Det är kritiskt att använda rätt strömförsörjning för att uppfylla den nya riskbaserade elsäkerhetsstandarden IEC/UL IEC-62368

Konstruktörer av konsumentprodukter måste uppfylla många säkerhetsrelaterade krav förutom de många funktions- och prestandarelaterade målen samt krav på verkningsgrad och elektromagnetiska störningar (EMI). Dessa krav är komplexa, men det finns en ny standard (IEC 62368-1 Säkerhet hos hemelektronik och IT-utrustning) som konstruktörer kan använda som hjälp, förutsatt att de förstår avsikten med och kraven i denna.

Vid tiden för detta dokuments upprättande finns det två mycket använda standarder som täcker dessa områden: IEC 60950‑1 Utrustning för informationsbehandling – Säkerhetoch IEC 60065 Audio, video and similar electronic apparatus ‑ Safety requirements. 20 december 2020 kommer dessa att dras tillbaka och ersättas med standarden EC 62368-1.

Den nya standarden gör mer än att bara eliminera skillnaderna och överlappa mellan de två produktklasserna i de gamla standarderna. Den omvandlar säkerhetsperspektivet från ”incidentbaserad” till ”riskbaserad” bedömning, med motsvarande ändring av krav för att innefatta befintliga tekniker utan att lägga hinder i vägen för ny utveckling.

I denna artikel diskuteras vilken roll IEC 62368-1 kommer att spela, de viktigaste delarna i den samt dess påverkan på konstruktioner. Därefter undersöks funktioner och subsystem (särskilt strömförsörjning) som spelar en viktig roll för att den nya standarden ska kunna uppfyllas. Slutligen introduceras strömförsörjningslösningar från CUI Inc. som uppfyller kraven så att konstruktörer enklare kan få sina produkter godkända och snabbare få dem lanserade på marknaden.

IEC 62368-1: Varför och för vilka produkter?

För bara några decennier sedan var det en tydlig skillnad mellan A/V-produkter och IT-produkter, dvs. datorprodukter. Av den anledningen hade var och en av dessa traditionella produktklasser sin egen säkerhetsstandard. Utveckling och förändringar för både teknik och produkter har emellertid suddat ut gränsen mellan dessa två grupper, och de överlappar nu varandra i avsevärt större grad. Detta ledde till behovet att ersätta de två separata standarderna med en gemensam säkerhetsstandard.

Ursprungsversionen av IEC 62368-1 togs fram av IEC (International Electrotechnical Commission), ett av de äldsta organen i världen som ger ut standarder. För att utföra detta arbete upprättade IEC den tekniska kommittén TC 108, vilken utgörs av experter, akademiker och statliga tjänstemän. De gavs i uppgift att ta fram en ny standard som skulle ersätta IEC 60065 och IEC 60950-1, istället för att revidera och uppdatera de individuella standarderna (figur 1). Den standard som TC 108 tog fram antogs därefter formellt av IEC, och många länder och regioner har harmoniserat denna standard (även USA).

Figur 1: IEC 62368-1 är en helt ny säkerhetsstandard som omfattar många olika konsument- och kontorsprodukter, men den går att koppla till historia och kontext i viss utsträckning. (Bildkälla: Power Systems Design)

De många produktklasser som omfattas av IEC 62368-1 är bland annat följande:

• Dator- och nätverksprodukter (servrar, datorer, routrar, bärbara datorer, surfplattor och strömförsörjning för dessa)
• Hemelektronik (förstärkare, hemmabiosystem, digitalkameror och musikspelare)
• Displayer och visningsenheter (bildskärmar, tv-apparater och digitala projektorer)
• Telekomprodukter (utrustning för nätverksinfrastruktur, sladdlösa telefoner och mobiltelefoner samt liknande kommunikationsenheter, inklusive batteridrivna enheter)
• Kontorsapparater (kopiatorer och dokumentförstörare)
• Olika andra typer av AV-, IT- och kommunikationsutrustning som används i hem och skola och i liknande institutioner för liknande användning

