一、项目需求（Step 1）
| 项目 | 要求 |
|---|---|
| 功能 | 两线制 4-20mA 温度变送器 |
| 防爆标志目标 | Ex ib IIC T4 Gb |
| 供电 | 隔离式安全栅，DC 24V 侧取电 |
| 环境 | 工厂 1 区，环境温度 −20~+60℃ |
DCS→隔离式安全栅（安全区）→电缆→变送器（危险区 1 区）的回路图，标注两侧参数位
二、架构与功率预算（Step 2）
安全栅输出能力设定（选用成熟认证产品作系统边界）： Uo = 15V，Io = 60mA，Po = 225mW（电阻限流型：15×60/4 = 225mW ✓ 自洽）。 1.5 倍加严后查 IIC 曲线 → Co ≈ 1µF 量级、Lo ≈ 数 mH（以产品铭牌为准，本例取 Co=980nF、Lo=3mH）。
变送器能量账： - 工作电流范围 4~22mA（留 2mA 裕量给报警），工作电压需求 ≥ 10V； - 设备自身最大耗散 ≈ 15V × 22mA ≈ 330mW（最坏点在满量程+上限电压交叠处）； - 剩余预算：225mW vs 330mW？——注意 Po 是电源能力上限，变送器实际取用点不超 Po 即可，功率账成立。
能量条形图：Po 225mW 池子 → MCU+ADC 120mW / 信号链 80mW / 传感激励 30mW，标注"4~22mA 电流域内自取"
三、电路设计与关键选型（Step 3）
变送器危险侧核心电路与本安直接相关的三部分：
1. 输入限能电路（对 Ui/Ii/Pi 负责） - 限压：本安端子对地并接 双并联齐纳钳位（ib 级分流安全组件，钳位标称 13V±5%，最坏 13.65V），保证 Ui = 14V； - 限流：两只 51Ω ±1% 膜式电阻分别串入 +/− 回路（既限流又防反接），故障态最大电流由安全栅 Io 限定； - Ui = 14V、Ii = 100mA（受内部走线与钳位通路能力约束）、Pi = 350mW。
2. 防反接（6.4）：串入二极管，故障分析计入开路失效。
3. 主电路：低功耗 MCU + 16bit ADC + 传感器激励电流源，全部器件工作电流纳入 4~22mA 电流域。
端子 → 51Ω×2 → 双并联齐纳对地 → 防反接二极管 → 主电路；标注 Ui/Ii/Pi 与各元件故障模型颜色：绿=可靠元件、黄=可失效
四、参数计算与曲线核对（Step 4）
变送器输出参数（对系统匹配负责的是 Ci/Li）： - Ci：钳位电容 2×10nF + 寄生 3nF = 23nF（统计口径，见第 7 篇）； - Li：信号回路无感性元件，走线寄生 ≈ 5µH。
系统匹配核对：
| 不等式 | 计算 | 判定 |
|---|---|---|
| Uo≤Ui | 15V ≤ 14V | ❌ 不通过！ |
发现问题：安全栅 Uo=15V 超过变送器 Ui=14V。两个整改方向： 1. 换 12.5V 档安全栅（Uo=13.2V，但功率预算要重算）； 2. 提高变送器钳位（三只串联齐纳：3×4.7V±5% → 最坏 14.8V，Ui=15V）。
取方案 2：Ui = 15V ≥ Uo=15V ✓（工程上建议再留裕量，选 15.9V 钳位）。修订后匹配表：
| 不等式 | 计算 | 判定 |
|---|---|---|
| Uo≤Ui | 15 ≤ 15.9 | ✓ |
| Io≤Ii | 60mA ≤ 100mA | ✓ |
| Po≤Pi | 225mW ≤ 350mW | ✓ |
| Co≥Ci+Cc | 980nF ≥ 23nF + 200pF/m×L | L≤4785m ✓ |
| Lo≥Li+Lc | 3mH ≥ 5µH + 1µH/m×L | L≤2995m ✓ |
允许电缆长度由 Co 触顶 ≈ 4.7km——远超仪表常规需求，参数设计合理。
左半张"首次核对：Uo>Ui 红叉"，右半张"整改后五项全绿"，中间箭头标注钳位方案修改
五、结构与间距（Step 5）
- 端子排：本安端子（蓝色标识）与电源侧隔离，对接线端子间电气间隙按最坏工作电压（Ui=15.9V 对应表 5 值）留足；
- PCB：齐纳管与限流电阻的隔离带按附录 F 印制板间距要求布局；MCU 晶振等储能元件纳入 Ci 统计；
- 外壳：非金属外壳满足 GB/T 3836.1 静电要求，IP65 适应现场。
六、降额与故障分析（Step 6）
逐元件降额抽查（ib：正常+1 故障）：
| 元件 | 故障态工况 | 核算 | 判定 |
|---|---|---|---|
| 钳位齐纳管（单只） | Ui 故障注入 15V，Iz=15V/(2×50Ω)=150mA，P≈13.65V×150mA/2只≈1.02W/只 | 选 1.5W 齐纳：1.02 ≤ 2/3×1.5=1.0W | ✓（临界，改 3W 规格） |
| 限流电阻 51Ω | 全压 15.9V 加在单只上（另一只短路）：P=15.9²/50.5≈5.0W | 单只不可能过 → 三只串联×2路分摊 | 改型后 ✓ |
| 防反接二极管 | 最大正向电流 60mA，反向电压 15.9V | 选 100V/0.5A 二极管 | ✓ |
故障叠加（ib=1 个故障）：任一齐纳管开路 → 另一只仍钳位；任一限流电阻短路 → 其余串联电阻+安全栅限流仍有效；故障后各元件均在 2/3 额定内 → 分析通过。
左侧元件降额表格（本节表格可视化），右侧 F1~F4 故障矩阵，全部格子绿色通过
七、文件与试验（Step 7）
- 按 13 章整理评定文件：电路说明、参数表（Ui 15.9V/Ii 100mA/Pi 350mW/Ci 23nF/Li 5µH）、公差、故障分析报告；
- 型式试验：火花点燃试验（ib：正常+1 故障点接入火花试验装置，IIC 氢气混合物）、温度试验（最坏 T4≤135℃ 验证）、介电强度试验。
本篇小结
- 七步走完一遍，第 4 步参数匹配抓出了 Uo>Ui 的真问题——计算不是走形式；
- 齐纳钳位值=标称×容差上限逐只累加，Ui 要比 Uo 有裕量；
- 限流电阻三只串联是降额与故障分析双赢；临界降额（1.02W vs 1.0W）要果断升规格；
- Ci/Li 别漏寄生参数；允许电缆长度常由 Co 触顶。
下期预告：第 9 篇《案例二：矿用本安电源设计》——I 类 ib Mb 隔离本安电源，功率上一个台阶，看电子限流、可靠变压器和三重化保护怎么协同。
参考资料 1. GB/T 3836.4-2021 附录 A、第 5~9 章、第 13 章 2. GB/T 3836.1-2021 第 26 章（型式试验）
免责声明：本案例为教学演示，数值为示例设定，实际项目请以真实认证产品参数与正式评定为准。
