Sådan designes beskyttelseskredsløb, der er kompatible med den nye AV/ICT-standard IEC 62368-1

Med tiden er grænserne mellem audiovisuel (AV) og informations- og kommunikationsteknologi (IKT) blevet mere og mere slørede (multimedieprodukter til hjemmebrug som f.eks. smart-tv er et eksempel). Derudover har ingeniører bevæget sig i retning af en Hazards Based Safety Engineering (HBSE) tilgang, når de designer beskyttelse af elektriske produkter. Disse tendenser påvirkede de standarder, der er udformet til at beskytte personer, der installerer, vedligeholder og bruger sådant udstyr, og gjorde dem forældede - sammen med meget af den tekniske hardware, der anvendes til at sikre, at AV- og ikt-produkter overholdes.

For at foregribe denne mulighed udviklede IEC en enkelt ny standard, IEC 62368-1 (Udstyr til informations- og kommunikationsteknologi - Del 1: Sikkerhedskrav). Denne nye standard erstatter to ældre standarder (IEC 60950-1 og IEC 60065) med en standard der dækker både IKT- og AV-udstyr samt produkter såsom IoT-enheder (Internet of Things) og batteridrevne elektroniske apparater, der fungerer op til 600 volt. Standarden blev implementeret i december 2020 og anvender en HBSE-tilgang.

Denne artikel introducerer IEC 62368-1 og viser, at selv om den kan virke mere kompleks end de tidligere separate standarder, forenkler den tingene og muliggør højere niveauer af sikkerhed og designfleksibilitet. Artiklen vil også introducere og beskrive brugen af kommercielt tilgængelige elektriske beskyttelsesprodukter fra Littelfuse der kan bruges til at gøre det lettere at designe produkter og undersystemer, der opfylder kravene til overspænding samt overspænding for hver kategori, der er omfattet af IEC 62368-1.

Hvad er IEC 62368-1?

IEC 62368-1 blev vedtaget for at erstatte ældre standarder med en standard, der definerer kredsløbsbeskyttelse for sikkerheden af elektrisk og elektronisk ikt-, AV- og IoT-udstyr med en nominel spænding på højst 600 volt (figur 1). Designet til at beskytte personer, der installerer, vedligeholder og bruger sådant udstyr, afspejler standarden også den HBSE-tilgangsmetode, som ingeniører nu tager til sikkerhedsteknik. HBSE erstatter den tidligere præskriptive tekniske fremgangsmåde - som fastlagde et sæt regler, som beskyttelseskredsløb skal overholde - med en, der tager hensyn til de farer, som et produkt sandsynligvis vil blive udsat for. Resultatet er sikkerhedskredsløb, der beskytter brugeren, selvom produktet svigter, når det udsættes for en af de identificerede farer.

Figur 1: IEC 62368-1 erstatter de ældre IEC 60951-1 og IEC 60065 sikkerhedsstandarder med en, der dækker ICT, AV og andre produkter såsom IoT og batteridrevne elektroniske enheder. (Billedkilde: Littelfuse)

IEC 62368-1 gælder ikke kun for slutbrugerproduktet, men også for komponenter og delsystemer (såsom strømforsyninger), som det er fremstillet af. I en uspecificeret periode giver den nye standard midlertidigt mulighed for genbrug af design og underenheder, der var i overensstemmelse med de ældre standarder. Ingeniører forventes at vedtage den nye standard for vigtige markeder som Nordamerika, Storbritannien, Japan og Australien/New Zealand.

Kredsløbsbeskyttelse for mennesker

IEC 62383-1-overensstemmelse kræver, at en ingeniør anvender en HBSE-metodologi. Dette betyder:

• Identifikation af de energikilder (ES'er), der anvendes af produktet
• Måling af energiniveauet fra disse kilder
• Bestemmelse af, om energien fra kilderne er farlig
• Klassificering af fareniveauet
• Identifikation af, om faren kan forårsage personskade eller brand
• Fastlæggelse af passende beskyttelsesordninger med henblik på:
  • Beskytte personer mod smerter og skader fra de klassificerede farer
  • Reducer sandsynligheden for personskade eller tingsskade på grund af brand som følge af en fejl i udstyret
• Måling af disse beskyttelsesforanstaltningers effektivitet

Standarden indeholder tre klasser af ES'er. En klasse 1 ES (ES1) forbliver under klasse 1-grænser under normale driftsforhold, unormale forhold eller i tilfælde af en enkelt fejl. Den tilstedeværende energi kunne detekteres af en person, men ville ikke være smertefuld og ville være utilstrækkelig til at forårsage antændelse. Der kræves ingen sikkerhedsforanstaltninger for at beskytte almindelige brugere mod klasse 1 ES'er.

