Hur man utformar skyddskretsar som är kompatibla med den nya AV/ICT-standarden IEC 62368-1

Med tiden har gränserna mellan audiovisuell teknik (AV) och informations- och kommunikationsteknik (ICT) blivit alltmer otydliga (multimediaprodukter för hemmet som t.ex. smarta TV-apparater är bara ett exempel). Dessutom har konstruktörer valt en strategi med riskbaserade skyddskonstruktioner (HSBE eller Hazards Based Safety Engineering) när de utformar skydd för elektriska produkter. Dessa trender påverkade de standarder som var utformade för att skydda människor som installerar, underhåller och använder sådan utrustning, och gjorde dem föråldrade - tillsammans med mycket av den tekniska hårdvara som används för att säkerställa att AV- och ICT-produkter uppfyllde kraven.

IEC, som förutsåg denna eventualitet, utvecklade en ny standard, IEC 62368-1 (Informations- och kommunikationsteknikutrustning - Del 1: Säkerhetskrav ). Den nya standarden ersätter två äldre standarder (IEC 60950-1 och IEC 60065) med en standard som omfattar både ICT- och AV-utrustning, samt produkter som enheter för Internet of Things (IoT) och batteridrivna elektroniska apparater, som drivs med upp till 600 volt. Standarden implementerades i december 2020 och använder en HBSE-strategi.

Artikeln presenterar IEC 62368-1 och visar att även om den kan verka mer komplicerad än de tidigare separata standarderna, förenklar den saker och ting, och möjliggör högre nivåer av säkerhet och flexibilitet i konstruktionen. Artikeln kommer även att presentera och beskriva användningen av kommersiellt tillgängliga elektriska skyddsprodukter frånLittelfuse som kan användas för att göra det lättare att konstruera produkter och delsystem som uppfyller kraven för överspänningar och strömtoppar för respektive kategori som omfattas av IEC 62368-1.

Vad är IEC 62368-1?

IEC 62368-1 skapades för att ersätta äldre standarder med en enda standard och definierar kretsskyddet för att skydda elektrisk och elektronisk ICT-, AV- och IoT-utrustning med en märkspänning som inte överstiger 600 V (figur 1). Standarden, som är konstruerad för att skydda människor som installerar, underhåller och använder sådan utrustning, återspeglar även de HBSE-metoder som konstruktörer nu använder vid konstruktion av säkerhetslösningar. HBSE ersätter det tidigare föreskrivna tekniska tillvägagångssättet - som innehöll en uppsättning regler som skyddskretsar var tvungna att följa - med ett sätt som tar hänsyn till de faror som en produkt sannolikt kan komma att utsättas för. Resultatet är säkerhetskretsar som skyddar användaren även om produkten går sönder när den utsätts för någon av de identifierade riskerna.

Figur 1: IEC 62368-1 ersätter de äldre säkerhetsstandarderna IEC 60951-1 och IEC 60065 med en standard som omfattar ICT, AV och andra produkter som IoT och batteridrivna elektroniska enheter. (Bildkälla: Littelfuse)

IEC 62368-1 gäller inte bara för slutanvändarens produkt utan även för komponenter och delsystem (t.ex. strömförsörjningar) av vilka den är konstruerad. Under en ospecificerad period tillåter den nya standarden tillfällig återanvändning av konstruktioner och delenheter som överensstämde med de äldre standarderna. Konstruktörer förväntas använda den nya standarden för viktiga marknader som t.ex. Nordamerika, Storbritannien, Japan och Australien/Nya Zeeland.

Kretsskydd för människor

Överensstämmelse med IEC 62383-1 kräver att konstruktörer använder en HBSE-metodik. Det innebär:

• Att identifiera de energikällor (ES) som produkten använder
• Att mäta de energinivåer som dessa källor producerar
• Att bedöma om energin från källorna är farlig
• Att klassificera risknivån
• Att identifiera om faran kan orsaka personskada eller brand
• Att bestämma lämpliga skyddssystem för att:
  • Skydda personer mot smärta och personskada på grund av klassificerade faror
  • Minska sannolikheten för skada på person och egendom på grund av brand som härrör från fel i utrustningen
• Mäta effektiviteten hos dessa skyddsåtgärder

Standarden beskriver tre klasser av energikällor (ES). En energikälla i Klass 1 (ES1) förblir under gränsvärdena för Klass 1 vid normala driftförhållanden, onormala förhållanden eller i händelse av ett fel. Den energi som finns kan upptäckas av en person men skulle inte vara smärtsam och inte vara tillräcklig för att orsaka antändning. Inga skyddsåtgärder krävs för att skydda vanliga användare från Klass 1 ES.

