Sådan opfylder du IEC 60335-strømforsyningskrav til husholdningsapparater og IoT-enheder

Udgivelsen af den nye IEC 60335-sikkerhedsstandard som svar på den stigende brug af intelligente apparater og IoT-enheder (Internet of Things) i hjemmet har medført nye udfordringer for designere i forbindelse med strømforsyninger. Den nyligt udgivne standard indeholder strenge krav til isolationsspændinger, krybe- og afstandsafstande og lækstrømme i AC/DC-strømforsyninger. Det er vanskeligt at designe kompakte og omkostningseffektive AC/DC-strømforsyninger, der opfylder de mange krav, og det er svært at gennemgå den nødvendige test- og godkendelsesproces, hvilket øger omkostningerne og forsinker markedsføringstiden.

For at øge udfordringerne ved konstruktionen forventes mange husholdningsapparater at blive brugt i miljøer, hvor der er fugt eller vand. AC/DC-strømforsyningskredsløb omfatter interne højspændingsstrømskinner, hvilket gør det vanskeligt at designe emballage, der er egnet til brug i fugtige eller våde miljøer.

For at imødegå disse udfordringer og samtidig overholde stramme tidsfrister og budgetter kan designere bruge indkapslede AC/DC-strømforsyninger, der allerede er IEC/EN/UL 62368-1-certificeret og er designet til at opfylde IEC/EN/UL 61558/60335-kravene til husholdningsanvendelser.

Denne artikel gennemgår de grundlæggende krav i IEC 60335-1, introducerer begrebet testning for flere samtidige fejl som krævet i IEC 60335 og behandler kort del 2 i IEC 60335. Derefter præsenteres flere AC/DC-strømforsyninger fra CUI, som designere kan bruge til at fremskynde designet af IEC 60335-kvalificerede smarte apparater og IoT-tilsluttede enheder samt kommercielt informationsteknologiudstyr (ITE).

Hvad er de grundlæggende krav i IEC 60335?

IEC 60335 dækker "sikkerhed af elektriske apparater til husholdningsbrug og lignende" med nominelle spændinger på op til 250 volt for enfasede apparater og op til 480 volt for flerfasede apparater. IEC 60335-1 indeholder de grundlæggende krav, der stilles til alle husholdningsapparater. Blandt de udfordringer, som designerne står over for, er at forstå, hvordan IEC 60335-1 er sammenlignet med den tidligere etablerede sikkerhedsstandard IEC 60950-1 for ITE. Der er forskelle og ligheder i forbindelse med maksimale lækstrømsniveauer, isolationsspændinger og krybe- og afstandsafstande.

Under normal drift, når der er en jordforbindelse, løber der lækstrøm i chassiset eller beskyttelsesjordlederen. Hvis jordforbindelsen afbrydes af en eller anden grund, kan lækstrømmen løbe gennem kroppen på enhver person, der betjener udstyret, hvilket udgør en potentiel fare. IEC 60335-1 skelner mellem to kategorier af udstyr: Bærbart og stationært udstyr. IEC 60950-1 omfatter tre kategorier af udstyr: håndholdt, bærbar og stationært udstyr. Bærbare enheder i IEC 60335 er begrænset til 0,75 milliampere (mA) læk-strøm, hvilket er det samme som håndholdte enheder i IEC 60950-1. Bærbare og stationære enheder er begrænset til 3,5 mA lækstrøm i IEC 60950-1, hvilket er det samme niveau som det, der er fastsat for stationære apparater i IEC 60335-1.

Kravene til isolationsspænding er også underlagt forskellige definitioner i de to standarder. Det krævede isolationsniveau afhænger af placeringen i kredsløbet: indgang til udgang, udgang til jord eller indgang til jord. IEC 60950-1 indeholder blot faste værdier som f.eks. 3 kilovolt (kV) isolation mellem indgang og udgang. IEC 60335-1 varierer kravet til isolering af ind- og udgangsstrømmene på grundlag af arbejdsspændingen: Det er angivet som 2,4 kV plus 2,4 gange arbejdsspændingen. I tilfælde af isolering fra udgang til jord har IEC 60335-1 ingen krav, mens IEC 60950-1 specificerer 500 volt isolering.

Variationerne er også tydelige i den måde, hvorpå de to standarder behandler krybe- og frihøjdeafstande. Mens begge standarder er baseret på arbejdsspændingen og isoleringstypen (basis eller forstærket) for at definere krybe- og luftrum, kan kravene være de samme, strengere eller mere lempelige, når IEC 60950-1 og IEC 60335-1 sammenlignes.