Energiniveauer i klasse 2 ES (ES2) overstiger klasse 1-grænser, men forbliver under klasse 2-grænser under normale, unormale eller enkeltfejlede driftsforhold for produktet. Den tilstedeværende energi kan være tilstrækkelig til at forårsage smerte, men det er usandsynligt at forårsage skade. Den tilstedeværende energi kunne være nok til at forårsage antændelse under nogle betingelser. Der kræves mindst én sikkerhedsforanstaltning for at beskytte almindelige brugere mod klasse 2 energikilder.

En klasse 3 ES (ES3) er den farligste. Dens energi overstiger klasse 2-maksimumsgrænsen under normale, unormale eller enkel fejlbetingelser og kan forårsage personskade eller antændelse og spredning af brand. Den type skade, der er forårsaget af en ES3, kan medføre hjerteflimmer, hjerte-/åndedrætsstop eller forbrændinger af hud og/eller indre organer. Der kræves en dobbelt eller forstærket sikkerhedsforanstaltning for at beskytte almindelige brugere mod en ES3.

Den nye standard fastsætter navnlig, at overspændingen kan modstå tærskler og krav til overspændingsbeskyttelse for de forskellige kategorier, der dækker forskellige produkttyper, og hvor de anvendes.

Det er vigtigt for designeren at forstå, at de aktuelle strøm- og spændingsgrænser, der gælder for ES1, ES2 og ES3, varierer. F.eks. er spændingsgrænsekravene påvirket af strømforsyningens driftsfrekvens. For spændinger fra en forsyning, der fungerer under 1 kilohertz (kHz), er ES1-grænsen 30 volt _rms, 42,4 volt _peak og 60 volt DC. ES2-grænsen er 50 V_rms, 70,7 volt _peak og 120 V DC.

Udstyr skal overholde enten spændingsgrænsen eller den nuværende grænse specificeret i den gældende energiklasse, men behøver ikke at overholde begge. Grænserne varierer også afhængigt af normal eller unormal drift eller en enkelt fejltilstand. Disse grænser er beskrevet i punkt 5 i standarden. Der er også underklausuler, der dækker ting som grænser for pulsbølgeformer i henhold til off-time.

Kredsløbsbeskyttelse for udstyr

Beskyttelse af mennesker er det primære anliggende for enhver producent af udstyr, men beskyttelse af slutproduktet mod skader fra spænding og strømspidser er også et stort anliggende. IEC 62368-1 bygger videre på de to ældre standarder og specificerer mindstekrav til udstyrs modstandsevne for at sikre immunitet mod forbigående overspændinger og overstrømme.

Standarden definerer tre “overspændingskategorier” (I, II og III) for udstyr i husholdningen. Udstyr på husholdning er i overspændings kategori-IV.

Kategori I er specifikt for udstyr, der ikke er tilsluttet elnettet (f.eks. batteridrevne bærbare enheder), mens kategori II er for IKT- og AV-udstyr, der kan tilsluttes elnettet. Kategori-III er for systemer, der udgør en del af bygningsinfrastrukturen, såsom fordelingskort, afbrydere, ledninger, koblingskasser, afbrydere, stikkontakter og udstyr til industrier.

Kategori-II omfatter generelt udstyrskonstruktioner, der er baseret på 120 eller 230 volt AC eller i et område som 100 til 250 volt AC-forsyninger. Standarden definerer, at sådant udstyr skal have en minimal transient spidsspænding, der kan modstå niveauer på 1,5 kilovolt (kV) for en 120-volts AC-forsyning og 2,5 kV for en 230-volts AC-forsyning (figur 2).

Figur 2: IEC 62368-1 specificerer forskellige overspændingskategorier afhængigt af hvor slutproduktet benyttes. Kategori I, II og III er for produkter, der anvendes i husholdningen, mens kategori-IV omfatter produkter, der anvendes på distributions siden. (Billedkilde: Littelfuse)

Kredsløbsdesign, der opfylder kravene til overspændingsbeskyttelse i IEC 62368-1

Konstruktion af kredsløb, der opfylder standardens krav til beskyttelse mod forbigående overspænding og overstrømshændelser, er ikke vanskeligt. Nøglen er at aflede den forbigående spike væk fra det følsomme udstyr ved at have en alternativ ledningsbane. Der er to anbefalede teknikker afhængigt af, om strømforsyningen anvender differentialtilstand eller differential- og fællestilstandsskema (figur 3A og B).

