使用高机能监控电路提高工业功效安全合规性： 利用SIL级器件——第2部门

发布时间：2026-07-08 来历：转载 责任编纂：Lily

【导读】于辨认电子、电气及可编程电子安全相干体系(SRS)中的伤害妨碍方面，电源监督器等诊断功效阐扬着至关主要的作用。只管按照IEC 61508尺度确当前修订版本，此类器件纷歧定要到达功效安全等级，但于设计SRS时利用切合功效安全的器件可带来诸多上风。是以，本系列的第二部门将会商于设计触及工业功效安全的体系时，利用SIL级电源监督器的六年夜利益。

简介

本系列文章旨于切磋经由过程高机能电压监控电路实现工业功效安全合规。本文为本系列文章的第二篇，将切磋采用切合功效安全尺度的诊断功效对于在合规性的意义。本文将重要涵盖六年夜主题：妨碍模式、影响及诊断阐发(FMEDA)信息的可用性；集成安全特征；片内诊断；满意行将发布的IEC 61508修订版本的要求；其他尺度考量；以和外部评估机构的不雅点。这些内容配合夸大了利用MAX42500等SIL级电源监督器的利益。

逾越基本功效安全尺度

本系列的第一部门夸大了诊断勾当对于在满意基本功效安全尺度的定性及定量的意义，如图1所示。出在定性思量，不管安全完备性等级(SIL)怎样，都必需实行电源监督器。而对于在定量要求，重要有两个思量因素：靠得住性猜测及架构约束。靠得住性猜测用在评估体系发生伤害妨碍的平均几率，可所以低需求事情模式下需要时发生伤害妨碍的平均几率(PFDavg)，也能够是高需求事情模式下每一小时伤害妨碍的平均频率(PFH)。本文针对于PFH睁开会商。同时，架构约束遭到安全掉效比率(SFF)及冗余要求的影响。集成为了诊断功效后，可经由过程辨认随机硬件妨碍来加强这些指标。患上益在此，设计历程中可使用任何切合须要技能规格的监控IC，由于SIL等级是于体系级确定的。

图1. 基在IEC 61508:2010尺度的诊断1。

鉴在安全生命周期的严酷要求，与非安全项目比拟，实行安全项目往往需要支付更多努力。此时可以经由过程一些有用的计谋来缩短项目时间线，并提高功效安全合规性，好比利用按照IEC 61508开发的器件。虽然这不是强迫要求，但该要领可提供凌驾基本功效安全尺度要求的多项上风。这些上风表现于如下方面。

自己包罗FMEDA

切合IEC 61508尺度的电源监督器包罗安全手册，此中具体申明了其妨碍模式、影响及诊断阐发历程(FMEDA)。该历程触及查抄体系的妨碍模式，旨于辨认潜于妨碍缘故原由和其对于体系的影响（图2）。不管是于器件层面还有是体系层面运用，FMEDA都有助在证实器件切合IEC 61508等功效安全尺度，同时满意其定性及定量要求。

图2. FMEDA方框图2。

IEC 61508-2:2010概述了安全手册对于合规项的要求。于这些信息的帮忙下，IC集成商可以或许更轻松地完成FMEDA。

附录D第D.2.2节划定，对于在每一项功效，安全手册应：

(d) 包罗因为随机硬件妨碍致使合规项内部（以输出举动为依据）的妨碍模式，这些妨碍模式会致使诊断体系没法检测到该功效的妨碍。

(e) 对于在(c)及(d)中的每一个妨碍模式，包罗预估妨碍率。

第7.4.9.4节第(j)项划定，对于在易受E/E/PE体系实行的随机硬件妨碍要求影响的每一个安全相干元件，应提供因为硬件妨碍信息而致使的诊断妨碍率。

这有助在简化安全阐发流程，体系架构师可直接利用安全手册中提供的妨碍率来创立体系级FMEDA。假如器件FMEDA的假定与体系设计职员的用例差别，可调解现有阐发文档，以便从头计较并于体系级进一步阐发。

