設計人員了解將信號傳入和傳出設備的挑戰。新技術具有誘人的特性，可以使設計更小
、更簡單、功耗更低

、更快或四者兼而有之，但由於 IS 安全標準的要求，尚不清楚您是否或如何使用它們。

介紹

如果您是本質安全 （IS） 領域的新手

，您可能會對術語和概念感到有些不知所措。它往往與其他電子設計截然不同，需要一段時間才能接受術語和世界觀（雙關語）。讓我們回顧一下IS隔(ge)離(li)器(qi)組(zu)件(jian)背(bei)後(hou)的(de)主(zhu)要(yao)概(gai)念(nian)。這(zhe)一(yi)切(qie)都(dou)與(yu)易(yi)燃(ran)氣(qi)氛(fen)和(he)灰(hui)塵(chen)周(zhou)圍(wei)的(de)安(an)全(quan)有(you)關(guan)。主(zhu)要(yao)概(gai)念(nian)是(shi)，設(she)計(ji)不(bu)能(neng)利(li)用(yong)可(ke)用(yong)的(de)能(neng)量(liang)產(chan)生(sheng)火(huo)花(hua)或(huo)火(huo)焰(yan)
，以(yi)便(bian)在(zai)每(mei)個(ge)可(ke)能(neng)的(de)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，絕(jue)緣(yuan)將(jiang)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)。IEC 60079-11中列出的所有測試和設計指南都是為了實現這兩個目標。該標準通過強製要求絕緣性能（例如厚度或沿表麵的距離）來接近安全側。雖然這是接近絕緣安全的常用方法，但選擇的安全裕度比IEC標準中的典型安全裕度要保守得多。

本質安全的世界分為兩個區域：粉塵和氣體造成危險條件的本質安全區域
，以及世界其他地區（非IS區域）。在 IS 區域內，能量有限

，電壓往往在 24 V 至 60 V 範圍內運行

，電流有限，在安全超低電壓 （SELV） 範fan圍wei內nei運yun行xing。在zai這zhe種zhong環huan境jing中zhong，組zu件jian必bi須xu能neng夠gou耗hao散san係xi統tong可ke以yi提ti供gong的de功gong率lv，而er不bu會hui產chan生sheng火huo花hua或huo燃ran燒shao。這zhe可ke以yi通tong過guo幾ji種zhong方fang式shi實shi現xian。一yi種zhong是shi製zhi造zao堅jian固gu耐nai用yong的de組zu件jian，這zhe些xie組zu件jian可ke以yi在zai不bu加jia熱re的de情qing況kuang下xia消xiao耗hao大da量liang功gong率lv。另ling一yi種zhong是shi使shi用yong分fen立li元yuan件jian保bao護hu輸shu入ru和he輸shu出chu
，這zhe將jiang功gong率lv限xian製zhi在zai器qi件jian可ke以yi容rong忍ren的de範fan圍wei內nei。通tong常chang
，限xian幅fu元yuan件jian由you一yi個ge用yong於yu限xian製zhi電dian壓ya的de齊qi納na二er極ji管guan和he一yi個ge用yong於yu限xian製zhi電dian流liu的de保bao險xian絲si或huo電dian阻zu組zu成cheng。如ru果guo您nin考kao慮lv一yi個ge具ju有you少shao量liang組zu件jian的de現xian代dai係xi統tong，那na麼me它ta可ke能neng會hui開kai始shi成cheng為wei圍wei繞rao每mei個ge有you源yuan組zu件jian的de大da量liang無wu源yuan組zu件jian。你ni和he我wo居ju住zhu的de非feiIS區域具有100 V至250 Vfanweineidexianludianya，dianliukenengbushouxianzhi。weilebeichengweianquan
，gelishebeibixunenggouchengshouxianludianyuanguzhang，bingqiebuhuishiqijueyuanshixiaohuodaozhidianhuhuohuahuoshaoshangjinruIS區域。這意味著非常堅固的接口和保護設備能夠處理非常有能量的故障。強大的保護使用更多更大的元件和電路板空間。