Energinivåerna för energikällor i Klass 2 (ES2) överskrider gränsvärdena för Klass 1 men förblir under gränsvärdena för Klass 2 vid normala eller onormala driftförhållanden eller vid enstaka produktfel. Den befintliga energin kan vara tillräcklig för att orsaka smärta men skapar sannolikt inte någon personskada. Den befintliga energin kan vara tillräcklig för att orsaka antändning under vissa förhållanden. Minst en skyddsåtgärd krävs för att skydda vanliga användare energikällor i Klass 2.

En energikälla i Klass 3 (ES3) är farligast. Dess energi överskrider det maximala gränsvärdet för Klass 2 vid normala och onormala driftförhållanden och vid enstaka fel, och kan orsaka personskada eller antändning och spridning av brand. Den typ av personskada som en ES3 kan orsaka, kan röra sig om fibrillation, hjärt-/andningsstopp eller brännskador på hud och/eller inre organ. Ett dubbelt eller förstärkt skydd krävs för att skydda vanliga användare från en ES3.

Den nya standarden bestämmer i synnerhet gränsvärden för tålighet mot överspänning och kraven för skydd mot strömtoppar för de olika kategorierna, som omfattar olika typer av produkter och dess användningsområden.

Det är viktigt för konstruktören att förstå att de faktiska gränsvärdena för ström och spänning som gäller för ES1, ES2 och ES3 varierar. Kraven på spänningsbegränsning varierar exempelvis beroende på strömförsörjningens driftfrekvens. För spänningar från en strömförsörjning som arbetar under 1 kilohertz (kHz) är gränsvärdet för ES1, 30 V_rms , 42,4 V_topp och 60 V DC. ES2-gränsen är 50 V_rms, 70,7 V_topp och 120 V DC.

Utrustningen måste antingen uppfylla spänningsbegränsningen eller den strömbegränsning som anges i tillämplig energiklass, men måste inte uppfylla dem båda. Gränsvärdena varierar även beroende på normal eller onormal drift, eller vid enstaka fel. Gränsvärdena beskrivs i avsnitt 5 i standarden. Det finns även underordnade avsnitt, som omfattar sådant som gränsvärden för pulsvågformer, beroende på avstängningstid.

Kretsskydd för utrustning

Även om skyddet av människor är det huvudsakliga syftet för alla utrustningstillverkare, så är skyddet av slutprodukten mot överspänningar och strömtoppar ett stort bekymmer. IEC 62368-1 bygger på de två äldre standarderna och specificerar den lägsta tålighetsklassificeringen för utrustning för att säkerställa immunitet mot transienta överspänningar och överströmmar.

Standarden definierar tre ”överspänningskategorier” (I, II och III) för utrustning på hushållssidan av elmätaren. Utrustning på mätarens distributionssida hamnar i överspänningskategori IV.

Kategori I är specifikt avsedd för utrustning som inte är ansluten till elnätet (t.ex. batteridrivna bärbara enheter), medan kategori II är för ICT- och AV-utrustning som ansluts till byggnadens elnät. Kategori III är till för delar av system som ingår i byggnadsinfrastrukturer såsom fördelningskort, strömbrytare, ledningar, kopplingsdosor, omkopplare, vägguttag och industriell utrustning.

Kategori II omfattar normalt konstruktion av utrustningar baserade på 120 eller 230 V AC nätström, eller för ett intervall som nätaggregat från 100 till 250 V. Standarden definierar att sådan utrustning måste ha en lägsta tålighetsnivå för transienta toppspänningar på 1,5 kV för en strömförsörjning för 120 V AC och 2,5 kV för en strömförsörjning för 230 V (figur 2).

Figur 2: IEC 62368-1 specificerar olika överspänningskategorier beroende på var slutprodukten används. Kategorierna I, II och III är avsedda för produkter som används på hushållssidan av elmätaren, medan kategori IV täcker produkter som används på distributionssidan. (Bildkälla: Littelfuse)

Kretskonstruktion för att uppfylla kravet på överspänningsskydd i IEC 62368-1

Att konstruera kretsar som uppfyller standardkraven för skydd mot transienta överspänningar och överströmmar är inte alltför svårt. Nyckeln är att avleda den transienta toppen från den känsliga utrustningen genom att tillhandahålla en alternativ ledningsväg. Det finns två rekommenderade tekniker beroende på om strömförsörjningen använder ett differentiellt läge eller ett schema för differentiellt och gemensamt läge (figur 3A och B).