集成为了安全特征，涵盖多项诊断功效

为运用选择适合的部件凡是需要思量器件成本、电路板尺寸、体系操作及特征等因素。功效安全合规性还有触及到另外一个因素——繁杂的安全阐发，例如FMEDA中触及的安全阐发。图3显示了高度集成的部件怎样缩小电路板尺寸及器件数目，以和怎样简化体系的FMEDA。分立解决方案包罗更多器件，阐发时需更广泛地思量妨碍模式及妨碍率。另外一方面，FMEDA文档往往较少说起切合功效安全尺度的集成解决方案。例如，图3右边所示的MAX42500整合了左边三个自力部门的功效。作为SIL 3级器件，其FMEDA中已经提供lambda值，从而简化了体系FMEDA所需的阐发及计较。

图3. 分立解决方案与集成解决方案。

自身包罗诊断步伐，可自行检测随机硬件妨碍

按照IEC 61508开发的器件包罗特定SFF、λDU（未检测到的伤害妨碍率）及体系能力，患上益在片内诊断功效，与分歧规器件比拟，其靠得住性显著提高，尤其是于PFDavg及/或者PFH方面。这些诊断功效旨于尽可能削减部件开发时已经纳入思量，但却未被检测到的伤害妨碍，以切合SIL为方针。而对于在不具有此类诊断功效的部件，因为缺少检测及削减内部妨碍的机制，其所体现出的靠得住性猜测凡是较着更差。

咱们来看图4所示的MAX42500。该高度集成的器件具备多个模块及引脚，并配备诊断功效，可以或许辨认可能影响这些器件的随机硬件妨碍。于本系列的第一部门，咱们会商了电源监督器等高机能电压监控器怎样经由过程改善妨碍检测来帮忙提高功效安全合规性，进而加强体系完备性、PFH及SFF。一样，合规的器件机能更优，未检测到伤害妨碍的几率也更低。

图4. MAX42500的(a)功效框图及(b)诊断功效。

图5展示了一个旨于切合IEC 61508尺度的安全相干体系内，安全功效的PFH要求典型预算分配环境。该图注解，假如诊断器件未检测到伤害妨碍的几率较低，不仅能提高体系的靠得住性，还有可以答应于其他体系器件之间更矫捷地分配PFH预算。

图5.PFH预算分配示例2。

满意行将发布的IEC 61508修订版本的要求

今朝，基本功效安全尺度IEC 61508:2010并未强迫要求基在非冗余体系的诊断举行诊断，也不强迫要求体系能力(SC)比诊断安全功效要求低一级3。可是，行将发布的尺度修订版本估计将引入多项庞大变动：

• 明确正告慎用片内诊断来检测统一芯片上的妨碍，除了非IC是根据IEC 61508开发的。

• 潜于妨碍指标要求与汽车ISO 26262尺度连结一致。

• 针对于诊断功效的特定SFF。

• 诊断电路的SC要求。

是以，利用根据IEC 61508开发的IC（例如MAX42500）更可以或许顺应将来成长，为这些潜于更新做好预备。

涵盖其他国度/地域的安全尺度及指令

体系设计职员假如但愿其产物可以于特定国度/地域利用，则必需确保遵守响应的法令及法例。各个国度/地域的安全法例不尽不异，很多国度/地域所采用的IEC 61508尺度均举行了当地化调解，例如Australia的AS 61508四、英国的BS EN 615085及加拿年夜的CSA 615086。跟着基本功效安全尺度的修订，相干行业特定尺度及国度/地域法令法例估计也会响应更新。

1.值患上留意的是，一些国度/地域，特别是于欧盟地域，强迫要求利用SIL级监督器。这源自《欧盟机械指令2006/42/EC》“利用建议”7，该建议要求单通道体系配备SIL级监督器。该指令划定，诊断功效妨碍可能会直接致使安全功效或者元件妨碍，是以应被视为安全功效或者元件自己的妨碍。此外，假如场景触及两个或者多个妨碍，且这些妨碍会引起与安全功效或者元件相干的临界状况，则应采用如下要领之一：将诊断功效视为零丁的功效，而且必需满意表1所示的尺度。

