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    如何設計和認證功能安全電阻溫度檢測器系統

    發布時間:2022-09-06 來源:ADI 責任編輯:wenwei

    【導讀】溫度是過程控制系統中的一個關鍵測量指標,它可以是直接測量,例如測量化學反應的溫度;它也可以是補償測量,例如壓力傳感器的溫度補償。對于任何系統設計,準確、可靠、穩健的溫度測量都很重要。對于某些終端設計,檢測系統故障至關重要,系統如果發生故障,就會轉換到安全狀態。在這些環境中應使用功能安全設計,認證級別表明設計的診斷覆蓋率水平。


    01 什么是功能安全


    在功能安全設計中,系統需要檢測到任何故障??紤]一座煉油廠,其中的一個儲罐正在裝油,如果液位傳感器發生故障,系統必須檢測到此故障,以便可以主動關閉儲罐的閥門,防止儲罐溢出,避免潛在的危險爆炸事故。另一個方案是冗余,也就是說,設計中可以使用兩個液位傳感器,當其中一個液位傳感器發生故障時,系統可以繼續使用另一個液位傳感器運行。設計通過認證后,將獲得SIL等級。此等級表示設計提供的診斷覆蓋率。SIL等級越高,解決方案越穩健。SIL 2等級表示可以診斷系統內超過90%的故障。為了對設計進行認證,系統設計人員必須向認證機構提供有關潛在故障的證據——無論是安全故障還是危險故障,以及如何診斷故障。必須獲取FIT等數據,以及故障模式影響和對系統中不同元器件的診斷分析(FMEDA)。


    02 溫度系統設計


    本文重點介紹RTD。然而,溫度傳感器有許多不同類型——RTD、熱敏電阻和熱電偶等。設計中使用的傳感器取決于所需的精度和測量的溫度范圍。每種類型的傳感器都有自己的要求:


    ●   熱電偶偏置

    ●   激勵RTD的激勵電流

    ●   熱電偶和熱敏電阻的絕對基準


    因此,除了ADC之外,還需要其他構建模塊來激勵傳感器并調理前端的傳感器。為實現功能安全,所有這些模塊都必須可靠且穩健。此外,不同模塊的任何故障都必須可檢測。傳統上,系統設計人員使用復制方法,也就是使用兩個信號鏈,信號鏈彼此檢查以確保:


    ●   傳感器已連接

    ●   沒有開路或短路

    ●   基準電壓處于正確的電平

    ●   PGA仍在正常運行


    為了證明設計的穩健性,認證流程需要文檔記錄。這是一個耗時的過程,有時候很難從IC制造商那里獲得某些信息。


    但是, AD7124-4/AD7124-8 集成模擬前端現在包括了RTD設計所需的所有構建模塊。此外,嵌入式診斷功能使得設計人員無需出于診斷目的而復制信號鏈。除了芯片增強之外,ADI公司還提供文檔記錄,其中包括認證機構所需的所有信息(FIT引腳FMEDA、裸片FMEDA)。因此,功能安全的認證過程得以簡化。


    IEC 61508是功能安全設計方面的規范。此規范記錄了開發SIL認證產品所需的設計流程。從概念、定義、設計、布局到制造、裝配、測試的每個步驟都需要生成文檔。這被稱為Route 1S。另一種選擇是使用Route 2S流程。這是一條經過實際使用驗證的路線,當大批量產品被導入最終客戶的系統中并在現場使用了數千小時時,仍然可以通過向認證機構提供如下證據來認證產品:


    ●   現場使用的數量

    ●   現場退貨的分析,并詳細說明退貨不是由于元器件本身的

    ●   故障造成的

    ●   安全數據手冊,詳細說明診斷及其提供的覆蓋率

    ●   引腳和裸片FMEDA


    03 3線RTD設計


    ●   RTD


    RTD適合測量–200°C至+850°C的溫度,在該溫度范圍內,其響應接近線性。RTD使用的典型元素有鎳、銅和鉑,100 Ω和1000 Ω鉑制RTD較為常見。RTD有兩線、三線或四線形式,其中3線和4線形式較為常用。RTD是無源傳感器,需要一個激勵電流來產生輸出電壓。RTD的輸出電平從數十毫伏到數百毫伏不等,具體取決于所選的RTD。