Figur 3: Skydd för transienta spänningar och strömmar i IEC 62368-1 Kategori II omfattar differentiellt läge (A, topp) eller scheman för differentiellt och gemensamt läge (B, botten). (Bildkälla: Littelfuse)

I schemat för differentiellt läge (3A) uppnås skyddet med en säkring (I) för att skydda mot överströmmar, tillsammans med en termiskt skyddad varistor av metalloxid (TMOV) (II). En TMOV består av två delar, en termiskt aktiverad anordning som är utformad för att öppnas vid överhettning på grund av onormal överspänning och en MOV. Under normal drift har denna MOV ett mycket högt motstånd, vilket gör att normala driftspänningar kan strömma genom kretsen. Vid högre spänningar, såsom vid en transienttopp, uppvisar MOV lågt motstånd, vilket kortsluter strömmen så att den inte strömmar genom slutprodukten.

Schemat för differentiellt och gemensamt läge använder även säkringen och TMOV över ledningarna för ström och nolla, men lägger till ytterligare två MOV och ett gasurladdningsrör (GDT). Enligt vad som visas i figur 3B placeras MOV:arna över ledningarna för ström och jord, och mellan nolla och jord, i serie med gasurladdningsröret (GDT). Vid normal drift har gasurladdningsröret en hög isoleringsresistans samt låg kapacitans och litet läckage. Men, när den utsätts för transienta högspänningar förvandlas den inkapslade gasen till plasma och avleder spänningen från slutprodukten.

Även om TMOV-alternativet rekommenderas (eftersom det har ett termiskt skydd, lågt energiläckage och låg frånslagsspänning), kan andra former av skydd för differentiellt läge övervägas för att uppfylla standarden. Exemplen innefattar en MOV, en skyddstyristor plus en MOV (särskilt för produkter som t.ex. modem) eller en TVS-diod. För skydd av gemensamt läge är MOV och GDT-skydd den enda tillåtna lösningen.

Det blir däremot lite svårare för konstruktören vad det gäller komponentvalet. Enheterna måste uppfylla de skyddskriterier som definieras i IEC 62368-1 för att slutprodukten ska uppfylla standarden.

Säkringen (I) används för att förhindra skador på känsliga kretsar vid överströmmar (och för att underlätta feltestning vid godkännande av slutprodukten). Konstruktören måste överväga en komponent vid valet av säkring, som:

• Undviker felaktiga utlösningar
  • Den får exempelvis inte lösas ut vid normal drift eller vid en testning med strömpuls
• Har en märkspänning över systemets normala driftspänning
• Bryter den maximala felströmmen på ett säkert sätt
• Passar i det tillgängliga utrymmet
• Uppfyller de certifieringar från tredje part som krävs (exempelvis IEC och UL)

Bra alternativ för en produkt för 240 V AC i Kategori II är0215008.MRET1SPP, en enhet på 8 A eller 0215012.MRET1P, en modell på 12 A, båda ur 215-serien från Littelfuse. 215-serien är en keramisk säkring på 20 x 5 mm med tidsfördröjning och tålighet mot strömtoppar som konstruerats för att uppfylla IEC-specifikationerna samtidigt som den ger ett individuellt skydd för komponenter och interna kretsar.

Ett viktigt krav på en säkring i denna tillämpning är att dess avbrottsvärde måste uppfylla eller överstiga kretsens maximala felström. Annars fungerar enheten inte korrekt och det finns en risk att skadlig ström fortsätter att strömma i kretsen när säkringen skulle ha utlösts. Säkringarna i 215-serien har ett högt avbrottsvärde på 1,5 kV vid 250 V AC.