我有沒有提到IS標準委員會非常保守，不會迅速采用新技術？在區域之間實現邏輯電平通信的技術是古老的光耦合器。光耦合器製造商與IS標準的保守絕緣要求之間存在緊張的關係。IS標準對絕緣材料的質量沒有太多假設，它隻識別兩種類型的絕緣材料。種是鑄造化合物
，可以覆蓋相對可靠的IC模(mo)塑(su)料(liao)，以(yi)及(ji)控(kong)製(zhi)較(jiao)少(shao)的(de)灌(guan)封(feng)化(hua)合(he)物(wu)。第(di)二(er)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)是(shi)其(qi)他(ta)所(suo)有(you)固(gu)體(ti)和(he)絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)
，包(bao)括(kuo)從(cong)玻(bo)璃(li)和(he)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)到(dao)蠟(la)紙(zhi)的(de)所(suo)有(you)內(nei)容(rong)。這(zhe)些(xie)絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)的(de)性(xing)能(neng)和(he)應(ying)用(yong)質(zhi)量(liang)可(ke)能(neng)差(cha)異(yi)很(hen)大(da)。該(gai)標(biao)準(zhun)采(cai)用(yong)保(bao)守(shou)的(de)方(fang)法(fa)
，並(bing)要(yao)求(qiu)厚(hou)厚(hou)的(de)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)。當(dang)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)設(she)計(ji)為(wei)標(biao)準(zhun)中(zhong)規(gui)定(ding)的(de)厚(hou)度(du)時(shi)
，很(hen)難(nan)製(zhi)造(zao)出(chu)以(yi)任(ren)何(he)速(su)度(du)運(yun)行(xing)的(de)組(zu)件(jian)。在(zai)標(biao)準(zhun)的(de)發(fa)展(zhan)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，我(wo)們(men)努(nu)力(li)降(jiang)低(di)絕(jue)緣(yuan)穿(chuan)透(tou)要(yao)求(qiu)
，從(cong)而(er)允(yun)許(xu)使(shi)用(yong)性(xing)能(neng)更(geng)好(hao)的(de)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)。新(xin)的(de)測(ce)試(shi)被(bei)創(chuang)建(jian)

，即(ji)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)碳(tan)化(hua)測(ce)試(shi)，以(yi)驗(yan)證(zheng)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)在(zai)施(shi)加(jia)非(fei)IS區域中可用的非常高的功率時不會破裂。結果充其量是喜憂參半的
，大多數設計人員和光耦合器公司對妥協並不滿意。

圖1.本質安全係統的隔離布局。

IEC60079-11的要求

IEC60079-11 標準，爆炸性環境部分 - 第 11 部分：本質安全“I”版 6 的設備保護 - 包含使係統安全用於爆炸性環境（如化工廠或可燃粉塵區域）的指南。該標準以四種方式表征隔離器器件。

絕緣材料周圍和沿表麵的距離、爬電距離和電氣間隙

封裝的爬電距離和電氣間隙取決於所需的工作電壓和安裝等級，基於 IEC60664 絕緣協調和汙染等級 2 或 3，具體取決於應用。

容錯

必須容忍可用係統電壓的故障
，而不會燒毀、電弧或使絕緣失效。這可能需要外部組件
，也不需要，具體取決於可用能量。這與高溫環境中的絕緣完整性有關——它不需要組件功能。

瞬態額定值

這將從 SELV 類型環境的安裝等級和係統電壓得出。在IS邊界內
，這通常為500 V rms，對於線路電壓，它可能高達6000 V峰.該表征與高壓應力的絕緣完整性有關。它不需要組件功能。

通過絕緣層的距離

絕緣協調標準隻是簡單地指出，絕緣穿透和磨損無法可靠地預測，必須通過實驗得出。在IS非IS屏障的情況下，IEC60079-11標準選擇在安全方麵犯錯
，並選擇了通過絕緣的距離值
，該值足夠大
，幾乎任何絕緣都是安全的。對於線路電壓，這意味著需要 1 mm 至 2 mm 的絕緣，對於受控環境，需要 0.2 mm。對於 IS 到 IS 接口，不適用通過絕緣的距離要求。

在 IS 應用中必須跨越兩個屏障

，即 IS 到非 IS 屏障，其中線路電壓存在於非 IS 側，以及本質安全區內部的 IS 到 IS 屏障，用於將係統內的能量與分布式電容或電源隔離。功率通常處於 SELV 級別。該標準對每種類型的隔離器提出了非常不同的要求。

