关于设备信号输入和输出方面的困难，实质安全(IS)设备规划师了然于胸。有些新技能具有诱人的特性，能够使规划变得更小、更简略、功耗更低、速度更快或许四者兼而有之，可是由于IS安全规范的要求，咱们底子不知道能否以及怎么运用它们。
简介
假如你并不了解实质安全(IS)，相关术语和概念或许使你手足无措。实质安全似乎是一个独立的电子规划国际，需求一些时刻才干了解相关的术语和国际观(此处为双关义)。咱们先来回忆一下实质安全阻隔器组件背面的首要概念。实质安全便是关于易燃环境和粉尘的安全问题。首要概念是要从规划上保证不因能量发生火花，保证在能够想象的每一种毛病场景下，绝缘机制都能安然无恙。IEC 60079-11中规则的悉数测验和规划要求其实都是为了完成这两个方针。该规范完成安全的办法是对外表沿线的厚度、间隔等绝缘特色提出强制性规则。这是完成绝缘安全的常用办法，但所选安全裕度比IEC规范的典型做法要保存得多。
实质安全国际分为两个区域：粉尘和气体构成风险条件的实质安全区，国际其余部分(即非实质安全区)。在实质安全区内，能量受限，作业电压规模为24 V至60 V;电流也受到约束，处于安全特低电压(SELV)规模。在该环境中，组件有必要能耗费体系可为其供给的最大能量且不发生火花或焚烧。能够经过几种办法完成这一方针。一种办法是制作健壮经用的组件，使其能耗费很多能量而不发热。另一种办法用分立元件保护输入和输出，这些分立元件会把能量约束在器材能接受的规模以内。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。假如你考虑规划一个组件不多的现代体系，成果或许是每个有源元件周围都有很多的无源元件。你我地点的非实质安全区的线路电压在100 V至250 V之间，而且或许有无限的电流。要做到安全，阻隔器材就有必要能接受线路供电毛病，而且不能使其绝缘机制失效或许导致会影响到实质安全区的电弧火花或焚烧。这意味着要选用超级鲁棒而且能敷衍高能量毛病的接口和保护器材。鲁棒的保护器材甚至会选用更多、更大的组件，占用更多的电路板空间。
我是不是说到过，实质安全规范委员会十分保存，不会很快选用新技能?用于在两个区之间完成逻辑层通讯的首选技能是令人尊敬的光耦合器。光耦合器制作商与实质安全规范保存的绝缘要求之间的联系一向都很严重。实质安全规范对绝缘体的质量着墨不多，只认可两类绝缘。第一类是能够掩盖相对牢靠的IC用塑封资料的铸模资料，以及受控程度低得多的灌注资料。第二类绝缘资料是能绝缘且为固体的悉数其他资料，包含从玻璃、聚合物薄膜到蜡纸的悉数资料。这些绝缘资料的功用及其运用的质量截然不同。规范选用保存办法，要求选用较厚的绝缘层。假如光耦合器在规划时选用的是规范中规则的最小厚度，就会很难制作出速度令人满意的组件。在规范演进的进程中，有关人士尽力下降绝缘要求，因此能够选用功用更好的光耦合器。新的实验计划呈现了，即光耦合器碳化实验，用于验证在施加非实质安全区存在的超高功率时，光耦合器不会决裂。成果喜忧参半，大都规划师和光耦合器公司对这种折衷计划并不满意。
图1.实质安全体系的阻隔布局
IEC60079-11的要求
IEC60079-11规范，“易爆环境”末节——第11部分：经过实质安全“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运用的体系提出了辅导定见。规范从四个方面规则了阻隔器的特性。
绝缘体周围及外表沿线的间隔、爬电间隔和电气空隙
封装的爬电间隔和电气空隙取决于要求的作业电压和装置等级(IEC60664绝缘和谐与染污等级2或3，因详细运用而异)。
容错
有必要能接受最高可用体系电压毛病，不形成焚烧、电弧，也不会使绝缘体失效。依据可用能量，这或许要求选用外部组件，也或许无此要求。这是高温环境下的绝缘完好性问题——对组件功用无要求。
