【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ISgeliqizujianbeihoudezhuyaogainian。zheyiqiedouyuyiranqifenhehuichenzhouweideanquanyouguan。zhuyaogainianshi，shejibunengliyongkeyongdenengliangchanshenghuohuahuohuoyan，yibianzaimeigekenengdeguzhangqingkuangxia
，jueyuanjiangbaochibubian。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） fanweineiyunxing。zaizhezhonghuanjingzhong
，zujianbixunenggouhaosanxitongkeyitigongdegonglv，erbuhuichanshenghuohuahuoranshao。zhekeyitongguojizhongfangshishixian。yizhongshizhizaojiangunaiyongdezujian
，zhexiezujiankeyizaibujiaredeqingkuangxiaxiaohaodalianggonglv。lingyizhongshishiyongfenliyuanjianbaohushuruheshuchu，zhejianggonglvxianzhizaiqijiankeyirongrendefanweinei。tongchang，xianfuyuanjianyouyigeyongyuxianzhidianyadeqinaerjiguanheyigeyongyuxianzhidianliudebaoxiansihuodianzuzucheng。ruguoninkaolvyigejuyoushaoliangzujiandexiandaixitong，nametakenenghuikaishichengweiweiraomeigeyouyuanzujiandedaliangwuyuanzujian。nihewojuzhudefeiIS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feiIS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ISyingyongzhongshiyonggeliqidenengli？suoxudepadianjulihejianxijuliyijishuntaiedingzhiyurenhegongyebiaozhundeyaoqiuxiangsi。jihusuoyoudeguangouheqiheshuzigeliqidoukeyimanzuzhexieyaoqiu。juedinggeliqishiyongxingdeshiqichengshouguzhangtiaojiandenengliyijiIEC60079-11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，具ju體ti取qu決jue於yu所suo使shi用yong的de工gong作zuo台tai。這zhe意yi味wei著zhe在zai這zhe些xie接jie口kou中zhong，可ke以yi利li用yong數shu字zi隔ge離li器qi提ti供gong的de小xiao型xing封feng裝zhuang。突tu然ran間jian，數shu字zi隔ge離li器qi變bian得de非fei常chang有you吸xi引yin力li。需xu要yao解jie決jue的de問wen題ti是shi容rong錯cuo。

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-IS屏ping障zhang中zhong的de外wai部bu保bao護hu設she備bei一yi起qi使shi用yong。但dan是shi，該gai器qi件jian能neng夠gou承cheng受shou足zu夠gou高gao的de功gong耗hao故gu障zhang，通tong過guo適shi當dang的de測ce試shi實shi體ti參can數shu，可ke以yi生sheng成cheng允yun許xu器qi件jian在zai沒mei有you保bao護hu的de情qing況kuang下xia使shi用yong，使shi其qi成cheng為weiIS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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