Den rette strømforsyning er kritisk for at imødekomme det nye IEC/UL IEC-62368 forbrugerproduktsikkerhedsmandat

Forbrugerproduktdesignere skal opfylde en række sikkerhedsrelaterede krav foruden mange mål for funktionalitet og ydeevne samt pålæg vedrørende effektivitet og elektromagnetisk interferens (EMI). Disse lovmæssige krav er komplekse, men en ny standard – IEC 62368-1-sikkerhedsstandarden for informations- og kommunikationsteknologi (ICT) samt A/V-udstyr (audio/video) – kan være en hjælp for designerne, men kun hvis de forstår dens formål og krav.

I skrivende stund er der to almindeligt udbredte standarder, der aktuelt dækker disse områder: IEC 60950‑1, Informationsteknologisk udstyr – Sikkerhed, og IEC 60065, Audio-, video- og lignende elektroniske apparater – Sikkerhedskrav. Den 20. december 2020 trækkes disse tilbage og erstattes af IEC 62368-1-standarden alene.

Den nye standard eliminerer ikke blot forskellene og sammenfaldene mellem de to produktklasser i de gamle standarder. Den transformerer hele måden at anskue sikkerhed på – fra en hændelsesbaseret til risikobaseret vurdering – og indeholder en tilsvarende ændring af kravene, der skal tage hånd om eksisterende teknologier, men uden at det begrænser nye fremskridt.

I denne artikel diskuteres IEC 62368-1-standardens rolle og centrale punkter samt den betydning for designs. Dernæst fokuseres der på funktioner og undersystemer – specielt strømforsyninger – der spiller en vigtig rolle i forbindelse med overholdelsen af den nye standard. Afslutningsvis præsenteres strømforsyningsløsninger fra CUI Inc., som lever op til den nye standard, så ingeniører og teknikere nemmere kan få produkter godkendt og få dem hurtigere på markedet.

IEC 62368-1: Hvorfor og for hvilke produkter

For få årtier siden var der tydelige forskelle mellem A/V-produkter og IT-produkter (informationsteknologi), f.eks. computere. Som følge deraf havde hver af disse traditionelle produktklasser sin egen tilknyttede sikkerhedsstandard. Men med tiden har fremskridt og ændringer inden for teknologi og produkter udvisket grænsen mellem disse to produktgrupper, og der kom væsentligt flere sammenfald mellem dem. Som resultat deraf blev der behov for en ny, samlet sikkerhedsstandard som erstatning for de to enkeltstående standarder.

Den oprindelige version af IEC 62368-1 blev udviklet af International Electrotechnical Commission (IEC), som er et af verdens ældste standardiseringsorganer. I den forbindelse oprettede IEC arbejdsgruppen Technical Committee (TC) 108, som bestod af eksperter, akademikere og embedsmænd, hvis opgave var at udvikle en ny standard, der skulle erstatte IEC 60065 og IEC 60950-1 frem for blot at revidere og opdatere hver af disse to standarder (figur 1). Den standard, som derved blev udviklet af TC 108, blev da formelt vedtaget af IEC, og mange lande og områder "harmoniserede" med denne standard, heriblandt USA.

Figur 1: IEC 62368-1 er en helt ny sikkerhedsstandard med en fornyet tilgang, der indbefatter en bred vifte af forbruger- og kontorprodukter, men den har en vis udviklingshistorie og kontekst. (Billedkilde: Power Systems Design)

De mange produktklasser, der dækkes af IEC 62368-1, omfatter, men er ikke begrænset til, følgende:

• Computer- og netværksprodukter (servere, pc'er, routere, notebook/laptop-computere, tablets og deres strømforsyninger)
• Forbrugerelektronik (forstærkere, hjemmebiografsystemer, digitalkameraer og personlige musikafspillere)
• Skærme og skærmenheder (monitorer, tv'er og digitale projektorer)
• Telekommunikationsprodukter (netværksinfrastrukturudstyr, trådløse telefoner og mobiltelefoner samt lignende kommunikationsenheder, herunder batteridrevne enheder)
• Kontorudstyr (kopimaskiner og makulatorer)
• Diverse andre typer A/V-, informations- og kommunikationsteknologisk udstyr, der benyttes i private hjem, skoler og lignende institutioner og miljøer

IEC 62368-1 er ikke blot en simpel revision, der opdaterer og fletter sine to forgængere sammen. Den benytter derimod en helt ny risikobaseret tilgang til sikkerhed, formelt kendt som Hazard-Based Safety Engineering (HBSE), for at omfatte sikkerhedsspørgsmål relateret til både elektronisk udstyr og IT-/kommunikationsteknologi. Frem for at se på og definere detaljerede beskrivelser af sikkerhedskrav fremhæves der med den nye tilgang de risici, der kan forekomme, og samtidig giver den producenterne frihed til at beslutte, hvordan de vil designe beskyttelsen mod disse risici. Derfor lægger den større vægt på at evaluere et produkts sikkerhed i designfasen. Med anvendelsen af HBSE-principper har IEC 62368-1 disse attributter:

• Den er i højere grad orienteret mod ydeevne, og tillader (indtil videre) accepterede konstruktioner, hvis de tidligere er blevet bevist sikre (for eksempel i IEC 60065 og/eller IEC 60950-1)
• Den er uafhængig af teknologi (inden for definerede grænser) og giver større designmæssig frihed
• Den gælder for en bredere vifte af eksisterende elektroniske produkter, men støtter også fremkomsten af ny teknologi på det globale marked

Den 20. december 2020 trækkes IEC/UL/CSA 60950‐1 og IEC/UL/CSA 60065 formelt tilbage. Efter denne dato vil producenterne skulle leve op til IEC/UL 62368 for at sikre overholdelse, hvis de vil tilbyde produkter på markedet.

Bemærk, at der er en vigtig, men midlertidig bestemmelse om, at virksomheder må fortsætte med at bruge deres lager af 60950-1- eller 60065-dele i produkter, der er certificeret i henhold til 62368-1, i praksis en overgangsbestemmelse for disse lagerbeholdninger under visse omstændigheder og geografier. Mere specifikt står der i stk. 4.1.1: "Komponenter og underenheder, der overholder IEC 60950-1 eller IEC 60065, accepteres som dele af udstyr, der dækkes af denne standard, uden yderligere evaluering, foruden at der tages hensyn til den rette anvendelse af komponenten eller underenheden i slutproduktet." For en given strømforsyning kan dette "hensyn" være noget så enkelt som at sikre, at produktet kun bruges inden for sine fastlagte elektriske klassificeringer.

HBSE: Hvad det betyder

HBSE kræver, at produktproducenter demonstrerer, at de kendte farer er taget med i overvejelserne, og at produktet er blevet designet til at være sikkert at bruge i den forventede sammenhæng. Det vil med andre ord sige: I stedet for at der står "Du skal beskytte brugeren imod denne specifikke situation som f.eks. et kendt punkt med højspænding, som evt. kan afdækkes", så står der "Du skal vurdere de forskellige farer og behandle dem hensigtsmæssigt med afsæt i den enkelte faretype og det enkelte fareniveau".

Dermed flyttes fokus væk fra, at producenterne blot skal vise, at de angivne specifikationer er blevet overholdt. Bemærk, at den ikke kræver risikoanalyse, mens andre standarder stadig gør, f.eks. IEC 60601-1 - Elektromedicinsk udstyr - Del 1-2: Generelle krav til grundliggende sikkerhed og væsentlige funktionsegenskaber - Sideordnet standard: Elektromagnetiske forstyrrelser - Krav og prøvninger.

HBSE sætter som mål at beskytte brugere af udstyr ved at kræve, at producenterne identificerer alle potentielt farlige energikilder sammen med de mekanismer via hvilke den energi kunne overføres til en bruger. Dernæst skal de foreslå og implementere passende måder at forhindre, at sådanne overførsler sker – både under normal drift og under fejlforhold. Sikkerhedsforanstaltningerne er indført for at beskytte mod smerter eller kvæstelse forårsaget direkte af elektrisk energi (elektrisk stød) eller termisk forbrænding og/eller for at forhindre elektrisk opståede ildebrande, der kan medføre smerte, kvæstelse, dødsfald eller beskadigelse af ejendom. Endelig vurderer HBSE også sikkerhedsforanstaltningernes virkning.

HBSE-modellen omfatter tre blokke: energikilde, overførselsmekanisme og kropsdel (figur 2). "Løsningen" på den risiko, der udgøres af energikilden som fare, er udtrykt i den lignende model med tre blokke, men hvor der er implementeret en sikkerhedsforanstaltning for mekanismen til overførsel af energi.

Figur 2: Strategien for IEC 62368-1 er at identificere farlige energikilder og deres mulige baner til brugeren og dernæst at opsætte sikkerhedsforanstaltninger mod den energibane og -strøm. (Billedkilde: InComplianceMag.com)

IEC 62368-1 kræver også, at producenten tager højde for de niveauer af sikkerhedsforanstaltninger, der er nødvendige for forskellige typer brugere og energikilder, hvor der er tre kategorier for hver. For brugere er disse tre Fagperson ("Skilled Person"), Instrueret person ("Instructed Person") og Lægmand ("Ordinary Person"). Energikilder er klassificeret i henhold til en tabel, som er vist i en forenklet version i figur 3.

