浪涌抑制器IC简化了危险环境中电子设备的本质安全势垒设计

作者：凌力尔特公司  混合信号产品  产品市场经理  Alison Steer
Hach公司  电子工程师  Murphy Pickard

引言
随着电子仪器应用的激增，越来越多的应用要求设备足够安全，以在危险环境中运行。化工厂、提炼厂、油/气井、煤炭和纺织作业区都是采用电子仪表的潜在爆炸环境实例。为了在这类环境中安全运行，仪器必须是防爆炸的。

向这些市场供应仪器的公司必须将保护功能集成到设计中。考虑可获得的安全措施并以最低成本和对正常电路运行影响最小的方式实施这些措施，这成为了电子设计师的责任。从设计角度来看，这是一个令人望而却步的任务，此外，为了满足全球或国内市场需求而必须符合的危险环境标准数量之多，使这个任务甚至更难以完成。尽管各种不同的标准正在缓慢地趋于一致，但是在有些情况下，它们仍然自己或相互矛盾。

本文探讨安全标准的根本要求以及满足这些要求的方法。尤其是，凌力尔特公司的 LT4356 系列过压/过流保护器件提供了一种高效率和简练建立电子仪器保护势垒的方法。为了充分理解这些要求和解决方案，必须适度了解标准本身以及执行这些标准的机构。

危险环境的本质安全和分类
简单地说，在危险环境中，设计师的任务是防止火源遇到易爆空气。实现这一目标有几种方法，本文重点探讨称为本质安全 (IS) 设计的设计准则。图1示出了点火三角形，由图可见，发生爆炸必须同时具备三个条件，即燃料、氧化剂和点火源。一些方法简单地防止存在的火源接触易爆空气，而本质安全设计实际上消除了火源。主要保护方法在表 1 中列出。

 图 1：点火三角形

表1：已确立的保护方法

 
隔离方法适用于很多应用，但是需要特殊的密封方法和密封材料，因此常常要建立一个永久性势垒，从而不可能进行修理或维护。而结构化方法是机械方法，也需要特殊材料。

只有本质安全方法允许采用通常的仪器制造方法和材料，而且不需要异乎寻常的结构或包装。此外，本质安全电路可以在电源存在时提供服务，而且这种方法获得认证证书的费用是最低的。此外，只有经过本质安全认证的设备才允许在 ATEX Zone 0区域使用 (Directive 94/9/EC ATEX "Atmosphères Explosibles")。这是符合事实的，因为这种仪器设计确保不存在足以成为火源的电 (火花) 或热能。确切地说，一个本质安全的电路是：在这种电路中，在最重要的标准 (IEC 60079-2006) 明确规定的条件 (包括正常工作和规定故障条件) 下产生的任何火花或热效应都不能在给定爆燃性气体环境中引起点火。

有几个机构对标准的遵守情况进行监督，并向制造商发放认证证书。在北美，FM、UL 和 CAS 管理 IEC-79 系列标准认证，而欧盟的 ATEX 标准兼容主要由 DEMKO 认证。所需的保护级别取决于仪器将在其中运行的环境。国际标准和实践准则 (International Standards and Codes of Practice) 按照爆炸风险对环境分类。所存在气体/蒸气/灰尘的类型和不稳定性以及其存在的可能性决定这类风险。视管辖范围的不同而不同，该分类系统由 Class/Division (北美) 或 Zone (欧盟) 表示。这些系统一般是兼容的，为本文起见，我们着重讨论 Class/Division 系统，因为很多国家采用 IEC79 系列标准，在所有现存标准中，这一系列标准得到了最充分的使用，而且一致性最高。

当电气设备和易燃材料同时存在时，必须对设备和爆燃性空气进行分类。所提供的保护等级必须完全符合或高于相关标准针对此类使用环境所要求的级别。环境或"工厂"根据类型 (Class 和 Group) 以及爆燃性空气的存在概率 (Division) 来分类。设备则根据暴露于危险空气中设备的任何元件的最大表面温度 (温度代码)、以及它在发火花过程中所能产生或释放的最大能量值 (仪器组) 来分类。需要了解的是：在表面温度和引燃某种特定气体所需的火花点火能量之间并没有关系，这一点很重要。表 2 总结了这些限制。

表2：危险环境分类系统

电子设计在本质安全中的作用
一个本质安全的电路在 IEC79-11 标准中定义如下：
本质安全的电路是这样一个电路："在这个国际标准规定的条件下，包括正常运行和规定的故障条件，这个电路中产生的任何火花或热效应都不会在给定的爆燃性气体环境中引起点火。"

因此，一个电路必须含有安全组件，该安全组件能够防止火花或足够的热能以在故障条件下引起爆炸。在设计中纳入这些保护性组件，同时仍然保持正确的电路运行，这是电路设计师的责任。这是非常不容易完成的任务。

为在危险环境中使用而设计的任何设备都可以分为简单或非简单类。无需仔细研究细节，如果一个仪器只含有无源组件，不产生或不存储显著高于 1.5V、100mA 和 25mW 的高能量，这个简单仪器就不需要机构认证。简单仪器的例子包括含有电阻器、二极管、LED、光电管、热电耦、开关、接线盒以及类似组件的设备。显然地，我们不详细讨论这类设备。