额外瞬态电压
关于SELV类环境，能够从装置等级和体系电压计算出此项目标。在实质安全区内部，一般为500 V rms;假如是线路电压，则或许高达6000 VPEAK。此项特性触及的是绝缘体在高压条件下的完好性。对组件功用无要求。
绝缘间隔
绝缘和谐规范仅仅规则，不能牢靠地猜测绝缘体击穿和磨损，有必要经过实验计算。关于实质安全-非实质安全屏障，IEC60079-11规范宁可预留过多的安全裕量，挑选的绝缘间隔值满足大，简直任何绝缘都能做到安全。关于线路电压，这意味着需求选用1 mm至2 mm的绝缘体;关于受控环境，则要求选用0.2 mm的绝缘体。关于实质安全转实质安全接口，绝缘间隔要求不适用。
在实质安全运用中有必要穿过两个屏障，其一是实质安全转非实质安全屏障(线路电压存在于非实质安全一端)，其二是实质安全区内部的实质安全转实质安全屏障(用于阻隔体系中来自分布式电容或电源的能量)。电源一般处于SELV水平。规范对各类屏障端的阻隔器规则了不同的要求。
阻隔器特性
IEC60079-11的要求会对规划师在实质安全运用中运用阻隔器的才能发生什么样的影响?爬电间隔和电气空隙间隔要求以及额外瞬态电压与任何工业规范的要求类似。简直悉数的光耦合器和数字阻隔器都能到达这些要求。决议阻隔器是否适宜的是阻隔器的毛病条件接受才能以及表5或IEC60079-11规范附录F中要求的绝缘间隔。
光耦合器自创造至今已有大约50年。它们都是规范技能，实质安全规划师能够用它们取得进出实质安全区的逻辑电平信号。人们早就知道到，对光耦合器来说，绝缘和功耗要求太高了。例如，1 mm绝缘要求会使光信号发生衰减，成果导致高速光耦合器损失实用性。尽管能够制作低速光耦合器，但需求献身功用。
多年以来，跟着职业提出更多、更快的通讯需求，规范也几经改变。为了习惯光耦合器的需求，人们从两个方面进行了尽力。其一，针比照规范正文更洁净的装置环境(污染等级2)而拟定了附录F。这样就能够缩短爬电间隔和电气空隙。别的，绝缘间隔被降至0.2 mm，这样，大都光耦合器都能满意要求。其二，添加了特别实验一节，其间针对实质安全转非实质安全鸿沟毛病规则了光耦合器的相应特性，无需选用外部约束组件。这部分包含很多过载实验和所谓的碳化实验。不幸的是，这些实验十分严厉，很少有光耦合器能到达规范这部分的要求。
现在，规范针对光耦合器进行了充沛批改，现已能用光耦合器制作出卓有成效的接口了。但是，在实质安全运用中，光耦合器在悉数工业运用中存在的缺乏都成了问题。这些缺乏包含光耦合器尺度大、速度慢、功耗高、难以与其他功用的集成，或满意不同通道方向，而且其参数也会随时刻而改变。
代替技能是数字阻隔器，该器材能够处理光耦合器存在的简直悉数功用问题。数字阻隔器具有功耗超低、封装超小、同一封装多个通道方向、速度高得多、可轻松集成接口功用、功用安稳等特色。这些特性极大地提高了其对实质安全设备规划师的吸引力。但是，为了完成这些特性，他们选用的是厚度规模为10 μm至40 μm的薄膜绝缘计划。咱们前面说到，表5规则的绝缘厚度约为1 mm，附录F规则的绝缘厚度约为0.2 mm，数字阻隔器的绝缘体远远低于这些要求。这时，大都规划师会重重地叹口气，再次开端阅读光耦合器目录。
不要这么快下定论!如前所述，绝缘体周围及外表沿线的间隔、爬电间隔和电气空隙并不适用于实质安全区或实质安全阻隔，所以能够在该鸿沟运用数字阻隔器。在实质安全转实质安全运用中，电压一般被约束在SELV电压限值以下，一起还要约束功率。所以，瞬态阻隔电压一般为500 VPEAK，爬电间隔和电气空隙只要0.5 mm至4 mm，详细取决于选用的是哪张表。这意味着，在这些接口中，能够运用数字阻隔器的小封装特性。突然之间，数字阻隔器变得极富魅力。剩余要处理的仅有问题是容错问题。
