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IEC60079-11使用了较长的篇幅来说明设计中需要考虑到的各种间距 这也从一定程度上说明了间距比较重要在设计中是需要认真考虑。
从直觉上来讲间距越大电路越安全因为间距比较大不容易产生电弧。同时间距比较大也易于散热从温度角度来说设备也比较安全。但是间距越大集成度低设备体积肯定越大。所以如何保证在设备小型化的同时保证设备的安全性就是标准要解决的问题。
1间距的各种英文定义
在标准中使用了SeparationdistancesClearance以及词组Separation distances Clearance distances等来表述不同的间距。以下是本人的一个理解
(1), Separation, distances以及Separation distances都是同一个意思是对各种间距的统称例如6.3节的标题就是Separation distances。这个统称指的是两个点之间的距离可以是直线距离也可以是曲线距离。
2Clearance和Clearance distance是同一个意思指的是两点之间通过空气路径测量到的距离一般翻译为电气间隙。电气间隙是使用橡皮筋在两个点之间连接从而测量到的距离。如果中间没有障碍物那么它是直线如果有障碍物它就是一根曲线。
3Creepage distance 指的是爬电距离是沿着物体表面测量到的距离。可以理解为从一个点到另外一个点蚂蚁能够爬行的最短距离。
4Separation distance through casting compound 指的是浇铸物里的电气间隙Separation distance through solid insulation指的是固体绝缘物里的电气间隙而Distance under coating指的是涂层里的电气间隙(中文标准里翻译为涂层下的爬电距离应该是笔误英文标准里并没有爬电的意思)。
以上三种都是在不同介质里的电气间隙。如果有一种可以在固体里面使用的橡皮筋那么上述三种间隙距离都是在不同物质里使用橡皮筋测试的两点距离。
2定义各种间距的目的
我们知道因为本安设备的特性决定了它内部的任何一个点都可能会产生电火花或者温度过高从而引起爆炸。所以本安设备的任何一个部分都要求测试它的电火花强度和温度。对于温度任何外壳表面连接线表面印制板走线表面任何元器件的表面都需要测试到。对于点火花那么任何两个焊盘之间任何两根走线之间任何走线和地或者大地之间电路和外壳之间等等都需要测试到。把所有的点测试一遍在实际中是往往是不可行的。所以为了认证和测试的过程更加高效需要采用一些办法来排除一些特定的情况。而定义间距的目的就是排除测试的点数。
Separation distances that comply with the values of Table 5 or Annex F under the conditions of 6.1.2.2, 6.1.2.3 or 6.1.3 shall not be subject to a fault.
如标准中所言当设备满足表格5或者附录F中关于各个间隙的定义那么这些间距就不能认定为fault。换句话说通过理论计算认定这些间隙距离都是本质安全的不再需要一个点一个点的测试。
3间距的种类
标准中定义了3种距离
1本质安全电路和非本质安全电路之间的距离
2不同本质安全电路之间的距离
3一个电路可以是本安电路也可以是非本安电路和大地或者隔离金属器件之间的距离。
标准中使用图2来说明哪些距离是本质安全需要关心的如下图 上图中使用两根黑色虚线将图形分为3个部分左边标记为③的非本质安全电路中间④其实是隔离栅电路它包含本质安全电路和非本质安全电路右边⑤为本质安全电路。同时上图中又列举了3个不同的功能电路。第一个电路的回流部分没有和大地相连但是电路附近有接大地的外壳第二个电路回流部分和大地直连。第三个电路是一个光耦和电路。
图中红色标注部分就是需要我们设计的时候需要注意的间距。为了进一步说明我重新使用ABCD标注了它们的位置如下图 A标示的是③和④之间通过变压器和光耦器件隔离。隔离器两边的间距必须满足本质安全的要求。这个是比较好理解的隔离的目的就是为了让两边电路不要互相影响。如果距离过短当任一边的电路电压过高时容易发生电火花。
B标示的是对大地悬空的电路和接地外壳之间的距离。图中标有3根线从左到右分别标示电路回流地平面相当于PCB板子上的GND和外壳的间距。第三个B其实和第二个B一样电路高电平部分PCB板中的V部分和外壳的间距但是这两个B之间存在有保护器件如保险丝所以它们不属于同一个电路网络都需要标示出来。