Figur 3: Transient spænding og strømbeskyttelse til IEC 62368-1 Kategori II omfatter differentieret tilstand (A, øverst) eller differentieret og fælles tilstandsplaner (B, nederst). (Billedkilde: Littelfuse)

I differentialtilstandsskemaet (3A) opnås beskyttelse ved hjælp af en sikring (I) til beskyttelse mod overstrømshændelser sammen med en termisk beskyttet metaloxidvaristor (TMOV) (II). TMOV'en består af to elementer, en termisk aktiveret anordning, der er designet til at åbne i tilfælde af overophedning, pga. unormale overspænding, og en MOV. Under normal drift, har MOV;en meget høj modstand, så normal operationelle spændinger kan strømme igennem kredsløbet. Ved højere spændinger, såsom en forbigående en spike har MOV'en lav modstand som forhindre (kortslutter) strømmen fra at strømme igennem til slutproduktet.

Differential- og fællestilstandsskemaet gør også brug af sikringen og TMOV'er på tværs af strømførende og neutrale ledninger samt yderligere to MOV'er og et gasudladningsrør (GDT). Som vist i figur 3B tilføjes MOV'erne på tværs af strømførende og jordbaserede linjer samt neutrale og jordbaserede linjer i serie med GDT. Under normal drift har GDTs høj isolationsmodstand samt lav kapacitans og lækage. Når den udsættes for højspændingstransienter, forvandles den lukkede gas imidlertid til plasma og leder spændingen væk fra slutproduktet.

TMOV muligheden anbefales (fordi den er udstyret med termisk beskyttelse og lav energigennemstrømnings- og clamping-spænding), men andre former for differentialmodusbeskyttelse kan overvejes, samtidig med at standarden overholdes. Eksempler herpå er en MOV, en beskyttelsestyristor sammen med en MOV (især for produkter såsom modemer) eller en TV-diode. For common-mode beskyttelse, MOV'er sammen med GDT beskyttelse er den eneste tilladte løsning.

Hvor tingene bliver lidt vanskeligere for ingeniøren er under komponentvalg. Enheder skal opfylde de beskyttelseskriterier, der er defineret i IEC 62368-1, for at slutproduktet kan overholde standarden.

Sikringen (I) bruges til at forhindre beskadigelse af følsomme kredsløb under overstrømshændelser (og til at hjælpe slutproduktet med at bestå fejltest). Når man overvejer sikringen, skal designeren overveje en komponent, der:

• Undgår generende fejludløsning
  • For eksempel må den ikke åbne under normal drift eller åbne under overspændingsprøvning
• Har en spændingsklasse over systemets normale driftsspænding
• Afbryder sikkert den ved maksimale fejlstrøm
• Passer til den ledige plads
• Opfylder de krævede tredjepartscertifikater (for eksempel IEC og UL)

Gode muligheder for et 240 volt AC kategori II produkt er 0215008.MRET1SPP 8 amp (A) enhed eller 0215012.MRET1P 12 A-model, begge fra Littelfuses 215-serie. 215-serien er en 20 x 5 millimeter (mm) tidsforsinkelse, der kan modstå overspændinger, og som er designet til at overholde IEC-specifikationerne, samtidig med at den yder individuel beskyttelse af komponenter eller interne kredsløb.

Et nøglekrav til en sikring i denne applikation er, at dens afbrydelseskapacitet skal opfylde eller overstige kredsløbets maksimale fejlstrøm. Ellers vil enheden ikke fungere korrekt, og der er risiko for, at der fortsat vil strømme skadelig strøm i kredsløbet, når sikringen burde have være åbnet. 215-seriens sikringer har en høj afbrydelsesklassificering på 1,5 kV ved 250 volt AC.

Når TMOV( II) vælges (vist i kredsløbene illustreret i figur 3A og B), skal designeren tage følgende retningslinjer i betragtning:

• TMOV'en skal overholde en standard for varistorkomponenter, såsom IEC 61051-1 eller IEC 61643-331
• Den maksimale kontinuerlige driftsspænding (MCOV) er ≥ 1,25 x udstyrets nominelle spænding
  • For en 240-volts AC-forsyning skal komponentens MCOV f.eks. være mindst 300 volt
• TMOV'en skal kunne modstå flere slag (som defineret af 2.3.6 i IEC 61051-2 eller 8.1.1 i IEC 61643-331)
  • For eksempel til en 240 volt AC-strømforsyning skal TMOV'en kunne modstå 10 impulser på 2,5 kV/1,25 kiloamps (kA) kombinationsbølge på 1,2/50 mikrosekund (μs) spænding og 8/20 μs strøm
• Komponenten skal bestå standardens varistor-overbelastningstest
  • For en 240-volts AC-forsyning skal prøvningen f.eks. anvende 2 x nominel spænding (480 volt) med en seriemodstand (R) på 3,84 kg (kΩ) (for efterfølgende prøvninger halveres R-værdien, indtil kredsløbet åbner) (figur 4)).