När du väljer TMOV (II) (visas i de kretsar som illustreras i figurerna 3A och B), bör konstruktören överväga följande riktlinjer:

• TMOV bör överensstämma med en komponentstandard för varistorer som exempelvis IEC 61051-1 eller IEC 61643-331
• Att den maximala kontinuerliga driftspänningen (MCOV) är ≥ 1,25 x utrustningens märkspänning
  • Som exempel, i en strömförsörjning på 240 V AC, bör komponentens MCOV vara minst 300 V
• TMOV ska tåla flera toppar (enligt definitionen i 2.3.6 i IEC 61051-2 eller 8.1.1 i IEC 61643-331)
  • Som exempel, ska en strömförsörjning för 240 V AC ha en TMOV som tål 10 pulser med en kombinationsvåg på 2,5 kV/1,25 kA bestående av 1,2/50 μs spänning och 8/20 μs ström
• Komponenten måste klara standardens överbelastningstest för varistorer
  • Som exempel, ska en strömförsörjning på 240 V AC, testas med 2 x märkspänningen (480 V) med en resistor (R) på 3,84 kΩ (för efterföljande test halveras värdet av R tills kretsen bryts) (figur 4)).

Figur 4: Schema på överbelastningstest. Skyddskomponenten ska utsättas för en överbelastning på 2 x märkspänningen och testet upprepas med stegvis halverade värden för R1 tills kretsen bryts. (Bildkälla: Littelfuse)

Enheten TMOV14RP300EL2T7 från Littelfuse är en bra kandidat för denna tillämpning. Enheten har en MCOV på 300 V (uppfyller komponentstandardens krav för strömförsörjning med 240 V AC) och en diameter på 14 mm, tillräcklig komponentstorlek för att uppfylla kraven för flera toppar. Eftersom TMOV14RP300EL2T7 dessutom är termiskt skyddad, är dess MCOV på 300 V tillräcklig för att klara överbelastningstestet för varistorer. Som en ytterligare säkerhetsfaktor bör en MOV utan termiskt skydd ha en MCOV på 420 V eller högre. TMOV tål en toppström (<20 µs) på upp till 6 kA vid ett tillfälle. Figur 5 illustrerar toppströmsförmågan vid upprepade strömtoppar och strömtopparnas varaktighet.

Figur 5: Förmåga vid upprepade toppströmmar för Littelfuses 14 mm MOV. Enheten tål en toppström (<20 µs) på upp till 6 kA vid ett tillfälle. (Bildkälla: Littelfuse)

Kraven på de MOV och GDT som används för skydd i gemensamt läge styrs även av komponentstandarden IEC 61051-1 och IEC 61643-331. Genom att följa denna standard kan delenheter som byggts av kompatibla komponenter i sin tur uppfylla IEC 62368-1. I detta fall måste MOV uppfylla samma krav på MCOV och toppströmmar som anges för TMOV ovan, men eftersom de två enheterna används i kombination med ett gasurladdningsrör utförs överbelastningstesterna på den kombinerade skyddskretsen snarare än enbart på MOV.

V10E300P MOV från Littelfuse passar perfekt. Komponenten har en MCOV på 300 V och en diameter på 10 mm, vilket gör den tålig nog för att uppfylla standardens krav på flera toppar. Den tål en toppström på upp till 3,5 kA vid ett tillfälle. För att uppfylla kraven i standarden måste gasurladdningsröret klara ett elektriskt hållfasthetsprov på 2,5 kV, och uppfylla kraven för spelrum och krypning.

Gasurladdningsröret CG33.0LTR från Littelfuse är ett alternativ för denna tillämpning. Det är en högspänningsenhet med två elektroder som konstruerats för toppströmmar och tillämpningar med hög isolering. Gasurladdningsröret har ett isoleringsmotstånd på 10 GΩ vid 100 V och en kapacitans på <1,5 pf. Den har en brytningsspänning på 4,6 kV och tål en maximal toppström på 10 kA.

Kombinationen av två V10E300P MOV:ar och ett enda CG33.0LTR gasurladdningsrör klarar det överbelastningstest som beskrivs för TMOV-skyddskretsen ovan.

Slutsats

IEC 62368-1 introducerar en enda standard för kretsskydd i produkter som arbetar upp till 600 V, där tidigare separata standarder för ICT och AV tillämpades. Den formaliserar även kretsskyddet i produkter som inte omfattas av den gamla standarden, som t.ex. IoT och batteridrivna apparater. Även om konstruktörer som är vana vid de gamla standarderna kommer att behöva ändra sin konstruktionsmetod så förenklar IEEE 62368-1 konstruktionen av kretsskydd och möjliggör högre nivåer av säkerhet och konstruktionsflexibilitet. Dessutom erbjuder tillverkare av skyddskomponenter såsom Littelfuse, enheter och råd som gör det enklare att konstruera kretsar som uppfyller den nya standarden.