C标示的是两个电路之间的间隙。两个电路的正极V之间第一个电路的负极和第二个电路的正极之间都需要满足间隙要求。这里注意因为第二个电路的负极直接外接大地所以它和第一个电路的正极和负极之间没有间隙要求。还要注意图中标示的绿线从分析的角度来说也是需要满足间隙要求的不知道为什么没有通过红线标示。
上图中的5个D标示的是串联保护器件之间的间隙。这里的保护器件可以理解为保险丝。如果保险丝溶洞那么它会断开电路使得两端的电平不一致间距过短容易产生电火花。所以也需要满足间隙要求。
4, 间隙距离的要求
标准中定义了两种距离要求分别称之为表格5和附录F。 对比表格5和附录F很容易看到附录F定义的间距远远小于表格5的定义。例如10V以下的电压 表格5规定iaib设备需要满足空气中电气间隙1.5mm而附录F只需要0. 5mm。所以大部分情况下我们都是依照附录F来设计和评估设备。
那么为什么附录F能够减少间隙距离呢它其实是有前提条件的. 当电气间隙部分所在环境的污染度最大为2级时可以使用附录F定义的间隙数值。
附录F中也列举几种使得污染度小于2级的方法
设备外壳提供至少IP54的保护级别按照IEC60664-3类型1和类型2的标准进行涂层conformal coating设备安装在一个比较干净的环境中如无尘车间等等
在实际的设计中条件1和2还是比较容易满足的特别是条件2对PCB板进行涂层是比较简单的方法。
这里重新拷贝一下iaib保护级别下设备的间距要求 可以看到对于电压10v和50v的规定它们的数值都是一样的。而常见的设备电压都是5V12V24V或者48V。所以对于常见的I类和II类设备来说最小距离0.2mm即7. 8mil就能满足间隙要求。因此在具体PCB设计的时候可以设定间距约束条件为8mil。
5小结一下
当设计一款本质安全设备的时候按照下面的步骤来
设备的最大间隙电压是否小于50V如果是执行第2步。如果否继续参看地6节PCB设计过程中设定间距约束条件为8milPCB焊接完成后对PCB表面进行涂层操作。
这样就满足了本质安全标准的间隙认证要求。
6间隙距离之间的电压
如果设备的间隙电压超过50V那么就不能按照第5节的步骤进行设计了。这里又分3种情况。
如果电压小于600V依然可以使用附录F来设计。但是间隙距离需要认真考虑和设计。
如果电压大于600V因为附录F中没有定义ia ib类的间隙所以此时需要按照表格5来考虑和设计。
如果电压大于15.6KV这种情况应该非常少见标准中对此没有定义。
那么间隙电压值又是如何确定的呢
标准中分了两种情况
1对于如图2中的A标示的内部隔离电路部分。它的间隙电压可以来自隔离的任何一端。例如输入端的额定电压24v或者设备制造商说明书规定的电压例如9-36V则选择最大36V或者内部电路有DCDC电路可能会将输入电压24V升高到48V那么可以使用48v当做间隙电压。
注标准中特别说明不需要考虑电压精度。
2对于如图2中不同电路之间的部分。它的间隙电压需要考虑具体的电路例如可能由电容放电电源转换电路故障其他电源一起叠加引起的电压。在计算这些电压时取它的峰值作为间隙电压。
7不同情况下的间隙距离的计算
7.1 空气下的电气间隙
空气下的电气间隙即为空气中两端最短距离计算比较直观。
需要注意的是如果在两点之间插入绝缘板绝缘板的厚度小于0.9mm此时因为绝缘板太薄可以当做不起作用直接按照没有绝缘板计算空气中的距离。如果绝缘板厚度超过0.9mm那么此时电气间隙距离要按照空气穿过固体绝缘物空气的方法计算。详情可以参看附录3。
7.2 通过浇铸物里的电气间隙Separation distance through casting compound
浇铸物里的电气间隙的计算和空气下的电气间隙计算是一样的。只是把空气介质换成了浇筑物需要注意的是浇铸物距离表面需要至少1mm的距离。
7.3 固体绝缘物里的电气间隙Separation distance through solid insulation
固体绝缘物里的电气间隙和上节关于浇铸物的间隙计算原则是一样只是材料的区别。
7.4 爬电距离
爬电距离是沿着物体表面测量到的距离。可以理解为从一个点到另外一个点蚂蚁能够爬行的最短距离。注意的是这只蚂蚁长度和高度都是大于3mm的所以一般小于3mm的落槽或者凸起它都能轻易跨过。所以对于小于3mm的落槽或者凸起爬电距离按照跨越的距离计算如以下几个图。 图中f指代的就是爬电距离 M是导体I是绝缘材料。
标准中还列举了其他情况下的爬电距离可以参看标准中的图3。
