数字隔离器可用于本质安全应用

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selina 发布于:周五, 02/23/2018 - 18:24 ,关键词:

本质安全(IS)设备的设计人员知道获取信号进出设备的挑战。新技术具有诱人的特性,可使设计更小,更简单,功耗更低,速度更快或全部四种,但由于IS安全标准的要求,是否或如何使用它们尚不清楚。

介绍

如果您对本质安全(IS)世界不熟悉,您可能会对术语和概念感到有点不知所措。它往往是一个与电子设计其余部分不同的世界,需要一段时间才能达成术语和世界观(双关语)。我们来回顾IS隔离器组件背后的主要概念。这完全是关于易燃环境和灰尘的安全。主要的概念是设计不能够利用可用的能量产生火花或火焰,从而在每一种可能的故障情况下,绝缘都将保持完好。IEC 60079-11中规定的所有测试和设计准则都是为了实现这两个目标。该标准通过强制绝缘属性(如沿表面的厚度或距离)接近安全方面。

本质安全世界分为两个区域:粉尘和天然气创造危险条件的本质安全区域和世界其他地区(非IS区域)。在IS区内,能量有限,并且电压倾向于在24 V至60 V的范围内以有限电流和安全特低电压(SELV)范围运行。在这种环境下,组件必须能够消除系统可以提供的最大功率而不会产生火花或燃烧。这可以通过几种方法来实现。一种是构建坚固的组件,可以在不加热的情况下消耗大量电力。另一种是使用分立元件来保护输入和输出,这会将功率限制在该元件可以承受的范围内。通常情况下,限制元件包括一个限制电压的齐纳二极管和一个限制电流的保险丝或电阻器。如果你考虑一个现代系统,即使只有少量的组件,它也可能开始成为围绕每个活动组件的大量无源组件。您和我生活的非IS区域的线路电压范围为100 V至250 V,可能有无限电流。为了保证安全,隔离装置必须能够承受故障,不会导致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活力的故障。强大的保护使用更多更大的元件和电路板空间。这可以开始成为围绕每个活动组件的大量无源组件。您和我生活的非IS区域的线路电压范围为100 V至250 V,可能有无限电流。为了保证安全,隔离装置必须能够承受故障,不会导致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活力的故障。强大的保护使用更多更大的元件和电路板空间。这可以开始成为围绕每个活动组件的大量无源组件。您和我生活的非IS区域的线路电压范围为100 V至250 V,可能有无限电流。为了保证安全,隔离装置必须能够承受故障,不会导致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活力的故障。强大的保护使用更多更大的元件和电路板空间。隔离装置必须能够承受故障的电源,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活力的故障。强大的保护使用更多更大的元件和电路板空间。隔离装置必须能够承受故障的电源,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活力的故障。强大的保护使用更多更大的元件和电路板空间。

我有没有提到IS标准委员会非常保守,不会很快采用新技术?在区域之间进行逻辑电平通信的技术是古老的光耦合器。光耦合器制造商与IS标准的保守绝缘要求之间存在紧张的关系。IS标准对于绝缘材料的质量并没有多少假设,它只能识别两种类型的绝缘材料。第一种是可以覆盖IC的相对可靠的模具化合物的浇铸混合物,以及控制得更少的浇注材料。第二种绝缘材料是其他所有坚固绝缘的材料,包括从玻璃和聚合物薄膜到蜡纸的所有材料。这些绝缘材料的功能和其应用的质量可能差异很大。该标准采取保守的做法,并要求厚厚的绝缘层。当光耦合器设计为标准规定的最小厚度时,很难制作出能够以任何速度工作的组件。标准的发展为减少绝缘要求做出了努力,使得使用更好的光耦合器成为可能。光耦合器碳化测试创建了新的测试,以验证在非IS区域中可用的高功率时,光耦合器不会破裂。最好的结果是混合的,大多数设计师和光电耦合器公司对妥协感到不满意。该标准采取保守的做法,并要求厚厚的绝缘层。当光耦合器设计为标准规定的最小厚度时,很难制作出能够以任何速度工作的组件。标准的发展为减少绝缘要求做出了努力,使得使用更好的光耦合器成为可能。光耦合器碳化测试创建了新的测试,以验证在非IS区域中可用的高功率时,光耦合器不会破裂。最好的结果是混合的,大多数设计师和光电耦合器公司对妥协感到不满意。该标准采取保守的方法,并要求厚厚的绝缘层。当光耦合器的设计符合标准规定的最小厚度时,很难制作出能够以任何速度工作的组件。标准的发展为减少绝缘要求做出了努力,使得使用更好的光耦合器成为可能。光耦合器碳化测试创建了新的测试,以验证在非IS区域中可用的高功率时,光耦合器不会破裂。最好的结果是混合的,大多数设计师和光电耦合器公司对妥协感到不满意。制作能够以任何速度运行的组件变得困难。标准的发展为减少绝缘要求做出了努力,使得使用更好的光耦合器成为可能。光耦合器碳化测试创建了新的测试,以验证在非IS区域中可用的高功率时,光耦合器不会破裂。最好的结果是混合的,大多数设计师和光电耦合器公司对妥协感到不满意。制作能够以任何速度运行的组件变得困难。标准的发展为减少绝缘要求做出了努力,使得使用更好的光耦合器成为可能。光耦合器碳化测试创建了新的测试,以验证在非IS区域中可用的高功率时,光耦合器不会破裂。最好的结果是混合的,大多数设计师和光电耦合器公司对妥协感到不满意。以验证在非IS区域中可用的高功率应用时,光耦合器不会破裂。最好的结果是混合的,大多数设计师和光电耦合器公司对妥协感到不满意。以验证在非IS区域中可用的高功率应用时,光耦合器不会破裂。最好的结果是混合的,大多数设计师和光电耦合器公司对妥协感到不满意。