Den korteste afstand mellem to ledende dele langs en overflade defineres som krybning (figur 1). Når arbejdsspændingen er mellem 250 og 300 volt, er IEC 60335-1 mere restriktiv og kræver 8,0 millimeter (mm) krybespænding for forstærket isolering, mens IEC 60950-1 kræver 6,4 mm krybespænding. Hvis arbejdsspændingen er mellem 200 og 250 volt, kræver begge standarder 5,0 mm krybbeafstand.

Figur 1: Krybeafstanden måles på overfladen af isoleringen. (Billedkilde: CUI)

Afstanden mellem to ledende dele gennem luften er afstanden mellem to ledende dele (figur 2). Kravet til afstanden i IEC 60335-1 er kun 3,5 mm, mens IEC 60950-1 er mere restriktiv og kræver 4,0 mm ved forstærket isolering og en arbejdsspænding på mellem 150 og 300 volt.

Figur 2: Den frie afstand måles gennem luften. (Billedkilde: CUI)

IEC 60335 kræver også, at apparaterne skal opfylde kravene til beskyttelse mod indtrængen (IP) som defineret i IEC 60529. IP-klassificeringen er baseret på det miljø, hvor apparatet anvendes. Mange husholdningsapparater forventes at fungere sikkert i nærvær af fugt eller vand. IEC 60529 definerer specifikke beskyttelsesniveauer, der er nødvendige afhængigt af apparatets klassificering.

Ud over det grundlæggende

De smarte apparater og IoT-tilsluttede enheder, som udgør nutidens smarte hjem, er langt mere sofistikerede end traditionelle apparater. De omfatter ofte touch screen-skærme, software-interfaces, digitale kontroller, trådløs og/eller kablet internetprotokol (IP)-tilslutning og andre funktioner (figur 3). På grund af denne ekstra kompleksitet dækker IEC 60335 muligheden for, at to fejl opstår samtidig, ikke kun enkeltpunkts fejl. Dette står i modsætning til sikkerhedsstandarden IEC 60950-1, som kun sikrer sikker drift efter enkeltfejl.

Figur 3: Eksempler på intelligente apparater omfatter køleskabe med højopløsningsskærme og IP-forbindelse (til venstre) og brødristere med LCD-touchscreen-kontrol (til højre). (Billedkilde: CUI)

IEC 60335-1 tager højde for kombinationer af to hardwarefejl eller en kombination af hardware- og softwarefejl. Disse tests kan være særligt vigtige for effektelektroniske enheder, der ofte omfatter en form for digital styring eller overvågning. Mange konstruktioner omfatter det, som IEC 60335-1 betegner som "beskyttelseselektronikkredsløb" (PEC). Begrebet PEC i IEC 60335 går ud over hardware og omfatter forskellige softwarefunktioner som f.eks. software til fejlfinding. Standarden kræver, at udstyret opretholder sikker drift, når en PEC-fejl opstår efter en anden fejl, f.eks. en fejl i basisisolationen, samt når en PEC-fejl opstår før en anden fejl. Systemet skal forblive sikkert.

Kravet om flere fejl omfatter også specifikationer for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). IEC 60335 kræver, at der udføres EMC-test, efter at PEC'en er blevet ødelagt. F.eks. er overspændingsafvisere på AC-indgangen frakoblet. Denne test omfatter den interne strømforsyning for at sikre, at den ikke kommer i en usikker driftstilstand som følge af elektromagnetisk interferens (EMI) efter en fejl i PEC'en.

IEC 60355 kræver, at firmware- eller softwarekontroller fungerer sikkert med EMI under enkeltfejlbetingelser, f.eks. en PEC-fejl. Ud over systemkontrollen gælder dette krav for individuelle AC/DC-strømforsyninger, DC/DC-konvertere og motordrivere med digital kontrol. Disse anordninger skal afprøves i systemet for at opfylde dette krav.

Den anden del af IEC 60355

I modsætning til IEC 60950 består IEC 60335 af to dele. Del 2 (IEC 60335-2) indeholder apparatspecifikke krav, der dækker over 100 forskellige apparattyper, lige fra brødristere til klimaanlæg. Designere bør gøre sig bekendt med del 2, som den gælder for design af specifikke apparater. Når det er specificeret, har kravene i del 2 forrang for de grundlæggende krav i del 1.

Del 1 og 2 behandles forskelligt i USA og Europa. UL 60335-1 i USA er harmoniseret med IEC 60335-1, men UL-standarden anerkender ikke alle del 2-standarderne. I Europa er EN 60335-1 også blevet harmoniseret med IEC 60335-1, og i modsætning til UL-standarden anerkender EN-standarden næsten alle del 2-standarderne for specifikke produkter.