    ●   RTD設計


    圖1顯示了一個3線RTD系統。AD7124-4/AD7124-8是用于RTD測量的集成解決方案,包含系統所需的所有構建模塊。為了全面優化該系統,需要2個理想匹配的電流源。這兩個電流源用于抵消RL1產生的引線電阻誤差。一個激勵電流流過精密基準電阻RREF和RTD。另一個電流流過引線電阻RL2,所產生的電壓與RL1上的壓降相抵消。精密基準電阻上產生的電壓用作ADC的基準電壓REFIN1(±)。由于僅利用一個激勵電流來產生基準電壓和RTD上的電壓,因此,該電流源的精度、失配和失配漂移對ADC整體轉換函數的影響極小。AD7124-4/AD7124-8允許用戶選擇激勵電流值,從而調整系統以使用ADC的大部分輸入范圍,提高性能。


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    圖1. 3線RTD溫度系統


    RTD的低電平輸出電壓需要放大,以便利用ADC的大部分輸入范圍。AD7124-4/AD7124-8的PGA可以設置1到128的增益,允許用戶在激勵電流值和增益與性能之間進行取舍。出于抗混疊和EMC目的,傳感器與ADC之間需要濾波?;鶞孰妷壕彌_器支持無限的濾波器R、C元件值,也就是說,這些元件不會影響測量精度。


    系統還需要校準以消除增益和失調誤差。圖1顯示了此3線B級RTD在執行內部零電平和滿量程校準后的實測溫度誤差,總誤差遠小于±1°C。


    ●   ADC要求


    溫度測量系統以低速測量為主(最高速度通常是每秒100次采樣),因而需要低帶寬ADC。但是,該ADC必須具有高分辨率。Σ-Δ型ADC適合此類應用,因為利用Σ-Δ結構能夠開發出低帶寬、高分辨率ADC。


    采用Σ-Δ型轉換器時,對模擬輸入連續采樣,采樣頻率比目標頻段高很多。它還使用噪聲整形,將噪聲推到目標頻段之外,進入轉換過程未使用的區域,從而進一步降低目標頻段內的噪聲。數字濾波器會衰減任何處在目標頻段之外的信號。


    數字濾波器在采樣頻率和采樣頻率的倍數處有鏡像,因此,需要一些外部抗混疊濾波器。然而,由于過采樣,簡單的一階RC濾波器即足以滿足大部分應用的要求。Σ-Δ架構允許24位ADC實現最高達21.7位的峰峰值分辨率(21.7個穩定或無閃爍位)。Σ-Δ架構的其他優勢有:


    ●   寬共模范圍的模擬輸入

    ●   寬范圍的基準輸入

    ●   能夠支持比率式配置


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    圖2. 頻率響應,后置濾波器,25 SPS:(a) DC至600 Hz,(b) 40 Hz至 70 Hz。


    ●   濾波(50 Hz/60 Hz抑制)


    除了如上所述的抑制噪聲以外,數字濾波器還用于提供50 Hz/60 Hz抑制。系統采用主電源供電時,會發生50 Hz或60 Hz干擾。交流電源會產生50 Hz及其倍數(歐洲)和60 Hz及其倍數(美國)的噪聲。低帶寬ADC主要使用sinc濾波器,可將其陷波頻率設置在50 Hz和/或60 Hz及其倍數處,從而提供50 Hz/60 Hz及其倍數的抑制?,F在越來越多地要求利用建立時間較短的濾波方法提供50 Hz/60 Hz抑制。在多通道系統中,ADC順次處理所有使能的通道,在每個通道上產生轉換結果。選擇一個通道后,便需要濾波器建立時間以產生有效轉換結果。若縮短建立時間,則可提高給定時間內轉換的通道數。AD7124-4/AD7124-8的后置濾波器或FIR濾波器可提供50 Hz/60 Hz同時抑制,并且其建立時間比sinc3或sinc4濾波器要短。圖3顯示了一個數字濾波器選項:此后置濾波器的建立時間為41.53 ms,并且提供62 dB的50 Hz/60 Hz同時抑制。