Figur 3: IEC 62368-1 opstiller tre fareklassifikationer for energikilder og definerer så, i hvilket omfang, om noget, der skal tilvejebringes sikkerhedsforanstaltninger for hver af disse. (Billedkilde: CUI)

De to trin-delinger af brugerniveau og energikilde danner tilsammen en matrix (figur 4).

Figur 4: For at finde frem til det niveau og den type sikkerhedsforanstaltning, der kræves for hver energikilde, kombinerer IEC 62368-1-standarden energikildens risiko med brugerens kompetenceniveau og ekspertise. (Billedkilde: SGS SA)

Brugere er udsat for mindre risiko, jo længere de bevæger sig nedad fra lægmand (ordinary person) til fagperson (skilled person), mens energikilder bliver mere farlige, jo mere energiklassen øges fra venstre mod højre. Så i henhold til standarden skal en lægmand, der anvender et Klasse 3-produkt (energikilde 3, eller ES3), have en yderligere eller forstærket sikkerhedsforanstaltning, f.eks. dobbelt isolering eller en særlig afskærmning, mens en fagperson, der anvender et ES3-produkt, ikke kræver samme niveau af beskyttelse.

IEC 62368-1 benytter en proces i fire trin:

• Først identificeres energikilderne
• Dernæst karakteriseres de som Klasse 1, 2 eller 3
• Så identificeres de rette sikkerhedsforanstaltninger
• Og til sidst måles effektiviteten af de valgte sikkerhedsforanstaltninger

Sikkerhedsforanstaltningerne er inddelt i to grupper – tilgange og niveauer – hvor "tilgange" angiver metode(r) for, hvordan sikkerhedsforanstaltningen fungerer, mens "niveauer" karakteriserer styrken af sikkerhedsforanstaltningen (figur 5).

Figur 5: IEC 62368-1 identificerer det passende niveau af sikkerhedsforanstaltninger, der behøves, og analyserer derefter tilgange til implementering. (Billedkilde: SGS SA)

Start med at se på energi

Energiniveauer er sammen med elektrisk spænding og strømstyrke afgørende for overholdelsen. Hvis energiniveauet er lavt (ES1), er der ikke den store eller slet ingen grund til bekymring. Bemærk, at de specifikke strøm- og spændingsgrænser, der svarer til ES1, ES2 og ES3, varierer, og at de også kan bestemmes ud fra frekvens. Eksempelvis er ES1-grænsen ved under 1 kilohertz (kHz) på 30 volt rms, 42,4 volt spids og 60 volt DC, mens ES2-grænsen er 50 volt rms, 70,7 volt spids og 120 volt DC.

For at gøre situationen mere kompliceret skal udstyret overholde enten spændingsgrænsen eller strømstyrkegrænsen, der er specificeret for den pågældende energiklasse, men det behøver ikke at overholde dem begge. Derudover varierer grænserne, der er defineret i standarden, også i forhold til normal eller unormal drift eller en enkelt fejltilstand. Der er endda underafsnit, der i detaljer beskriver grænserne på pulserende bølgeformer og deres off-tider (figur 6 og figur 7).

Figur 6: Da elektriske brande forårsages af en kombination af strøm og tid, ser IEC 62368-1-standarden på forholdet mellem disse to centrale parametre. (Billedkilde: CUI)

Figur 7: Standarden karakteriserer også de energiniveauer, der med sandsynlighed vil medføre elektrisk brand. (Billedkilde: CUI)

Hvad skal en designingeniør gøre?

Designere, som mener, at de forstår den nye standard og dermed nemt kan overholde den, passer ind i én af to grupper:

1. Personer, der har taget kurser eller gennemført uddannelse i relation til standarder eller allerede har arbejdet med eksisterende IEC-standarder, og som personligt har gennemgået godkendelsesprocessen.
2. Personer, der er naive og/eller dumdristige. Dette skyldes, at standarden opstiller et kompliceret sæt af sommetider forvirrende krav. Desuden omfatter det at identificere de mulige sikkerhedsforanstaltninger at træffe valg ud fra en lang liste. Det er ikke indlysende eller ubetydeligt at vide, hvilken af dem der skal anvendes hvor og hvordan.

De mulige sikkerhedsforanstaltninger, der skal overvejes omfatter, men er ikke begrænset til, beskyttelsesjording ("driftsjord"), el-kabinetter, brandhæmmende kabinetter samt isolering. Der er også monterede sikkerhedsforanstaltninger som f.eks. forbindelse til ekstern jord og instruktionsmæssige sikkerhedsforanstaltninger, herunder sikkerhedsafmærkning. Endelig er der forebyggende sikkerhedsforanstaltninger, som skal designes i tilfælde, hvor almindelige lægmandsbrugere vejledes af en fagperson, og endda såkaldte "kompetencebaserede" sikkerhedsforanstaltninger, der gør det muligt at sætte sin lid til en kompetent fagpersons evne til at beskytte sig selv mod de farer, der udgøres af Klasse 2- og Klasse 3-energikilder.