Design til at opfylde 60335

For at forenkle designet af strømforsyningsdelen og samtidig opfylde 60335-kravene kan designere af smarte apparater, IoT-tilsluttede enheder og kommercielle ITE-moduler bruge færdigpakkede moduler for at forenkle designet af strømforsyningsdelen. F.eks. er PSK-serien af indkapslede AC/DC-strømforsyninger fra CUI certificeret efter IEC/EN/UL 62368-1 og designet til at opfylde IEC/EN/UL 61558/60335 til husholdningsbrug. Disse strømforsyninger tilbydes i effektniveauer fra 2 til 60 watt med op til 90 % effektivitet og fås i en række forskellige monteringsformer, herunder boardmontering, chassismontering eller DIN-skinne (Figur 4).

Figur 4: CUI's PSK-serie af indkapslede AC/DC-strømforsyninger fås i monteringsvarianter til printkort (nederst til højre), chassis (nederst til venstre) og DIN-skinne (øverst). (Billedkilde: CUI)

Eksempler på PSK-seriens strømforsyninger omfatter:

• PSK-10D-12-T, som fungerer over et bredt inputområde på 85 til 305 volt AC eller 100 til 430 volt DC, og udsender 12 volt DC ved op til 10 watt i en chassismonteret pakke.
• PSK-S2C-24 har et inputområde på 85 til 305 volt AC eller 120 til 430 volt DC og leverer op til 2 watt ved 24 volt DC i en printkortmonteret pakke.
• PSK-20D-12-DIN leverer 20 watt ved 12 volt DC og har et inputområde på 85 til 305 volt AC eller 100 til 430 volt DC i en DIN-skinnepakke.

PSK-seriens AC/DC-strømforsyninger har 4 kV AC-indgangs-til-udgangsisolation, har brede indgangsspændingsområder og et bredt driftstemperaturområde fra -40 til +70 °C, med nogle modeller op til 85 °C. Serien tilbyder også enkeltstående udgangsspændinger på 3,3, 5, 9, 12, 15 og 24 volt DC sammen med overstrøms-, overspændings- og kontinuerlig kortslutningsbeskyttelse.

Når du arbejder med modulerne, er der nogle ting, du skal være opmærksom på. Nogle eksterne komponenter er nødvendige til beskyttelse og filtrering samt til at opfylde kravene til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Mange af disse oplysninger findes i de medfølgende datablade.

For eksempel er der i CUI's PSK-10D-12-T applikationsdesignreference en 2 A/300 volt langsomt blæsende sikring på forhånd sammen med en metaloxidvaristor (MOV) (Figur 5).

Figur 5: Et referencedesign for PSK-10D-12-T viser placeringen af komponenter til beskyttelse af indgang og filtrering af udgang (øverst) og deres respektive værdier (nederst). (Billedkilde: CUI)

Udgangsfiltreringen sker ved hjælp af en højfrekvenselektrolytkondensator (C2) og en keramisk kondensator (C1). Det er vigtigt, at C2 har en lav ækvivalent seriemodstand (ESR) og har mindst 20 % margin på den nominelle udgangsspænding. Placering af en TVS-diode (transient voltage suppression) lige før belastningen vil hjælpe med at beskytte elektronikken i det (usandsynlige) tilfælde af konverterfejl.

For at sikre EMC-overholdelse foreslår CUI, at der tilføjes en modstand (R1) på 6,8 ohm (Ω) og 3 watt lige før AC-indgangen til modulet (Figur 6).

Figur 6: For at sikre EMC-beskyttelse skal R1 tilføjes ved AC-indgangen som vist. (Billedkilde: CUI)

Konklusion

I takt med at antallet af smart hjemme-enheder og IoT-tilsluttede enheder fortsætter med at stige, skal designere forstå konsekvenserne af IEC 60335-sikkerhedsstandarden og dens forhold til IEC 60950. Standarden har direkte indflydelse på, hvordan strømforsyninger konstrueres og kvalificeres til disse applikationer, hvilket skaber visse designbegrænsninger og komplekse lag af kompleksitet.

For at løse disse komplekse problemer kan designere anvende indkapslede AC/DC strømforsyninger, der understøtter IEC 60335-kompatible løsninger. Disse højeffektive enheder med høj effekttæthed fås i en række forskellige indpakningsformer, herunder chassismontering, boardmontering og DIN-skinne. Som det fremgår, kan disse enheder ved at følge nogle grundlæggende, gode designmetoder reducere udviklingsomkostningerne og markedsføringstiden betydeligt.

Anbefalet læsning

1. En oversigt over IP-klassificeringer og vandtætte stik
2. Hvordan den enkle DIN-skinne løser problemet med modularitet, fleksibilitet og bekvemmelighed i industrielle systemer