Figur 4: Skematisk overbelastningstest. Beskyttelseskomponenten skal udsættes for 2 x nominel spændingsoverbelastning, og prøvningen gentages med trinvis halverede værdier af R1, indtil kredsløbet åbner. (Billedkilde: Littelfuse)

Littelfuses TMOV14RP300EL2T7 enheden er en god kandidat til denne applikation. Enheden har en MCOV på 300 volt (der opfylder standardkrav til en 240 volts AC-forsyning) med en diameter på 14 millimeter (mm) og en tilstrækkelig kropsstørrelse til at opfylde kravet om flere slag. Da TMOV'en 14RP300EL2T7 er termisk beskyttet, er dennes MCOV på 300 volt tilstrækkelig til at bestå varistor-overbelastningstesten. For en yderligere sikkerhedsfaktor bør en ikke-termisk beskyttet MOV have en MCOV på 420 volt eller højere. TMOV'en kan modstå en enkelt peak overspænding strøm (<20 µs) på op til 6 kA. Figur 5 illustrerer overspændingskapacitet for gentagne overspændinger og overspændingsvarighed.

Figur 5: Gentagende bølgeevne for Littelfuse 14 mm MOV. Enheden kan modstå en enkelt peak overspænding strøm (<20 µs) på op til 6 kA. (Billedkilde: Littelfuse)

Kravene til MOV'en og GDT'en, der anvendes til fælles tilstandsbeskyttelse, er også dikteret af IEC 61051-1- eller IEC 61643-331-komponentstandarden. Overholdelse af denne standard gør det muligt for underenheder, der er bygget af kompatible komponenter, til gengæld at overholde IEC 62368-1. I dette tilfælde skal MOV'en opfylde de samme MCOV- og overspændingskrav som angivet for TMOV'en ovenfor, men fordi de to enheder bruges i forbindelse med en GDT, udføres overbelastningstestene på det kombinerede beskyttelseskredsløb i stedet for MOV'en alene.

Littelfuses V10E300P MOV passer til regningen. Denne komponent har en MCOV på 300 volt og en diameter på 10 mm, hvilket gør den robust nok til at opfylde standardens krav om flere slag. Det kan modstå en peak overspænding strøm på op til 3,5 kA. For at opfylde kravene i standarden skal GDT'en bestå en elektrisk styrketest på 2,5 kV samt modstå spænding og opfylde kravene til frigang og krybning.

Littelfuses CG33.0LTR GDT er en mulighed for denne applikation. Dette er en to-elektrode, højspændingsenhed designet til overspændingsbeskyttelse og højisoleringsapplikationer. GDT'en har en isolationsmodstand på 10 gigaohms (GΩ) ved 100 volt, og en kapacitans på <1,5 picofarads (pf). Det har en nedbrudsspænding på 4,6 kV og kan modstå en maksimal overspænding strøm på 10 kA.

Kombinationen af to V10E300P MOV'er og en enkelt CG33.0LTR GDT er i stand til at opfylde den overbelastningstest, der er skitseret, da TMOV-beskyttelseskredsløbet blev beskrevet ovenfor.

Konklusion

IEC 62368-1 introducerer en enkelt standard for kredsløbsbeskyttelse af produkter, der drives fra op til 600 volt forsyning, hvor der tidligere blev anvendt separate standarder for ICT og AV. Det formaliserer også kredsløbsbeskyttelse for produkter, der ikke er dækket af den gamle standard, såsom IoT og batteridrevne enheder. Selvom ingeniører, der kender de gamle standarder, bliver nødt til at ændre deres designtilgang, forenkler IEEE 62368-1 kredsløbsbeskyttelsesteknik og muliggør højere niveauer af sikkerhed og designfleksibilitet. Derudover tilbyder producenter af beskyttelseskomponenter såsom Littelfuse enheder og rådgivning, der gør det nemmere at designe kredsløb, der opfylder den nye standard.