Hur man uppfyller strömförsörjningskraven i IEC 60335 för hushållsapparater och IoT-enheter

Den nya säkerhetsstandarden IEC 60335, som är ett svar på den ökande användningen av smarta apparater och anslutna IoT-enheter (sakernas internet) i hemmet, har inneburit nya utmaningar för konstruktörer när det gäller strömförsörjning. Den nyligen offentliggjorda standarden innehåller stränga krav på isoleringsspänningar, fritt avstånd och krypningsavstånd samt läckströmmar i AC-DC-nätaggregat. Det är svårt att konstruera kompakta och kostnadseffektiva AC-DC-nätaggregat som uppfyller de många kraven, och att gå igenom de nödvändiga provnings- och godkännandeprocesserna ökar kostnaden och fördröjer tiden till marknaden.

Många hushållsapparater förväntas användas i miljöer där fukt eller vatten förekommer, vilket ökar konstruktionsutmaningarna. AC-DC-nätaggregat innehåller interna matningslinjer med hög spänning, vilket gör det svårt att utforma kapslingar som är lämpliga för användning i fuktiga eller våta miljöer.

För att hantera dessa utmaningar och samtidigt hålla snäva tidsfrister och budgetar kan konstruktörer använda inkapslade AC-DC-nätaggregat som redan är certifierade enligt IEC/EN/UL 62368-1 och utformade för att uppfylla kraven i IEC/EN/UL 61558/60335 för hushållstillämpningar.

Artikeln går igenom de grundläggande kraven i IEC 60335-1, introducerar konceptet för testning av flera samtidiga fel enligt kraven i IEC 60335 och tar kortfattat upp del 2 av IEC 60335. Därefter presenteras flera AC-DC-nätaggregat från CUI som konstruktörer kan använda för att skynda på konstruktionen av smarta apparater och IoT-anslutna enheter samt kommersiell informationsteknisk utrustning (ITE) som uppfyller IEC 60335.

Vilka är de grundläggande kraven i IEC 60335?

IEC 60335 omfattar "Säkerhet för elektriska hushållsapparater och liknande bruksföremål" med märkspänningar på upp till 250 V för enfas och upp till 480 V för flera faser. IEC 60335-1 innehåller de grundläggande kraven för alla hushållsapparater. En av de utmaningar som konstruktörer står inför är att förstå hur IEC 60335-1 förhåller sig till den tidigare etablerade säkerhetsstandarden IEC 60950-1 för ITE. Det finns skillnader och likheter när det gäller maximala nivåer för läckström, isoleringsspänningar samt avstånd och krypningsavstånd.

Vid normal drift, när det finns en jordanslutning, går läckströmmen ut genom chassit eller skyddsjorden. Om jordanslutningen av någon anledning bryts kan läckströmmen flöda genom kroppen på den person som använder utrustningen, vilket utgör en potentiell fara. I IEC 60335-1 finns två kategorier av utrustning: bärbar och stationär. IEC 60950-1 omfattar tre utrustningskategorier: handhållen, rörlig och stationär utrustning. Bärbara enheter i IEC 60335 är begränsade till en läckström på 0,75 mA, samma som för handhållna enheter i IEC 60950-1. Rörliga och stationära enheter är begränsade till en läckström på 3,5 mA i IEC 60950-1, samma nivå som fastställs för stationära apparater i IEC 60335-1.

Kraven på isoleringsspänning har också olika definitioner i de två standarderna. Den isolationsnivå som krävs beror på var i kretsen den är placerad: ingång till utgång, utgång till jord eller ingång till jord. IEC 60950-1 innehåller helt enkelt fasta värden, som t.ex. 3 kV isolering mellan ingång och utgång. I IEC 60335-1 varierar kravet på isolering mellan ingång och utgång baserat på arbetsspänningen: Den specificeras som 2,4 kV plus 2,4 gånger arbetsspänningen. När det gäller isolering från utgång till jord har IEC 60335-1 inga krav, medan IEC 60950-1 specificerar 500 V isolering.

Variationerna är också uppenbara i hur de två standarderna behandlar fritt avstånd och krypningsavstånd. Även om båda standarderna förlitar sig på arbetsspänning och isoleringstyp (enkel eller förstärkt) för att definiera fritt avstånd och krypningsavstånd, kan kraven vara desamma, strängare eller mindre stränga när IEC 60950-1 och IEC 60335-1 jämförs.