IEC 62368-1 är inte bara en revision som uppdaterar och slår samman sina två föregångare. I stället används för denna ett riskbaserat synsätt som formellt kallas HBSE (Hazard-Based Safety Engineering) och som omfattar säkerhetsfrågor relaterade till både elektronisk utrustning och IT-/kommunikationsteknik. Snarare än att se på och fastställa detaljerade beskrivningar för säkerhetskrav fokuserar man nu på risker som kan uppstå, samtidigt som man ger tillverkare handlingsfrihet att bestämma hur skyddet mot dessa risker ska utformas. Därför läggs i denna standard mer emfas på utvärdering av en produkts säkerhet under konstruktionsfasen. IEC 62368-1 har följande HBSE-attribut:

• Den är mer prestandaorienterad men tillåter ändå (för tillfället) accepterade konstruktioner om dessa tidigare har visat sig vara säkra (till exempel IEC 60065 och/eller IEC 60950-1)
• Den är teknikoberoende (inom fastställda gränser) och ger mer frihet vid konstruktion
• Den är tillämplig för fler befintliga elektronikprodukter, men stöder också introduktion av ny teknik på den globala marknaden

20 december 2020 kommer IEC/UL/CSA 60950‐1 och IEC/UL/CSA 60065 formellt att dras tillbaka. Efter detta datum måste tillverkare uppfylla IEC/UL 62368 för produkter som de vill lansera på marknaden.

Observera att det finns en viktig men tillfällig bestämmelse som medger för företag att fortsätta använda sitt lager av komponenter av typen 60950-1 eller 60065 i produkter certifierade enligt 62368-1, vilket betyder att man gör undantag för det lagret under vissa omständigheter och för vissa länder. I artikel 4.1.1 fastställs följande: ”Components & subassemblies that comply with IEC 60950-1 or IEC 60065 are acceptable as part of equipment covered by this standard without further evaluation other than to give consideration to the appropriate use of the component or subassembly in the end-product”. För en listad strömförsörjning kan till exempel detta "övervägande" (consideration) vara så enkelt som att säkerställa att produkten endast används inom sina fastslagna elektriska märkdata.

HBSE: Vad innebär det?

HBSE tvingar produkttillverkare att visa att kända risker har tagits i beaktande och att produkten har konstruerats så att den är säker att använda på avsett vis. Det betyder att man snarare än att bara säga ”Du måste skydda användaren mot denna specifika situation som till exempel en känd högspänningspunkt som kan vara exponerad” istället säger ”Du måste bedöma de olika riskerna och hantera dem på lämpligt sätt, baserat på varje risktyp och risknivå”.

När man gör det flyttas tonvikten bort från att tillverkare bara ska visa att föreskrivna specifikationer har uppfyllts. Observera att det inte krävs riskanalys, vilket fortfarande behövs för andra standarder som IEC 60601-1 - Elektrisk utrustning för medicinskt bruk - Del 1–2: Allmänna fordringar beträffande säkerhet och väsentliga prestanda - Kollaterala standarder: Elektromagnetiska störningar - krav och tester.

HBSE sätter målet att skydda utrustningsanvändare genom att kräva att tillverkare identifierar potentiella farliga energikällor tillsammans med de mekanismer med hjälp av vilka energi kan överföras till en användare. Därefter måste de föreslå och implementera lämpliga sätt att förhindra att denna överföring uppstår – under både normal drift och vid feltillstånd. Skyddsåtgärderna är avsedda att skydda mot smärta eller personskada som är direkt orsakad av elektrisk energi (elstöt) eller brännskada och/eller för att förhindra brand på grund av elektricitet som kan orsaka smärta, personskada, dödsfall eller materialskada. Slutligen bedömer HBSE också hur effektiva dessa skyddsåtgärder är.

HBSE-modellen består av tre block: energikälla, överföringsmekanism och kroppsdel (figur 2). ”Lösningen” för den risk som energikällan utgör uttrycks med en liknande blockmodell med tre block, men med en skyddsåtgärd istället för energiöverföringsmekanismen.