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    圖3. 各通道獨立配置


    ●   診斷


    對于功能安全設計,構成RTD系統的所有功能都需要診斷。AD7124-4/AD7124-8具有多個嵌入式診斷功能,因此設計復雜性得以簡化,設計時間得以縮短。另外還無需復制信號鏈以實現診斷覆蓋。


    典型診斷要求如下:


    ●   電源/基準電壓/模擬輸入監控

    ●   開路檢測

    ●   轉換/校準檢查

    ●   信號鏈功能檢查

    ●   讀/寫監控

    ●   寄存器內容監控


    下面詳細說明嵌入式診斷。


    ●   SPI診斷


    AD7124-4/AD7124-8提供CRC。使能后,所有讀操作和寫操作都包括CRC計算。校驗和為8位寬,使用如下多項式生成:


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    因此,對于AD7124-4/AD7124-8的每次寫操作,處理器都會生成一個CRC值,該值會附加到發送至ADC的信息中。ADC根據接收到的信息生成自己的CRC值,并將其與從處理器接收到的CRC值進行比較。如果兩個值一致,則可確定信息完好無損,從而將其寫入相關的片內寄存器。如果CRC值不一致,則表明傳輸過程中發生了位損壞。在這種情況下,AD7124-4/AD7124-8會設置一個錯誤標志,指示發生了數據損壞。損壞的信息不會被寫入寄存器,從而實現自我保護。同樣,當從AD7124-4/AD7124-8讀取信息時,也會生成一個CRC值并伴隨該信息。處理器將處理此CRC值,以確定傳輸有效還是發生了損壞。


    AD7124-4/AD7124-8數據手冊列出了客戶可以訪問的寄存器(用戶寄存器)。AD7124-4/AD7124-8會檢查所訪問寄存器的地址。如果用戶嘗試讀取或寫入數據手冊中未記載的寄存器,就會設置一個錯誤標志,表示處理器正在嘗試訪問非用戶寄存器。同樣,伴隨此寄存器訪問的任何信息都不會應用于寄存器。


    AD7124-4/AD7124-8還有一個SCLK計數器。所有讀寫操作都是8的倍數。當CS用于使能幀讀寫操作時,SCLK計數器計數每個讀/寫操作中使用的SCLK脈沖數,與此同時CS為低電平。當CS變為高電平時,通信中使用的SCLK數量應為8的倍數。如果SCLK上出現毛刺,這將導致SCLK脈沖過量。如果發生這種情況,AD7124-4/AD7124-8會再次設置錯誤標志,并放棄輸入的任何信息。


    狀態寄存器指示正在轉換的通道。讀取數據寄存器時,可以將狀態位附加到轉換結果中。這會進一步增強處理器/ADC通信的穩健性。


    上面提到的所有診斷功能都是為了確保ADC與處理器之間的通信穩健,只有有效信息才被AD7124-4/AD7124-8接受。當CS用于使能幀讀寫操作時,每次拉高CS時,串行接口便復位。這確保了所有通信都從已定義的或已知的狀態開始。


    ●   存儲器檢查


    每次更改片內寄存器(例如更改增益)時,都會對寄存器執行CRC,并將生成的CRC值臨時存儲在內部。AD7124-4/AD7124-8內部定期對寄存器執行額外的CRC檢查。得到的CRC值與存儲的值進行比較。如果值由于位翻轉而不同,就會設置一個標志,以向處理器表明寄存器設置已損壞。處理器隨后可以復位ADC,并重新加載寄存器。


    片內ROM保存寄存器的默認值。上電時或復位后,ROM內容將應用于用戶寄存器。在最終的生產測試中會計算ROM內容的CRC,并將得到的CRC值存儲在ROM中。在上電或復位時會再次對ROM內容執行CRC,并將得到的CRC值與保存的值進行比較。如果二者不同,則表明默認寄存器設置與預期不同,因而需要重啟或復位。


    ●   信號鏈檢查


    器件包括許多信號鏈檢查。電源軌(AVDD、AVSS和IOVDD)可應用于ADC輸入,從而可以監視電源軌。AD7124-4/AD7124-8內置一個模擬和一個數字低壓差(LDO)穩壓器。這些也可以應用于ADC并進行監視。AD7124-4/AD7124-8包括x路復用。此外,AVSS可在內部用作AIN–,這樣就可以檢查模擬輸入引腳上的絕對電壓??蛻艨梢蕴綔y輸出激勵電流的引腳,并探測AIN+和AIN-引腳。這將檢查連接,并確保各個引腳上的電壓處于正確的電平。