Det kortaste avståndet mellan två ledande delar längs en yta definieras krypningsavstånd (figur 1). När arbetsspänningen är mellan 250 och 300 V är IEC 60335-1 mer restriktiv och kräver 8 mm krypningsavstånd för förstärkt isolering, medan IEC 60950-1 kräver 6,4 mm krypningsavstånd. Om arbetsspänningen är mellan 200 och 250 V kräver båda standarderna 5 mm krypningsavstånd.

Figur 1: Krypningsavståndet mäts på isoleringens yta. (Bildkälla: CUI)

Avståndet mellan två ledande delar genom luften är det fria avståndet (figur 2). Kravet på det fria avståndet i IEC 60335-1 är endast 3,5 mm, medan IEC 60950-1 är mer restriktiv och kräver 4 mm vid förstärkt isolering och en arbetsspänning mellan 150 och 300 V.

Figur 2: Det fria avståndet mäts genom luften. (Bildkälla: CUI)

IEC 60335 kräver också att apparaterna ska uppfylla kraven på inträngningsskydd (IP) enligt IEC 60529. IP-klassificeringen baseras på den miljö där apparaten används. Många hushållsapparater förväntas fungera säkert i närvaro av fukt och/eller vatten. IEC 60529 definierar specifika skyddsnivåer som behövs beroende på apparatens klassificering.

Utöver det grundläggande

De smarta apparater och IoT-anslutna enheter som ingår i dagens smarta hem är mycket mer sofistikerade än traditionella apparater. De har ofta pekskärmar, mjukvarugränssnitt, digitala kontroller, trådlös och/eller kabelansluten IP-anslutning och andra funktioner (figur 3). På grund av denna utökade komplexitet omfattar IEC 60335 möjligheten att två fel uppstår samtidigt, och inte bara enstaka fel. Detta står i kontrast till säkerhetsstandarden IEC 60950-1, som endast kräver säker drift efter enstaka fel.

Figur 3: Exempel på smarta apparater är kylskåp med högupplösta skärmar och IP-anslutning (till vänster) och brödrostar med LCD-pekskärm (till höger). (Bildkälla: CUI)

IEC 60335-1 tar hänsyn till kombinationer av två hårdvarufel eller en kombination av hårdvaru- och mjukvarufel. Dessa tester kan vara särskilt viktiga för kraftelektroniska enheter som ofta innehåller någon form av digital styrning eller övervakning. Många konstruktioner innehåller vad IEC 60335-1 kallar för "skyddselektronikkretsar" (PEC). Begreppet PEC i IEC 60335 sträcker sig längre än till hårdvara och omfattar även olika mjukvarufunktioner, t.ex. programvara för upptäckt av fel. Standarden kräver att utrustningen bibehåller säker drift när ett PEC-fel inträffar efter ett annat fel, t.ex. fel på grundisoleringen, samt när ett PEC-fel inträffar före ett annat fel. Systemet måste förbli säkert.

Kravet på flera fel omfattar även specifikationer för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). IEC 60335 kräver att EMC-provningen utförs efter att PEC:n har orsakat fel. Till exempel om överspänningsskydd på växelströmsingången är bortkopplade. Denna provning omfattar den interna strömförsörjningen för att säkerställa att den inte hamnar i ett osäkert driftstillstånd till följd av elektromagnetisk störning (EMI) efter att PEC:n har gått sönder.

IEC 60355 kräver att inbyggd programvara eller mjukvarukontroller fungerar säkert med EMI vid enstaka felförhållanden, t.ex. ett PEC-fel. Förutom systemkontrollerna gäller detta krav enskilda AC-DC-nätaggregat, DC-DC-omvandlare och motorstyrningar med digitala styrningar. Dessa anordningar måste testas i systemet för att uppfylla detta krav.

Den andra delen av IEC 60355

Till skillnad från IEC 60950 består IEC 60335 av två delar. Del 2 (IEC 60335-2) innehåller apparatspecifika krav som omfattar över 100 olika typer av apparater, från brödrostar till luftkonditioneringssystem. Konstruktörer bör bekanta sig med del 2 när det gäller konstruktion av specifika apparater. När det anges har kraven i del 2 tolkningsföreträde framför de grundläggande kraven i del 1.

Delarna 1 och 2 behandlas olika i USA och Europa. UL 60335-1 i USA är harmoniserad med IEC 60335-1, men UL-standarden erkänner inte alla standarder i del 2. I Europa har EN 60335-1 också harmoniserats med IEC 60335-1, och till skillnad från UL-standarden erkänner EN-standarden nästan alla standarder i del 2 för specifika produkter.