Fokuser først på energitilførslen

Det første spørgsmål, en designer skal stille sig selv, er: Hvad er den primære energikilde, som gør, at dette design er i risikoområdet? For mange af de produkter, der er omfattet af denne standard, er svaret indlysende: Det er AC-strømforsyningen. Hvis der vælges en strømforsyning, der overholder standarden, og den anvendes korrekt, forsvinder dermed en stor del af overholdelsesproblemet, og designudfordringen bliver væsentligt mindre.

Heldigvis har leverandører af strømforsyninger, som f.eks. CUI, studeret og analyseret den nye standard forud for dens ikrafttræden i december 2020, og de tilbyder dermed allerede et udvalg af AC-strømforsyninger, der overstiger kravene. Disse strømforsyninger omfatter alt fra enheder med relativt lav effekt (under 10 watt), til mellemklasseenheder og endda større strømforsyninger med en effekt på trecifrede watt-tal. Tre eksempler illustrerer udvalget af disse strømforsyninger og deres egenskaber.

CUI SWI6-9-N-P5 er en 9-volts, 6-watts plugtop AC/DC-adapter, som er en del af en familie af adaptere med udgangsspændinger fra 3,3 volt til 15 volt (figur 8). Den fungerer med 90 til 264 volt AC og overholder Department of Energys (DoE) Level VI-kravene til effektivitet med et tomgangsforbrug under 0,1 watt. Den har overspændingsbeskyttelse og kortslutningsbeskyttelse i et kompakt hus, der vejer 78 gram (2,75 oz) og måler 56 mm × 28 mm × 42 mm (2,2 × 1,1 × 1,65 tommer).

Figur 8: SWI6-9-N-P5 fra CUI Inc. er en 9-volts, 6-watts plugtop AC/DC-adapter, som fuldt ud overholder IEC 62368-1 til ekstern brug. (Billedkilde: CUI)

For højere spændinger og nominelle strømeffekter findes CUI SMI18-24-V-P5, der er en 24-volts, 18-watts plugtop adapter med stikadaptere med forskellige stikben, og som er en del af en familie af enheder på 5 til 24 volt (figur 9). Denne enhed overholder DoE Level VI, CoC Tier 2-kravene til effektivitet med et tomgangsforbrug under 0,075 watt og beskyttelse svarende til enheden på 6 watt. En unik egenskab ved denne 170 grams (6 oz) universalstrømforsyning på 75 × 35,8 × 65,6 mm (3 × 1,4 × 2,6 tommer) er, at den leveres med udskiftelige AC-stikben til brug i hele verden (Nordamerika, Europa, Storbritannien, Australien og Kina).

Figur 9: SMI18-24-V-P5 er en 24-volts, 18-watts plugtop adapter, der overholder IEC 62368-1, og som leveres med et sæt af adaptere med forskellige stikben, så den samme enhed kan bruges over hele verden. (Billedkilde: CUI)

Der er naturligvis mange anvendelsesområder, der fordrer højere nominel strømeffekt, som f.eks. kan leveres af CUI SDI120-12-U-P51 AC/DC-desktopadapteren. Den er klassificeret til 12 volt, 120 watt og er en del af familien af 12-volts til 48-volts adaptere med dette effektforbrug (figur 10). Den IEC 62368-1-klassificerede strømforsyning overholder DoE Level VI-effektivitetskravene (dens tomgangsforbrug ved 230 volt AC er 0,21 watt), og den har en effektfaktor over 0,9. Den har en vægt på 580 gram (20,4 oz) og en størrelse på 168,1 × 65,9 × 39 mm (6,6 × 2,6 × 1,5 tommer) og leveres uden AC-ledning, som dog kan tilvælges med de stikben, der passer til det lokale strømudtag.

Figur 10: Ved situationer med høj effekt, hvor en plugtop adapter ikke er hensigtsmæssig eller ønsket, findes den eksterne SDI120-12-U-P51 AC/DC-desktopadapter. Den passende AC-strømledning vælges separat. (Billedkilde: CUI)

Konklusion

IEC/UL IEC-62368-1-standarden for forbrugerprodukter og lignende produkter træder efter planen i kraft i december 2020. Det er en kompliceret standard, og den anvender en farebaseret tilgang, der vurderer potentielle sikkerhedsproblemer og sikkerhedsforanstaltninger til at løse dem, hvilket er meget forskelligt fra tidligere standarder. Ved fra starten at vælge en AC/DC-strømforsyning, der overstiger standardens krav, gøres designingeniørernes opgave betydeligt mere enkel, og risikoen i forbindelse med godkendelse af det endelige produkt minimeres.

CUI-referencer

1. "IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment"
2. "The Latest on IEC 62368-1: More Time to Comply, But a Harder Deadline"