本质安全设备标准（IEC60079-11）的理解（四）

本质安全设备标准（IEC60079-11）的理解（四）

 对于标准中“Separation”的理解

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Separation，distances，Clearance，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。

（2）Clearance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。

（3）Creepage 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。

（4）Separation 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ia，ib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

1. 设备外壳提供至少IP54的保护级别；
2. 按照IEC60664-3类型1和类型2的标准进行涂层（conformal coating）
3. 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ia，ib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5V，12V，24V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

1. 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
2. PCB设计过程中设定间距约束条件为8mil
3. PCB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。