    對于基準電壓檢查,基準電壓檢測功能會指示基準電壓過低的情況??蛻暨€可以選擇內部基準電壓作為模擬輸入,這樣就可以用來監視外部基準電阻上產生的電壓,前提條件是基準電阻兩端的電壓略高于2.5 V(內部基準電壓的幅度)。


    AD7124-4/AD7124-8還有一個內部20 mV電壓,這對于檢查增益級很有用。例如,使用20 mV作為模擬輸入,增益可以從1變為2、4、... 128。每次提高增益時,轉換結果放大2倍,從而證實增益級工作正常。


    檢查鎖定位時,X路復用也很有用。它允許交換AIN+和AIN–引腳,導致轉換結果反轉。因此,使用20 mV和x路復用時,用戶可以檢查鎖定位。為AIN+和AIN–選擇相同的模擬輸入引腳并偏置此內部短路,以便檢查ADC噪聲,確保其在規定范圍內工作。內部可以選擇嵌入式基準電壓(+2.5 V)作為ADC的輸入。同樣,應用+VREF和–VREF可確認信號鏈正常工作。


    可編程的開路測試電流可用來檢查傳感器連接。PT100在–200°C時電阻典型值為18 Ω,在+850°C時為390.4 Ω。使能開路測試電流后,可以執行轉換。如果RTD短路,獲得的轉換結果將接近0。AIN+和AIN–之間開路會導致轉換結果接近0xFFFFFF。在RTD正確連接的情況下,永遠不會獲得接近0或全1的代碼。


    最后,AD7124-4/AD7124-8具有過壓和欠壓檢測功能。正在轉換的AIN+和AIN-引腳上的絕對電壓通過比較器持續監控。當AIN+或AIN–上的電壓超出電源軌(AVDD和AVSS)時,就會設置標志。


    這種高集成度減少了執行測量和提供診斷覆蓋所需的物料(BOM),并縮短了設計時間,降低了設計復雜性。


    ●   轉換/校準


    AD7124-4/AD7124-8上的轉換也受到監控。如果(AIN+ – AIN–)/增益大于正滿量程或小于負滿量程,就會設置一個標志。ADC的轉換結果變為全1(模擬輸入過高)或全0(模擬輸入過低),因此客戶知道發生了故障。對來自調制器的比特流進行監控,以確保調制器不會飽和。如果發生飽和(調制器連續輸出20個1或20個0),則設置一個標志。


    AD7124-4/AD7124-8包括內部偏移和校準以及系統偏移和增益校準。如果校準失敗,就會設置一個標志以告知用戶。請注意,如果校準失敗,偏移和增益寄存器不會更新。


    ●   電源


    除了前面討論的電源檢查外,AD7124-4/AD7124-8還有用于持續監控內部LDO穩壓器的比較器。因此,如果這些LDO穩壓器的電壓低于跳變點,就會立即報告錯誤。這些LDO穩壓器需要一個外部電容。也可以檢查該電容存在與否。


    ●   MCLK計數器


    濾波器曲線和輸出數據速率與MCLK直接相關。當主時鐘為614.4 kHz時,數據手冊中列出的輸出數據速率是正確的。如果主時鐘改變頻率,輸出數據速率和濾波器陷波頻率也會改變。例如,若使用濾波器陷波頻率來抑制50 Hz或60 Hz,則變化的時鐘會減少所獲得的衰減。因此,了解時鐘頻率對于確保獲得最佳抑制很有價值。AD7124-4/AD7124-8包含一個MCLK計數器寄存器。每計數131個MCLK周期,該寄存器便加1。為了測量MCLK頻率,處理器需要一個定時器??梢栽跁r間0讀取該寄存器,然后在定時器超時后再次讀取。有了這些信息,便可確定主時鐘的頻率。


