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隨著工業(yè)和汽車都在向自動(dòng)化控制的轉(zhuǎn)型，功能安全的重要性就變得不言而喻。功能安全解決了在需要時(shí)設(shè)備將執(zhí)行其安全功能的信心，與其他形式的安全相比，它是一種主動(dòng)形式的安全。新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)加速了工業(yè)設(shè)備對(duì)安全系統(tǒng)的需求，但是認(rèn)證之路有很多痛點(diǎn)，例如獲取涵蓋電氣、機(jī)電和電子設(shè)備的基本功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508認(rèn)證時(shí)不但成本昂貴并且耗時(shí)。
將現(xiàn)成IC組件用于安全系統(tǒng)很復(fù)雜，因?yàn)槭褂谜咝枰私膺@個(gè)IC內(nèi)部的故障率和故障機(jī)制，以及如何檢測(cè)它們，然而硬件設(shè)計(jì)人員通常無法訪問安全組件所需的數(shù)據(jù)，如晶體管數(shù)量、內(nèi)部布局和規(guī)格、所使用的開發(fā)流程……如此，設(shè)計(jì)人員不知道安全失效比率、或者無法訪問該部件的FMEDA、不熟悉IC的設(shè)計(jì)方式，對(duì)于TUV Rheinland或TUV SUD等認(rèn)證機(jī)構(gòu)而言，很難監(jiān)控器件的安全性能。此外，在設(shè)計(jì)周期的后期發(fā)現(xiàn)故障機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的返工和進(jìn)度延遲。為了加速和簡(jiǎn)化安全系統(tǒng)的TUV認(rèn)證的過程，一向重視工業(yè)功能安全的ADI公司發(fā)布了業(yè)界首個(gè)功能性安全認(rèn)證IC ADFS5758，該器件通過了IEC 61508認(rèn)證，具備所需的功能安全性來提供單極性電流輸出，并擁有SC3的系統(tǒng)能力，能夠滿足所有相關(guān)要求，適合用于最高SIL 2等級(jí)的安全相關(guān)應(yīng)用。
具備IEC 61508認(rèn)證的DAC有哪些安全特性？
ADFS5758是一款單通道電壓和電流輸出DAC，已通過TUV Rheinland的IEC 61508，單極性電流輸出功能安全完整性2或SIL等級(jí)2以及系統(tǒng)能力3的全面認(rèn)證。具體來說，它是一款具有安全認(rèn)證的DAC，并附有安全手冊(cè)和FMEDA。該器件的設(shè)計(jì)完全符合IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，包括片內(nèi)診斷能力、在單個(gè)端口上提供電流和電壓輸出能力，支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸出范圍，總非調(diào)整誤差為0.05%。動(dòng)態(tài)功率控制是指最差情況下的功耗小于200mW，使其在高效熱管理方面處于行業(yè)先進(jìn)地位，ADFS5758具有集成式獨(dú)立12位SAR ADC，可稱之為診斷或監(jiān)控功能下的診斷，并允許進(jìn)行外部PCB電平監(jiān)控，同時(shí)此ADC意味著無需外部監(jiān)控ADC。
使用具有TUV認(rèn)證的IC，就意味著減少設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。那么，集成到ADFS5758的安全特性又有哪些呢？
第一，器件通電時(shí)會(huì)立即看到數(shù)字診斷結(jié)果中標(biāo)記的錯(cuò)誤，這可以提醒用戶校準(zhǔn)存儲(chǔ)器未刷新，意味著工廠編程校準(zhǔn)設(shè)置尚未加載到該器件中，如果繼續(xù)刷新校準(zhǔn)存儲(chǔ)器，更新結(jié)果時(shí)，會(huì)看到位已清除，也可以繼續(xù)清除和復(fù)位。
第二，為ADFS5758加載典型配置，將20mA輸出電流驅(qū)動(dòng)到1kΩ負(fù)載中，會(huì)有片內(nèi)比較器監(jiān)控器件內(nèi)的許多內(nèi)部模擬節(jié)點(diǎn)，而不是預(yù)先編程的限值，這意味著偏離正常運(yùn)行參數(shù)會(huì)導(dǎo)致故障引腳置位，并在每個(gè)數(shù)字寄存器上設(shè)置相應(yīng)的故障位，用戶可以檢測(cè)基準(zhǔn)電壓源誤差，LDO誤差、DC/DC誤差，開路、短路情況和許多其他情況，甚至還能檢查L(zhǎng)DO電容是否仍然連接。例如，如果移除外部基準(zhǔn)電壓源的跳線，電路板上就會(huì)立即亮起故障LED，并且故障引腳已經(jīng)在該器件上置位，這時(shí)繼續(xù)讀取模擬診斷結(jié)果，就會(huì)發(fā)現(xiàn)故障錯(cuò)誤位的基準(zhǔn)電壓源也已設(shè)置，如果嘗試在故障仍存在的情況下清除這個(gè)位，器件會(huì)阻止這個(gè)操作。但如果繼續(xù)更換跳線，就可以清除該錯(cuò)誤，故障引腳去置位，LED熄滅。