隔離器屬性

IEC60079-11要求如何影響設計人員在IS應ying用yong中zhong使shi用yong隔ge離li器qi的de能neng力li？所suo需xu的de爬pa電dian距ju離li和he間jian隙xi距ju離li以yi及ji瞬shun態tai額e定ding值zhi與yu任ren何he工gong業ye標biao準zhun的de要yao求qiu相xiang似si。幾ji乎hu所suo有you的de光guang耦ou合he器qi和he數shu字zi隔ge離li器qi都dou可ke以yi滿man足zu這zhe些xie要yao求qiu。決jue定ding隔ge離li器qi適shi用yong性xing的de是shi其qi承cheng受shou故gu障zhang條tiao件jian的de能neng力li以yi及jiIEC60079-11標準表5或附錄F中要求的絕緣距離。

光耦合器已經存在了大約50年。它們是IS設計可用的標準技術，用於將邏輯電平信號傳入和傳出IS區域。很早就意識到，光耦合器的絕緣和功耗要求很高。例如，1 mm的通孔絕緣要求會大幅衰減光線，以至於高速光耦合器不實用。可以製造低速光耦合器，但其性能會受到影響。

多年來
，隨著行業需要更多更快的通信

，該標準發生了變化。為適應光耦合器做出了兩項努力。個是附件F，它是為比標準主體假設的更清潔的安裝環境（汙染等級2）而製定的。這使得爬電距離和間隙更短。此外，穿透絕緣距離降低到0.2 mm，這使得大多數光耦合器能夠滿足要求。其次，增加了一個特殊的測試部分

，用於表征光耦合器在IS至非IS邊(bian)界(jie)內(nei)的(de)故(gu)障(zhang)，而(er)無(wu)需(xu)外(wai)部(bu)限(xian)製(zhi)元(yuan)件(jian)。本(ben)節(jie)包(bao)括(kuo)許(xu)多(duo)過(guo)載(zai)測(ce)試(shi)和(he)稱(cheng)為(wei)碳(tan)化(hua)測(ce)試(shi)的(de)東(dong)西(xi)。不(bu)幸(xing)的(de)是(shi)，這(zhe)組(zu)測(ce)試(shi)非(fei)常(chang)嚴(yan)格(ge)，很(hen)少(shao)有(you)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)符(fu)合(he)這(zhe)部(bu)分(fen)標(biao)準(zhun)。

該標準現在已經足夠容納光耦合器
，可以使用它們製作可行的接口。然而
，光耦合器在所有工業應用中都具有的相同缺點在IS應用中也是一個問題。也就是說，光耦合器現在體積大
、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，並且其參數會隨著時間的推移而漂移。

替代技術是數字隔離器
，它可以解決光耦合器的幾乎所有功能問題。數字隔離器可以采用超低功耗
、極小封裝、封裝中的多個通道方向、速度提高一個數量級、易於集成接口功能以及長期穩定的性能。這些特性使它們對IS設備的設計者非常有吸引力。然而，為了實現這些功能，它們使用厚度範圍為10μm至40μm的薄膜絕緣。回到表5的穿透絕緣要求或附錄F的0.2 mm
，數字隔離器的絕緣比這些要求薄得多。此時，大多數設計人員都重重地歎了口氣，再次開始翻閱光耦合器目錄。

沒那麼快！您可能還記得
，絕緣層周圍以及沿表麵的距離、爬電距離和電氣間隙不適用於IS或IS隔離


，因此可以在該邊界內使用數字隔離器。在 IS 到 IS 應用中，電壓通常限製在低於 SELV 電壓限值，並且功率也受到限製
，因此瞬態隔離通常為 500 VPEAK，爬電距離和電氣間隙僅為 0.5 mm 至 4 mm，jutiqujueyusuoshiyongdegongzuotai。zheyiweizhezaizhexiejiekouzhong，keyiliyongshuzigeliqitigongdexiaoxingfengzhuang。turanjian，shuzigeliqibiandefeichangyouxiyinli。xuyaojiejuedewentishirongcuo。

在IS到IS邊界的有限電壓和電流環境中，容錯可以通過幾種方式處理
，即保護I/O引(yin)腳(jiao)和(he)電(dian)源(yuan)，或(huo)者(zhe)設(she)計(ji)和(he)鑒(jian)定(ding)引(yin)腳(jiao)以(yi)消(xiao)耗(hao)足(zu)夠(gou)的(de)功(gong)率(lv)。外(wai)部(bu)保(bao)護(hu)選(xuan)項(xiang)占(zhan)用(yong)大(da)量(liang)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)，並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)比(bi)采(cai)用(yong)小(xiao)型(xing)封(feng)裝(zhuang)占(zhan)用(yong)更(geng)多(duo)空(kong)間(jian)。另(ling)一(yi)種(zhong)選(xuan)擇(ze)是(shi)評(ping)估(gu)設(she)備(bei)在(zai)生(sheng)成(cheng)實(shi)體(ti)參(can)數(shu)的(de)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)行(xing)為(wei)。實(shi)體(ti)參(can)數(shu)是(shi)一(yi)組(zu)電(dian)壓(ya)、電流和功率限製
，可保證零件不會產生電弧
、破裂或使其絕緣失效。在這些條件下，器件可能會因耗散功率而經曆溫升。這與額定環境溫度相結合，將給出IS熱分析中使用的封裝溫度。