    ●   各通道獨立配置


    AD7124-4/AD7124-8允許按通道進行配置,也就是說,器件支持八種不同的設置,一個設置由基準電壓源、增益設置、輸出數據速率和濾波器類型組成。當用戶配置一個通道時,可將八種設置中的一種分配給該通道。請注意,通道可以是模擬輸入通道,也可以是診斷通道,例如測量電源(AVDD-AVSS)。因此,客戶可以設計一個由模擬輸入和診斷組成的序列。各通道獨立配置允許以與模擬輸入轉換不同的輸出數據速率運行診斷。診斷不需要與主要測量相同的精度,因此客戶可以將診斷與測量交錯,并以較高輸出數據速率運行診斷。這些嵌入式特性可減少處理器的工作量。


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    圖4. 將設置分配給通道


    ●   其他功能


    AD7124-4/AD7124-8包含一個溫度傳感器,該傳感器也可用于監控芯片溫度。這兩款器件的ESD額定值均為4 kV,支持實現穩健的解決方案。這些器件采用5 × 5 mm LFCSP封裝,適合本質安全設計。


    根據IEC 61508,使用這些器件的典型溫度應用的FMEDA表明安全失效比率(SFF)大于90%。一般需要兩個傳統ADC才能達到這一水平。


    ●   內置診斷的其他好處


    除了BOM和成本節省之外,診斷還能從其他方面節省成本:避免設計復雜性,減少資源使用,以及加快客戶產品上市時間。讓我們借助下例來理解這一點:


    AD7124-4/AD7124-8有一個MCLK計數器,用于測量主時鐘頻率并捕捉所提供的主時鐘的任何不一致。主時鐘計數器是一個8位寄存器,每131個MCLK周期遞增一次。該寄存器由SPI主機讀取,以確定內部/外部614.4 kHz時鐘的頻率。


    如果必須在AD7124-4/AD7124-8外部實施MCLK頻率檢查該怎么辦?這將需要如下硬件資源:


    ●   帶外設(如計數器和外部中斷控制器)的微控制器

    ●   施密特觸發電路


    另外請注意,存儲和運行代碼(包括中斷服務例程)需要存儲器??傊?,實施方案將如圖5所示。


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    圖5. 由微控制器實現的MCLK頻率監視器


    此外,我們必須確保代碼經過檢查并符合編碼準則和限制??傊?,實施單獨的診斷部分會產生很大的開銷。因此,內置診斷有諸多好處:


    ●   節省空間和BOM

    ●   提高系統可靠性;更少元器件 = 更高的可靠性

    ●   加速產品上市

    ●   軟件開發——開發和運行診斷程序

    ●   硬件測試

    ●   系統測試

    ●   節省微控制器存儲器

        ○ 不需要代碼來運行診斷

        ○ 編碼準則要求進行大量雙重存儲器代碼檢查

    ●   即用型安全文檔節省系統評估時間


    04 助力功能安全設計


    AD7124-4/AD7124-8不是按照IEC 61508標準中的開發指南進行設計和開發的,因此無SIL等級。但是,通過了解各種診斷的最終應用和使用情況,可以評估AD7124-4/AD7124-8是否適用于SIL等級設計。


    ●   功能安全術語


    讓我們回顧一下認證過程中的一些重要概念:


    ●   故障:系統性和隨機性

    ●   診斷覆蓋率

    ●   硬件容錯

    ●   SIL等級


    ●   故障:系統性和隨機性


    系統性故障是由特定原因引起的確定性(非隨機)故障,可通過修改設計或制造過程、操作程序、文檔或其他相關因素來消除。例如,由于外部中斷引腳上缺乏濾波,系統會因為高噪聲而發生中斷。


    隨機故障則是由作用于系統內硬件組件的物理原因引起的。此類故障是由腐蝕、熱應力、磨損等效應引發的,無法通過系統化流程來發現此類故障。


    為了處理隨機故障,我們可以使用可靠性、診斷和冗余等方法。


    在可靠性方面,我們確保使用可靠的元器件,而通過診斷,我們確??梢詸z測和排解這些故障。確??煽啃缘牧硪环N方法是增加冗余以降低故障概率,但這樣做會增加系統成本和空間。