第三，如果使用一根簡(jiǎn)單的跳線將DC/DC轉(zhuǎn)換器短路，用戶就會(huì)收到報(bào)警，并且電路板上的故障LED會(huì)立即亮起，這里實(shí)際上是在GUI上觸發(fā)的一個(gè)故障，所以，如果電感短路，故障LED會(huì)亮起并設(shè)置故障位，如果讀取診斷結(jié)果，就可以看到GUI上出現(xiàn)所有相應(yīng)的DC/DC誤差。
此外，ADFS5758上的Vout引腳，還能夠檢測(cè)由于用戶錯(cuò)誤而導(dǎo)致的接線錯(cuò)誤事件，如果技術(shù)人員將輸出端短路使其電壓大于電源電壓，將向用戶發(fā)送故障報(bào)警，內(nèi)部線路保護(hù)器起作用，防止DAC發(fā)生任何損壞。ADFS5758內(nèi)置一個(gè)12位獨(dú)立ADC以提供診斷信息，它可以監(jiān)控器件內(nèi)的許多內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，具有集成時(shí)序控制器，包括主芯片溫度、檢測(cè)緩沖器上的電壓、各種接地節(jié)點(diǎn)、基準(zhǔn)電壓等，每次更新和回讀診斷結(jié)果錯(cuò)誤時(shí)，都可以看到相應(yīng)的ADC結(jié)果也更新了。
ADFS5758集成了許多數(shù)字診斷功能，串行接口默認(rèn)啟用了8位CRC，還有SPI接口、SCLK計(jì)數(shù)功能，窗口看門狗定時(shí)器是另一個(gè)有用的功能，可確保系統(tǒng)控制器和ADFS5758之間的通信不丟失。該器件還有一個(gè)有趣的功能是鎖定用戶配置空間的能力，設(shè)置該功能時(shí)，可禁止意外更改DAC的配置，要解鎖配置空間，用戶必須在一切再次解鎖之前，將兩個(gè)順序鍵寫入器件中，用戶可在鎖定配置空間時(shí)了解其實(shí)際運(yùn)行，點(diǎn)擊應(yīng)用更改。如果嘗試禁用DAC輸出，再次應(yīng)用它，就能看到故障引腳置位，并且用戶配置鎖定報(bào)警位。
從整個(gè)信號(hào)鏈上加速安全系統(tǒng)認(rèn)證之路
ADI認(rèn)為功能安全在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)在采用功能安全的標(biāo)準(zhǔn)來擴(kuò)展非常嚴(yán)格的新產(chǎn)品開發(fā)流程，并推出一系列功能性安全兼容器件，既可減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)又加速了安全系統(tǒng)的認(rèn)證之路。如今，一個(gè)完整的信號(hào)鏈已經(jīng)出現(xiàn)，如下圖所示。
ADuCM360是一個(gè)集成ARM CORTEX M3和雙通道Σ-Δ型ADC的低功耗精密模擬微控制器，有兩個(gè)Σ-ΔADC并隨附安全數(shù)據(jù)手冊(cè)；ADP1031是完全集成的電源和數(shù)據(jù)隔離解決方案，該產(chǎn)品是和ADFS5758一起開發(fā)的，具有3個(gè)隔離供電軌、7個(gè)隔離數(shù)據(jù)通道，也會(huì)隨附安全數(shù)據(jù)手冊(cè)，以簡(jiǎn)化安全認(rèn)證之旅。除了具有動(dòng)態(tài)功率控制的電壓和電流輸出DAC ADFS5758，未來還有24位Σ-ΔADC ADFS7124，該產(chǎn)品將完全通過TUV Rheinland的SIL2系統(tǒng)能力等級(jí)3的兩個(gè)認(rèn)證；最新的故障保護(hù)開關(guān)ADG5401F的反饋通道非常適合保護(hù)DAC輸出，據(jù)悉未來發(fā)布的ADG7421F過壓保護(hù)開關(guān)，將是市場(chǎng)上首個(gè)模擬、低壓、小信號(hào)保護(hù)解決方案，能夠在系統(tǒng)保護(hù)和精度之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡，非常適合保護(hù)ADC輸。
結(jié)語(yǔ)
工業(yè)環(huán)境中的設(shè)備通常 24/7/365 全年無休運(yùn)行，因此安全性和可靠性至關(guān)重要。功能安全可以為工業(yè)帶來很多好處，而要確保功能安全性，就意味著設(shè)計(jì)時(shí)間更長(zhǎng)、成本和復(fù)雜性更高，提供具有診斷功能的產(chǎn)品幫助客戶開發(fā)適用于工業(yè)應(yīng)用的功能安全設(shè)計(jì)也成為了包括ADI在內(nèi)的各大解決方案提供商的研究重點(diǎn)。ADI提供的功能性安全系列產(chǎn)品，可以幫助用戶構(gòu)建產(chǎn)品以滿足第三方認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)并加快產(chǎn)品上市速度。
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