表1. 运用诊断功效的体系能力要求7

假如某诊断功效妨碍致使安全功效没法于需要时正常事情的几率增长，按照IEC 61508-4:2010第3.6.7条，应将其归类为伤害妨碍。假如某诊断功效妨碍致使直接进入安全状况，按照IEC 61508-4:2010第3.6.8条，应归类为安全妨碍7。

请参阅Tom Meany的博客文章“基在您的诊断举行诊断”，相识各个行业特定尺度怎样对待SIL级诊断。

简化了功效安全评估

假如运用的SIL等级要求更高，那末也需要包罗更强的自力性。如IEC 61508-1:2010表4及表5所示，功效安全评估所需的自力水平基在后果或者SIL/SC要求而变化，规模涵盖自力职员到自力构造。是以，最高自力水平要求由自力构造（例如外部评估机构）来验证功效安全合规性。这反过来夸大明晰解外部评估机构对于功效安全的见解的主要性。

咱们以TÜV SÜD及Exida为例，这是功效安全范畴公认的专业自力评估机构。前者暗示，总体安全功效的SIL要求也应合用在诊断8。一样，后者也夸大了根据切合IEC 61508的流程开发安全要害器件的主要性9。正如本系列第一部门所会商的，诊断是功效安全合规性的焦点，是以选择SIL级监督器不仅可以提高FS合规性，还有能缩短外部评估时间，从而加快认证历程。

结论

本文的重要目的是切磋于遵守功效安全尺度时，利用切合功效安全等级要求的监督器的主要性。起首，文章深切研究了IEC 61508尺度的基本要求，夸大了于合规部件的安全手册中提供器件FMEDA信息的主要性。第二，文章先容了集成SIL级电源监督器的上风，与分立解决方案比拟，这不仅可以或许减小电路板尺寸，还有可以简化安全阐发。第三，文章会商了SIL级诊断IC中的广泛片内诊断特征，相干功效可以年夜幅降低未检测到伤害妨碍的几率，和其对于整个体系PFH预算的影响。第四，文章论述了此类部件怎样可以或许使安全相干体系顺应将来成长，为行将发布的IEC 61508尺度修订版本做好预备。第五，文章将对于SIL级监督器的需求与列国家/地域遍及采用的基本功效安全尺度接洽起来，此中还有触及到行业特定尺度（如《机械指令》）。末了，文章谈到了知名功效安全评估机构对于IEC 61508尺度相干诊断的见解。

参考文献

1 IEC 61508 All Parts，“Functional Safety of Electrical/Electronic/Progra妹妹able Electronic Safety-Related Systems”。国际电工委员会，2010年。

2 Marvin Rausand。“Reliability of Safety Critical Systems:Theory and Applications”。John Wiley Sons，2014年1月。

3 Brian Condell。“利用SIL 2器件设计功效安全的SIL 3模仿输出模块”。ADI公司，2023年9月。

4 AS 61508 All Parts，“Functional Safety of Electrical/Electronic/Progra妹妹able Electronic Safety-Related Systems”。Australia尺度，2011年。

5 BS EN 61508 All Parts，“Functional Safety of Electrical/Electronic/Progra妹妹able Electronic Safety-Related Systems”。英国尺度文档，2010年

6 CSA C22.2 No. 61508 All Parts，“Functional Safety of Electrical/Electronic/Progra妹妹able Electronic Safety-Related Systems”。加拿年夜尺度委员会，2017年。

7 Coordination of Notified Bodies—Machinery Directive 2006/42/ EC—Reco妹妹endation for Use。2015年。

8 “Top Misunderstandings About Functional Safety”。TÜV SÜD，2024年。

9 John Yozallinas。“So What Does Interference-Free Mean?And Why Do We Care？”。Exida，2017年2月。

作者简介

Bryan Angelo Borre是一位电源运用高级工程师，于多市场Power-East事业部担当功效安全工程师。他与Tom Meany互助研究了多项功效安全举措，致力在帮忙客户设计切合IEC 61508等工业功效安全尺度的功效安全体系。他拥有玛布亚年夜学电力电子专业的研究生学位，今朝正于攻读电子工程硕士学位。Bryan于设计高效、稳健的电力电子体系方面拥有六年多的富厚经验。