Figur 2: Strategi för IEC 62368-1 är avsedd att identifiera farliga energikällor och dessas möjliga strömbanor och därefter tillhandahålla skyddsåtgärder mot strömbana och flöde för denna energi. (Bildkälla: InComplianceMag.com)

IEC 62368-1 kräver också att tillverkaren tar med i beräkningen vilken nivå för skyddsåtgärder som behövs för olika typer av användare och energikällor, var och en indelad i tre kategorier. För användare är dessa tre: Fackkunnig person, Instruerad person och Lekman. Energikällor klassificeras enligt en tabell (en förenklad version visas i figur 3).

Figur 3: IEC 62368-1 identifierar tre riskbedömningar för energikällor och fastställer därefter i vilken utsträckning (om någon) skyddsåtgärder behöver vidtas för var och en av dessa. (Bildkälla: CUI)

De två graderingarna för användarnivå och energikälla bildar därefter tillsammans en matris (figur 4).

Figur 4: För att fastställa vilken nivå och typ av skyddsåtgärd som behövs för varje energikälla kombinerar standarden IEC 62368-1 energikällans risk med användarens färdigheter och expertkunskaper (Bildkälla: SGS SA)

Användare löper mindre risk när de flyttas från att vara Lekman till att vara Fackkunnig person, samtidigt som energikällor blir farligare med stigande energiklass (från vänster till höger). Det betyder att en lekman – under denna standard – som använder en klass 3-produkt (energikälla 3, även kallad ES3) behöver ytterligare förstärkta skyddsåtgärder (som dubbel isolering eller en specialsköld) medan en Fackkunnig person som använder en ES3-produkt inte behöver samma skyddsnivå.

I IEC 62368-1 används en fyrstegsprocess:

• Steg 1: identifiera energikällor
• Steg 2: kategorisera dem i klasser (1, 2 eller 3)
• Steg 3: identifiera lämpliga skyddsåtgärder
• Steg 4: kontrollera effektiviteten för valda skyddsåtgärder

Skyddsåtgärderna är indelade i två grupper (funktion och nivåer) där funktionen avgör med vilka metoder skyddsåtgärden fungerar, medan nivåer kategoriserar skyddsåtgärden baserat på dess styrka (figur 5).

Figur 5: I IEC 62368-1 identifieras den nivå av skyddsåtgärd som behövs, följt av en analys av implementeringsmetoder. (Bildkälla: SGS SA)

Börja med energin

Energi tillsammans med spänning och ström är de viktigaste storheterna att beakta för att uppfylla normerna. Om energinivån är låg (ES1) finns det lite eller inget att oroa sig över. Observera att specifika ström- och spänningsgränser för ES1, ES2 och ES3 varierar och att dessa också kan fastställas av frekvensen. Exempel: under 1 kHz är ES1-gränsen 30 Vrms, 42,4 V (toppvärde) och 60 VDC, medan ES2-gränsen är 50 Vrms, 70,7 V (toppvärde) och 120 VDC.

Vad som komplicerar det hela är att utrustningen måste uppfylla antingen spänningsgräns eller strömgräns angiven för tillämplig energiklass (den behöver emellertid inte uppfylla båda). Dessutom varierar gränserna enligt definitioner i standarderna också beroende på om det är normal eller onormal drift eller ett enkelt feltillstånd. Det finns även underavsnitt som specificerar gränserna för pulserade vågformer och dessas frånslagstider (figur 6 och 7).

Figur 6: Eftersom elektrisk brand orsakas av en kombination av effekt och tid berör standarden IEC 62368-1 förhållandet mellan dessa två centrala parametrar. (Bildkälla: CUI)

Figur 7: Standarden kategoriserar också energinivåer vid vilka elektrisk brand kan förväntas uppstå. (Bildkälla: CUI)

Vad ska konstruktörer göra?