图1.本质安全系统的隔离布局。

IEC60079-11的要求

IEC60079-11标准,爆炸性环境部分 - 第11部分:本质安全设备保护“I”第6版 - 包含使系统在诸如化工厂或易燃粉尘区域等爆炸性环境中安全使用的准则。该标准以四种方式表征隔离器设备。

绝缘周围的距离和沿地表的距离,漏电和间隙

根据应用要求,根据IEC60664绝缘配合和污染等级2或3,封装的爬电和间隙取决于所需的工作电压和安装等级。

容错

必须允许有最高可用系统电压的故障,而不发生燃烧,飞弧或绝缘失效。这可能需要外部组件,或不依赖于可用能量。这是关于高温环境下的绝缘完整性 - 它不需要组件功能。

瞬态评级

这将来自SELV型环境的安装等级和系统电压。在IS边界内部,这通常为500 V rms,线路电压可能高达6000 V PEAK。这种表征是关于高压应力下的绝缘完整性。它不需要组件功能。

通过绝缘的距离

绝缘配合标准简单地表明绝缘穿透和磨损不能可靠地预测,并且必须通过实验得出。对于IS-非本质安全栅,IEC60079-11标准选择了安全性方面的错误,并且通过绝缘体的距离选择值足够大,几乎所有的绝缘材料都是安全的。对于线路电压,这意味着需要1 mm到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,通过绝缘要求的距离不适用。

在IS应用中必须穿越两个障碍,即非IS侧存在线电压的IS至非本质障碍,以及本征安全区内部的IS至IS障碍,用于从分布式电容或电源中分离系统内的能量。功率通常在SELV级别。该标准对隔离器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类似。几乎所有的光耦合器和数字隔离器都可以符合这些要求。决定隔离器适用性的因素是它能够承受IEC60079-11标准的表5或附录F所要求的故障条件和绝缘距离。

光耦合器已经存在了大约50年。它们是IS设计可用于将逻辑电平信号输入和输出IS区域的标准技术。早在意识到光电耦合器的绝缘和功率耗散要求是繁重的。例如,1毫米的绝缘要求会使光线衰减很多,以至于高速光耦合器不实用。可以制造低速光耦合器,但其性能受损。

随着行业需要更多更快的通信,这个标准多年来发生了变化。为了适应光电耦合器做了两个努力。第一个是附录F,该标准的制定是为了比标准主体假定的更清洁的安装环境(污染等级2)。这使漏电和间隙缩短。此外,通过绝缘距离降低到0.2毫米,这使得大多数光电耦合器可以满足要求。其次,增加了一个特殊的测试部分来表征光电耦合器的IS至非IS边界的故障,而无需外部限制元件。本节包含了大量的过载测试和一些称为碳化测试的内容。不幸的是,这套测试非常严格,以至于很少有光耦合器能够符合这部分标准。

该标准现在已经适应了光耦合器,足以使用它们来制作可用的接口。然而,光耦合器在所有工业应用中都具有的缺点在IS应用中是个问题。也就是说,现在光耦合器现在变得庞大,速度慢,耗电量大,其集成其他功能甚至通道混合方向的能力有限,而且它们的参数随着时间而漂移。