Konstruktion för att uppfylla kraven i 60335

För att förenkla konstruktionen av strömförsörjningsdelen och samtidigt uppfylla kraven i 60335 kan konstruktörer av smarta apparater, IoT-anslutna enheter och kommersiella ITE använda färdigpaketerade moduler. Till exempel är PSK-serien med inkapslade AC/DC-nätaggregat från CUI certifierade enligt IEC/EN/UL 62368-1 och konstruerade för att uppfylla IEC/EN/UL 61558/60335 för hushållsapplikationer. Nätaggregaten finns i effektnivåer från 2 till 60 W med upp till 90 % verkningsgrad och i en mängd olika monteringsvarianter, inklusive kretskortsmontering, chassimontering eller DIN-skena (figur 4).

Figur 4: PSK-serien med inkapslade AC-DC-nätaggregat från CUI finns i monteringsvarianter för kretskort (nere till höger), chassi (nere till vänster) och DIN-skena (överst). (Bildkälla: CUI)

Exempel på nätaggregat i PSK-serien inkluderar:

• PSK-10D-12-T som har ett brett inspänningsområde från 85 till 305 V AC eller 100 till 430 V DC och en utspänning på 12 V DC med upp till 10 W i ett paket för chassimontering.
• PSK-S2C-24 som har ett brett inspänningsområde från 85 till 305 V AC eller 120 till 430 V DC och ger upp till 2 W vid 24 V DC i ett paket för kretskortsmontering.
• PSK-20D-12-DIN som ger 20 W vid 12 V DC och har ett inspänningsområde från 85 till 305 V AC eller 100 till 430 V DC i ett paket för DIN-skena.

AC-DC-nätaggregaten i PSK-serien har 4 kV AC-isolering från ingång till utgång, breda inspänningsområden och ett brett driftstemperaturområde från -40 till +70 °C, och där vissa modeller är märkta upp till 85 °C. Serien erbjuder även enkla utspänningar på 3,3, 5, 9, 12, 15 och 24 V DC, tillsammans med skydd mot överström, överspänning och kontinuerlig kortslutning.

När du arbetar med modulerna finns det några saker att tänka på. En del externa komponenter krävs för skydd och filtrering samt för att uppfylla kraven på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Mycket av denna information finns i de medföljande databladen.

I CUI:s referenskonstruktion för PSK-10D-12-T finns exempelvis en långsam säkring på 2 A/300 V på primärsidan, samt en metalloxidvaristor (MOV) (figur 5).

Figur 5: En referenskonstruktion för PSK-10D-12-T som visar placeringen av komponenter för inspänningsskydd och utspänningsfiltrering (överst) och deras respektive värden (nederst). (Bildkälla: CUI)

Utspänningsfiltrering sker med hjälp av en högfrekvent elektrolytkondensator (C2) och en keramisk kondensator (C1). Det är viktigt att C2 har ett lågt ekvivalent seriemotstånd (ESR) och en marginal på minst 20 % för den nominella utspänningen. Om du placerar en diod som transientspänningsdämpare precis före belastningen kan du skydda elektronik i efterföljande led i det (osannolika) fallet att omvandlaren skulle gå sönder.

För att uppfylla EMC-kraven föreslår CUI att man lägger till ett motstånd (R1) på 6,8 Ω och 3 W precis före växelströmsingången till modulen (figur 6).

Figur 6: För EMC-skydd bör R1 läggas till vid växelströmsingången enligt bilden. (Bildkälla: CUI)

Sammanfattning

Eftersom antalet smarta hem-enheter och IoT-anslutna enheter fortsätter att öka måste konstruktörer förstå konsekvenserna av säkerhetsstandarden IEC 60335 och dess relation till IEC 60950. Standarden påverkar direkt hur nätaggregat konstrueras och certifieras för dessa tillämpningar och skapar vissa konstruktionsbegränsningar och komplexitetsnivåer.

För att lösa dessa problem kan konstruktörer använda sig av inkapslade AC-DC-nätaggregat som uppfyller IEC 60335. Dessa högeffektiva enheter med hög effekttäthet finns i en mängd olika typer av paketeringar, inklusive chassimontage, kretskortsmontage och DIN-skena. Som framgår kan man genom att följa några grundläggande, goda konstruktionsmetoder minska utvecklingskostnaderna och tiden till marknaden avsevärt.

Rekommenderad läsning

1. En översikt av IP-klassificeringar och vattentäta kontaktdon
2. Hur den enkla DIN-skenan löser modularitet, flexibilitet och smidighet i industrisystem