在实质安全转实质安全鸿沟的限压和限流环境中，能够经过数种办法处理容错问题，比方保护I/O引脚和电源，或许从规划和质量上保证引脚能耗费满足的能量。外置保护计划会占用较大的电路板空间，其占用的空间或许比选用小型封装节约的空间还要大。另一个计划是评价器材在毛病条件下的行为，并根据此生成实体参数。实体参数是针对电压、电流和功率的一组限值，其作用是保证器材不会发生电弧、开裂或使其绝缘体失效。在这些条件下，器材或许会因耗费能量而阅历升温进程。加上最大额外环境温度，成果能够得到用在实质安全散热剖析中的最大封装温度。
实例，ADI ADuM144x四通道阻隔器
ADI ADuM144x系列iCoupler® 数字阻隔器具有多种特性，是体系规划师的不错挑选。其功耗处于微安等级，数据速率高达2 Mbps，有4个数据通道，选用小型QSOP或SSOP封装，绝缘功用超卓。这些数字阻隔器的爬电间隔、电气空隙和瞬态电压(超越6000 VPEAK)等规范高于实质安全环境的要求。该器材十分合适1 Mbps SPI通讯。这款器材优异的技能规范使其成为实质安全运用的杰出挑选，而且其经评价契合IEC60079-11规范，因此具有杰出的易用性。
就如悉数数字阻隔器相同，该系列器材绝缘体的厚度未到达实质安全转非实质安全的阻隔要求，其实体参数也未经评价。这意味着该器材能够用在实质安全转实质安全屏障中，与外置保护装置相配合。但是，该器材能接受或许的超高功耗毛病，加上恰当的实验实体参数，能够在不带保护措施的条件下运用——这使其成为实质安全转实质安全环境的抱负挑选。
ADI公司与CSA/SIRA合作为该系列器材生成ATEX和IECEx认证，这样，实质安全体系规划师就能够轻松地将其集成到他们的规划傍边。CSA/SIRA需求解读适用于数字阻隔器的现有规范要求。例如，这些器材中运用的脉冲变压器在绝缘特性方面更挨近电容。它们只存储很少的能量，所以在它们上面运用变压器规划规则是没有意义的。实体参数的实验程序也需求从头开端规划。
实体参数和环境条件如表1和表2所示。额外功耗旨在保持绝缘完好性而非超出安全规模时的器材功用。这样就能够指定更高的功耗，还能消除外部组件的必要性。需求留意的是，有必要契合悉数实体参数限值，以保证绝缘安全，所以，在实践运用中，总功率会约束电压和/或电流。表2中的最高外表温度反映的是特性测定中观察到的最高外表温度。封装越大，温度越低。这是经过易爆环境通用组件等级认证的首款数字阻隔器，由于，它契合规范中有关制作质量的悉数要求。
表1.ADuM144x实体参数
表2.ADuM144x散热特性
未来的发展趋势是什么?
在某些情况下，限制数字阻隔器的用处是不错的挑选，但实践标明，把过于保存的非特定绝缘厚度要求用于悉数类型的阻隔器会导致用处受限或许功用受限于结构。实质安全相关集体早就知道到了这一点，而且现已从规范层面着手处理这个问题。有人正在研讨一种新的实质安全阻隔器计划，而且预备归入下一次修订版规范傍边;修订后的规范会对光阻隔器和数字阻隔器天公地道，并在最新版规范中为绝缘要求供给代替计划。一起还将优先用于防止运用外置保护装置的容错实验。在实质安全运用范畴，高功用数字阻隔器的运用会大幅添加。
作者简介
Mark Cantrell是ADI公司iCoupler® 数字阻隔器部的运用工程师，也是IEC60079-11保护团队成员。他的专业范畴是iCoupler数字阻隔产品，包含isoPower® 阻隔电源器材和I2C、USB阻隔器等通讯总线器材。他还担任悉数iCoupler数字阻隔器产品的组织安全认证。Mark结业于美国印第安纳大学，取得物理学硕士学位。联系办法：mark.cantrell@analog.com。