替代技术是数字隔离器,它可以解决几乎所有光耦合器的功能问题。数字隔离器可以使用超低功耗,非常小的封装,封装中的多通道方向,速度提高一个数量级,易于集成接口功能以及随着时间的推移稳定的性能。这些特性使它们对IS设备的设计者非常有吸引力。但是,为了实现这些功能,他们使用的薄膜绝缘材料厚度范围为10μm到40μm。回顾表5的约1mm或附件F的0.2mm的绝缘要求,数字隔离器的绝缘要比这些要求薄得多。在这一点上,大多数设计师叹了一口气,开始翻转光耦合器目录。

没那么快!你会记得,绝缘层和沿表面的距离,漏电和间隙不适用于IS或IS隔离,所以数字隔离器可以用在这个边界。在IS-to-IS应用中,电压通常限制在SELV电压极限以下,并且功率也受到限制,因此瞬态隔离通常为500 VPEAK,而漏电和间隙仅为0.5 mm至4 mm,具体取决于所用表格。这意味着在这些接口中,可以使用数字隔离器提供的小型封装。数字隔离器突然变得非常有吸引力。要解决的唯一问题是容错。

在IS-to-IS边界的有限电压和电流环境中,通过保护I / O引脚和电源,或通过设计和限定引脚消耗足够的功率,可以通过几种方式处理容错问题。外部保护选项消耗大量的电路板空间,可能需要比通过小型封装获得的更多空间。另一种选择是评估设备在故障条件下的行为,从哪个实体参数生成。实体参数是一组限制电压,电流和功率的限制,可保证零件不会产生电弧,破裂或使其绝缘无效。在这些条件下,该部件可能会经历耗散功率的温度升高。这与最大额定环境温度相结合,

实例,ADI公司ADuM144x四路隔离器

ADI公司的ADuM144x系列我耦合器®数字隔离器是令人感兴趣的IS系统设计者为它的几个属性。它可以消耗微安范围内的功率,具有2 Mbps的高数据速率,并且具有4个数据通道,采用小型QSOP或SSOP封装,绝缘能够承受。这些数字隔离器的漏电,间隙和瞬态规格(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。零件规格使该零件对IS应用程序具有吸引力,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,这一系列设备对于非隔离IS的隔离度不够厚,并且尚未针对实体参数进行评估。这意味着该器件可用于IS-to-IS屏障中的外部保护设备。但是,该器件能够承受足够高的功率损耗,并且可以生成适当的测试实体参数,从而可以在不进行保护的情况下使用器件 - 因此非常适合IS-to-IS环境。

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设计。CSA / SIRA必须解释现有标准适用于数字隔离器的要求。例如,这些器件中使用的脉冲变压器就其绝缘性能而言更接近电容器。它们储存的能量非常少,因此将变压器设计规则应用于它们是没有意义的。测试实体参数的过程也必须从头开始。

实体参数和环境条件如表1和表2所示。功耗规定为保持绝缘完整性,而不是安全方面的部分功能。这允许指定更高的功耗并消除外部组件。应该注意的是,为了保证绝缘安全,必须满足所有实体参数限制,因此在实际应用中总功率将限制电压和/或电流。表2中的最大表面温度反映了表征中所观察到的最大表面温度。较大的封装具有较低的温度。这是第一款在爆炸性环境中使用通用组件级认证的数字隔离器,因此它符合标准的所有制造质量要求。

表1. ADuM144x实体参数

表2. ADuM144x热特性

未来该何去何从?

在某些情况下,使用有限的数字隔离器非常有用,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社区早已认识到这一点,并且正在解决标准层面的问题。目前正在研究一种新的IS隔离器方法,将其纳入下一版标准中,该标准将统一处理隔离器和数字隔离器,并提供当前版本标准中通过绝缘要求的替代方案。为避免使用外部保护设备而进行的容错测试也正在精简。

作者:马克 - 坎特雷尔

Mark Cantrell是ADI公司的iCoupler®数字隔离器组的员工应用工程师,他是IEC60079-11维护团队的成员。他的专业领域是iCoupler数字隔离产品,包括isoPower®隔离电源设备和通信总线设备,如I2C和USB隔离器。他还负责所有iCoupler数字隔离器产品的代理安全认证。马克从印第安纳大学获得物理学硕士学位。

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