    隨機故障有四種類型,即安全檢測型、安全未檢測型、危險檢測型和危險未檢測型。


    例如,考慮一個系統,其安全功能是在溫度讀數很高時斷開機器的電源開關。任何不影響安全功能(即斷開電源開關)的隨機故障,稱為安全檢測型故障或安全未檢測型故障。影響安全功能的其他故障則是危險故障。對我們來說,重要的是危險未檢測型故障。這類故障是診斷未覆蓋的故障,我們的目標是提高診斷覆蓋率,以盡可能將危險及未檢測到的故障減少。


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    圖6. 隨機故障類型


    ●   診斷覆蓋率


    隨機故障可以通過軟件或硬件形式的各種內置檢測機制來檢測。例如,MOSFET開關故障可以通過回讀輸出來檢測,隨機存儲器位翻轉可以通過定期運行CRC存儲器檢查來檢測。診斷覆蓋率衡量系統檢測危險故障的能力,數學上定義為危險檢測型故障與危險故障的比率。


    ●   硬件容錯


    考慮一個可編程邏輯控制器(PLC)系統,例如圖7所示,其安全功能是在輸入超過特定值時斷開開關以停止機器。在HFT = 0圖中,如果存在單一隨機故障(X),系統就會發生故障,機器不會停止。


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    圖7. PLC系統


    現在,如果我們有HFT = 1圖中所示的冗余路徑,那么單一隨機故障將不再引起故障,我們將能夠停止機器。


    因此,通過增加冗余路徑,系統便可容忍單一故障。此系統被稱為HFT 1系統,表示一個故障不會導致系統失效。HFT 0表示一個故障可能導致系統失效。硬件容錯是當存在一個或多個危險故障時,元器件或子系統執行安全功能的能力。


    HFT可以從1oo1、1oo2、2oo3等架構來計算。如果將架構表示為MooN,則HFT計算式為N–M。換句話說,2oo4架構的HFT為2。這意味著它可以容忍兩個故障并繼續工作,因此它是一個具有冗余的架構。


    ●   SIL等級覆蓋率


    表1顯示了SFF(即診斷覆蓋率)和硬件容錯(意味著冗余)

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    行表示診斷覆蓋率,列表示硬件容錯。HFT為0表示如果系統出現一個故障,安全功能就會喪失(見表1)。


    如果增加冗余以實現HFT 1,如圖7所示,那么系統可以容忍一個故障而不會停機。目前通過冗余達到SIL 3等級的客戶,如果使用具有更高診斷覆蓋率的部件,則可以在沒有冗余的情況下達到SIL 3。


    因此,更高水平的診斷可以減少所需的系統冗余量,或者在相同冗余量下,我們可以提高解決方案的SIL等級(在表1中向下移動)。


    現在,讓我們回顧一下AD7124-4/AD7124-8中的診斷功能,其支持多種內置機制,例如電源/基準電壓/AIN監控、開路檢測、轉換/校準檢查、信號鏈功能檢查、讀/寫監控、寄存器內容監控等,這些診斷功能可提高AD7124-4/AD7124-8系統的診斷覆蓋率。在沒有這些診斷的情況下,需要兩個ADC才能達到相同的水平。


    因此,一個AD7124-4或AD7124-8可提供相同水平的覆蓋范圍,其診斷覆蓋率和特性支持設計功能安全的系統。這可節省50%的BOM和印刷電路板空間。


    05 支持SIL等級設計的文檔


    輔助終端系統SIL認證所需的文檔包括:


        ○ 安全數據手冊(安全手冊用于SIL等級部件)


        ○ 引腳FMEDA(故障模式、影響和分析)和FMEDA(故障模式、影響和診斷分析)


    這些文檔由主要來自四個數據源的輸入組成,如圖8所示。這些數據是診斷數據、設計數據、FIT率和來自故障插入測試的數據。



        ○ 數據手冊中的診斷數據涉及部件提高的所有診斷特性。


        ○ 設計數據是指內部數據——例如,裸片面積和部件每個內部模塊的影響。


        ○ 數據手冊中提供了各種元器件的FIT率(故障率)。一個常見例子是Siemens Databook SN 29500。


        ○ 對無法使用設計和診斷數據進行分析的模塊應進行故障插入測試。這些測試是根據應用需求而規劃的,故障插入測試的結果用于加強FMEDA和FMEA文件。


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    圖8. 功能安全文檔信息流


    06 裸片FMEDA


    AD7124-4/AD7124-8 FMEDA分析應用原理圖中的主要模塊,識別故障模式和影響,并檢查特定安全功能的診斷和分析。讓我們通過圖9了解該機制。


    對于RTD型系統,安全功能是以±x度的精度測量溫度。應用原理圖如圖9所示。


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    圖9. RTD應用原理圖


    我們將危險故障定義為可能導致ADC輸出或SPI通信出現錯誤的故障,如果輸出中的錯誤很嚴重,則可能導致危險故障。


    安全狀態定義為:


        ○ 根據安全功能,輸出數據代表輸入


        ○ 錯誤狀態位已置位


        ○ ADC輸出轉換結果為全0或全1


        ○ 無SPI通信單


    根據IEC 61508,AD7124-4/AD7124-8被認定為B類系統。為了解釋FMEDA,讓我們以時鐘模塊為例,分析其故障模式。表2顯示了當時鐘模塊面臨第一列中描述的故障模式時會發生什么,它對輸出的影響,診斷覆蓋率,最后是分析。


    表2. 主時鐘模塊故障模式、影響、診斷和分析

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    同樣,我們隨后分析AD7124-4/AD7124-8中的其余模塊。請注意,可能存在一些可能不會影響安全功能的故障;例如,AIN0引腳上的故障不會導致溫度測量出現問題,因此可以從安全計算中排除。FMEDA的結果將是安全故障、危險檢測型故障和危險未檢測型故障的故障率,用于計算SFF。


    07 引腳FMEDA


    引腳FMEDA分析AD7124-4/AD7124-8引腳上的各類故障及其在此RTD應用中的后果。選取每個引腳,一步一步地分析引腳開路、短接到電源/接地或短接到相鄰引腳會有什么后果。


    例如,以圖10中的引腳29 (DIN)為例,參考圖9所示的應用原理圖,檢查不同故障的后果。表3顯示了故障模式、影響和檢測。


    26.png

    圖10. 32引腳LFCSP引腳配置


    表3. 引腳DIN的故障模式、影響和分析

    26.png


    請注意,分析是針對圖9所示的應用原理圖進行的,因此對未使用引腳的分析不會產生任何影響。


    08 Route 2S,也稱為"經過使用證明"


    我們已經討論了第一種評估方法?,F在我們討論另一種方法,稱為"經過使用證明"或Route 2S。此方法適用于已發布器件,并且基于對客戶退貨的分析和已發貨數量。


    這樣可以進行SIL認證,就好像該部件是完全按照IEC61508標準開發的一樣。如果模塊/系統設計者過去曾成功使用某一IC,并且了解現場故障率,那么他可以宣稱其"經過使用驗證"(Route 2S)。


    請注意,Route 2S需要完整的現場退貨數據,因此對于集成電路設計者或制造商來說,作出這種宣稱要困難得多,因為他們一般不太了解最終應用或擁有完備的現場失效器件收集、失效分析流程及數據。


    09 結論


    RTD測量系統對ADC和系統的要求非??量?。這些傳感器產生的模擬信號很小。這些信號需要用增益級放大,同時放大器的噪聲必須非常低,不至于淹沒傳感器的信號。放大器之后需接一個高分辨率ADC,以將傳感器的低電平信號轉換為數字信息。除了ADC和增益級之外,溫度系統還需要其他元器件,例如激勵電流。同樣,這些元件必須是低漂移、低噪聲元件,不致于降低系統精度。諸如失調等初始精度誤差可以通過校準從系統中消除,但元件隨溫度的漂移必須非常低,以免引入誤差。集成激勵模塊和測量模塊可簡化客戶設計。針對功能安全進行設計時,還需要診斷。將診斷與激勵和測量模塊集成在一起,可以簡化整體系統設計,減少BOM,縮短設計時間,加速產品上市。


    FMEDA等文檔包含客戶認證最終設計中的元器件所需的全部信息。但是,對元器件本身進行認證可以進一步簡化與認證機構的交流。Route 2S流程允許對發布后的產品進行認證,鑒于目前有很多已發布的器件適合功能安全設計,因此這是一條很有用的途徑。



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