實際示例
，ADI公司ADuM144x四通道隔離器

ADI公司的ADuM144x係列i耦合器數字隔離器因其多項特性而引起IS係統設計人員的興趣。它可以消耗微安範圍內的功率，具有 2 Mbps 的高數據速率
，並在小型 QSOP 或 SSOP 封裝中具有 4 個數據通道，具有能夠承受絕緣的能力。爬電距離
、電氣間隙和瞬態規格（超過 6000 V?峰），這些數字隔離器對於IS環境來說綽綽有餘。該器件非常適合 1 Mbps SPI通信。器件規格使該器件對 IS 應用具有吸引力，因為通過 IEC60079-11 評估使其易於使用。

與所有數字隔離器一樣
，該係列器件的絕緣層不夠厚，無法實現IS到非IS隔離
，並且尚未評估實體參數。這意味著該器件可以與IS-to-ISpingzhangzhongdewaibubaohushebeiyiqishiyong。danshi，gaiqijiannenggouchengshouzugougaodegonghaoguzhang，tongguoshidangdeceshishiticanshu，keyishengchengyunxuqijianzaimeiyoubaohudeqingkuangxiashiyong，shiqichengweiIS到IS環境的理想選擇。

ADI公司與CSA/SIRA合作，為該係列器件生成ATEX和IECEx，使IS係統設計人員能夠輕鬆地將其納入其設計中。CSA/SIRA必(bi)須(xu)解(jie)釋(shi)現(xian)有(you)標(biao)準(zhun)中(zhong)適(shi)用(yong)於(yu)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)要(yao)求(qiu)。例(li)如(ru)
，這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)脈(mai)衝(chong)變(bian)壓(ya)器(qi)就(jiu)其(qi)絕(jue)緣(yuan)性(xing)能(neng)而(er)言(yan)更(geng)接(jie)近(jin)電(dian)容(rong)器(qi)。它(ta)們(men)存(cun)儲(chu)的(de)能(neng)量(liang)很(hen)少(shao)，因(yin)此(ci)將(jiang)變(bian)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji)規(gui)則(ze)應(ying)用(yong)於(yu)它(ta)們(men)沒(mei)有(you)意(yi)義(yi)。實(shi)體(ti)參(can)數(shu)測(ce)試(shi)程(cheng)序(xu)也(ye)必(bi)須(xu)從(cong)頭(tou)開(kai)始(shi)製(zhi)定(ding)。

實體參數和環境條件如表1和表2所(suo)示(shi)。指(zhi)定(ding)功(gong)耗(hao)是(shi)為(wei)了(le)保(bao)持(chi)絕(jue)緣(yuan)完(wan)整(zheng)性(xing)，而(er)不(bu)是(shi)超(chao)出(chu)安(an)全(quan)方(fang)麵(mian)的(de)部(bu)分(fen)功(gong)能(neng)。這(zhe)允(yun)許(xu)指(zhi)定(ding)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)耗(hao)並(bing)消(xiao)除(chu)外(wai)部(bu)組(zu)件(jian)。應(ying)該(gai)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)
，為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)絕(jue)緣(yuan)安(an)全(quan)
，必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)所(suo)有(you)實(shi)體(ti)參(can)數(shu)限(xian)製(zhi)
，因(yin)此(ci)總(zong)功(gong)率(lv)將(jiang)限(xian)製(zhi)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)/或電流。表2中zhong的de表biao麵mian溫wen度du反fan映ying了le表biao征zheng中zhong測ce得de的de表biao麵mian溫wen度du。封feng裝zhuang越yue大da，溫wen度du越yue低di。這zhe是shi款kuan獲huo得de爆bao炸zha性xing環huan境jing通tong用yong組zu件jian級ji的de數shu字zi隔ge離li器qi，因yin此ci符fu合he該gai標biao準zhun的de所suo有you製zhi造zao質zhi量liang要yao求qiu。

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