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电子设备安全设计的十个注意事项有哪些?

助工
2018-07-17 11:45:22    评分
本文将介绍如何在需要更高安全性的情况下构建电子设备。

介绍

在设计本质安全产品时需要考虑很多事情。易燃气体或蒸气; 如果环境中存在火花或过热的来源,空气中的灰尘,纤维和锉屑可能会造成爆炸危险。多年来,这些危害导致了财产甚至生命的灾难性损失。

更令人生畏的是,几乎所有与能源或基础材料生产相关的行业都有潜在的危险场所,包括能源生产(如石油/天然气生产/精炼,储存/运输,采矿等),材料加工(半导体制造,储罐)农场,化学品制造等),食品生产(谷物碾磨,烘焙,酿造,蒸馏等),以及许多其他(药品或化妆品制造;天然气,石油,污水等泵站)。

为了减轻这种潜在危险,来自世界各地的监管机构致力于建立和完善本质安全(IS)标准,旨在最大限度地降低潜在危险工作环境中爆炸的风险。经过IS认证的设备或产品的设计使其无法产生足够的热量或火花能量来触发爆炸。

 

必须为危险环境中的本质安全(IS)设计各种产品。UL-913是IS需要注意的一个标准。

 

本文涉及十种建议,设计用于上述潜在危险工作场所的新型电动产品的电路。以下是在这些产品的初始规划阶段需要考虑的十件事。


1.应仔细选择电池

电池可以消耗大量能量,特别是那些基于高密度锂离子电池技术的电池。选择用于本质安全设备的电池或电池时,请注意确保电池和电池足够坚固以承受预期的环境条件,并确保在严重短路时可能发生的电解质泄漏量最小化或最小化电路条件。


2.注意多种电源

很容易忽略使用一个或多个设施连接到其他设备的含义。大多数情况下,低压通信端口的电路没有得到适当的关注,因为设计人员如此专注于在这些端口上传输和接收数据。但是,这些端口中的每一个都有可能连接到未设计或评估本质安全保护的设备。这可能导致在本质安全装置内可获得过量的故障能量和/或功率的情况。即使这些端口仅设计用于连接到相关设备或根据“实体概念”评估的固有设备,也要注意确保整个系统保持本质安全保护。


3.需慎重考虑电气额定值

许多半导体元件(例如,齐纳二极管)的数据表将指定元件的绝对最大功耗额定值。但是,该额定值通常基于非常具体的温度和安装条件。通常,组件数据表中给定的额定值不能充分反映组件在最终用途应用中的暴露条件。始终花时间了解和评估最终用途应用对元件额定功率,热升高特性等的影响。当使用半导体元件作为分流电压限制器时,这一点至关重要。


4.计算功率耗散元件的热升高特性

必须评估故障条件下组件的最高表面温度,以确定本质安全设备的适当温度等级。要分析确定这些组件的最高表面温度,您需要有关组件温升特性的信息。特别是,当在指定的环境温度下耗散给定量的功率时,需要元件的壳体到环境热阻来计算元件的最大壳体温度。不幸的是,大多数组件数据表都没有指定此值; 相反,它们指定了结到环境的热阻。在没有这些信息的情况下,可以进行测试以通过实验确定所需的值。


5.电压增强电路

虽然开关稳压器,电荷泵和其他电压调节和增强电路可用于设计有效的电源,但如果没有提供足够的电压限制,相同的电路会带来挑战。如果没有用电压限制器充分保护,那么在这些IC的输出端存在的增强电压电平可能会出现故障,传播到与同一IC相连的其他电路。这可能导致电路分离问题(基于峰值可用故障电压)和其他电路的火花点火评估。


 6.能量储存组件

虽然电感器,铁氧体磁珠和电容器等储能元件可用作滤波元件,但它们对符合火花点火要求提出了挑战。必须限制可用的和存储在电感,电容和组合LC电路中的能量,使得没有足够的能量来引起爆炸性环境的点燃。当与应用于电路中的可用故障电压和/或电流的安全因素相结合时,电感和电容限制可能非常具有挑战性。为了帮助缓解这些挑战,可以使用封装来保护电路免受火花点火。

本插图详细介绍了封装式保险丝(在本例中为Littelfuse PICO 259-UL913)如何限制暴露在爆炸性环境中的能量和温度输出。

 

 

7.独立电路的可用功率

虽然本质安全保护的主要目标之一是限制设备的可用功率,但满足相同产品的行业需求可能非常具有挑战性。由于需要以更小的封装提供更强大的电子器件,因此电路的功能需求需要与安全需求相平衡。通常,将总可用功率分配到本质安全设备内的各种“独立电路”的策略用于提供驱动需要功率的电路的那些部分所需的最大功率量而不损害安全性。


8.保持环境因素的分离距离 

保持本质安全的最重要的关键之一,特别是在考虑故障的应用时,提供并保持单独电路之间所需的间隔距离。当涉及间隔距离时,对本质安全设备的要求必须考虑到可以安装这些设备的环境。这些环境可能含有大量污染物,这些污染物会影响电路导电部分之间的绝缘。必须在足够的空间内进行设计,以保持保持本质安全保护所必需的电路分离。


9.应降低保护性成分

被选为安全关键或“绝对可靠”的组件必须满足一定的结构要求; 但是,它们的额定值也必须使它们不会受到可能对它们提供的可靠性有害的应力。本质安全标准要求在正常运行条件和故障条件(通常称为“三分之二降额”)下,绝对可靠组件的使用不超过其额定电压,电流和功率的三分之二。这通常需要选择为应用程序高估的组件但不要高估它们无法提供所需的保护。


10.应谨慎选择保护性组件

本质安全的基本原理,其中电路被设计为限制用于防止火花点火的能量的量并且限制用于防止热点火的功率的量,在很大程度上取决于可靠的操作和保护或“绝对”的“失效”。组件。因为当在电路内经受正常操作和故障条件时,依赖这些组件以明确定义的方式起作用,所以必须明智地选择这些组件。尽管本质安全标准不一定强制使用特定组件,但是对于一些广泛使用的具有众所周知的操作和故障特征的组件存在要求。保险丝,限流电阻,

结论

回顾一下,通过限制电火花源和高表面温度来防止电气设备成为点火源,以及在考虑设计和开发新设备或产品时,关键是保持所需的间隔距离。危险工作场所 另外,需要明智地选择保护部件,因为整体依赖于部件。本质安全标准提高了最终产品的整体安全性,从而提高了危险操作环境中的生命和财产保护水平。




关键词: 半导体     电子设备     安全设计    

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