Konstruktörer som tror att de förstår den nya standarden och därför tror att de utan problem kan uppfylla den kan delas in i två grupper:

1. De som har gått kurser som omfattar standarder, genomfört utbildning, redan arbetat med befintliga IEC-standarder och som själva har varit inblandade i godkännandeprocessen.
2. De som är lite naiva och/eller dumdristiga. Detta beror på att standarden innehåller en uppsättning med många gånger komplicerade krav. Att identifiera alternativ för skyddsåtgärder innebär att välja mellan många olika alternativ. Att veta vilken man ska använda, när och hur den ska användas är varken självklart eller enkelt.

De olika skyddsåtgärderna som ska övervägas att genomföra är skyddsjord (verklig jordning), elektrisk kapsling, brandsäkra höljen och isolering. Det finns också skyddsåtgärder som är installerade som förbindning till extern jord och instruerande skyddsåtgärder som varselmärkning. Slutligen finns det förebyggande skyddsåtgärder som ska användas i fall där lekmän instrueras av fackkunnig person och även så kallade kunskapsbaserade skyddsåtgärder som tillåter att man förlitar sig på förmågan en fackkunnig person har att skydda sig själv mot risker i energikällor i klass 2 och 3.

Börja med att se på strömförsörjningen

Den första frågan konstruktörer måste ställa sig är följande: Vilken är primärkällan för den energi som gör att denna konstruktion kan vara en risk? För många av produkterna som omfattas av denna standard är svaret självklart: strömförsörjningen (AC). Av denna anledning försvinner mycket av problemet med regelefterlevnad (förutsatt att en strömförsörjning som uppfyller standarden väljs och används korrekt) och den konstruktionsrelaterade utmaningen minskas avsevärt.

Som tur är har försäljare av strömförsörjningar, som exempelvis CUI, studerat och analyserat den nya standarden inför dess införande i december 2020 och redan tagit fram strömförsörjningar (AC) som mer än väl uppfyller kraven i den nya standarden. Dessa strömförsörjningar finns från relativt låg effekt (under 10 W) till enheter för medelhög effekt och upp till enheter för effekt med tresiffriga värden. Tre exempel illustrerar område och kapacitet för dessa strömförsörjningar.

CUI SWI6-9-N-P5 är en väggmonterad adapter (9 V, 6 W AC/DC) i sortimentet med adaptrar med uteffekt från 3,3 till 15 V (figur 8). Den verkar i området 90 till 264 VAC och uppfyller det amerikanska energidepartementets (DoE) verkningsgradsnivå VI med strömförbrukning obelastad på under 0,1 W. Den har överströmsskydd, överspänningsskydd och kortslutningsskydd i en kompakt inkapsling som väger 78 gram och har måtten 56 × 28 × 42 mm.

Figur 8: SWI6-9-N-P5 från CUI Inc. är en väggmonterad adapter (9 V, 6 W, AC/DC) som uppfyller IEC 62368-1 för användning utomhus. (Bildkälla: CUI)

För högre spänning och effektklassning finns den väggmonterade adaptern CUI SMI18-24-V-P5 (24 V, 18 W) med kontaktadaptrar med flera stift som ingår i sortimentet med enheter från 5 till 24 V (figur 9). Denna enhet uppfyller märkdata för verkningsgrad enligt DoE:s nivå VI, CoC Tier 2 för strömförbrukning obelastad under 0,075 W och samma skydd som 6 W-enheten. En unik egenskap för denna strömförsörjning med universalingång (vikt 170 gram, mått 75 × 35,8 × 65,6 mm) är att den levereras med utbytbara AC-kontaktstift för global användning (Nordamerika, Europa, Storbritannien, Australien och Kina).

Figur 9: SMI18-24-V-P5 är en väggmonterad adapter som uppfyller IEC 62368-1 (24 V, 18 W) och som levereras med en kontaktadapter med flera stift, så att samma enhet kan användas över hela världen. (Bildkälla: CUI)

För många tillämpningar behövs det högre effektklassning, som uppfylls till exempel av skrivbordsadapter (AC/DC) CUI SDI120-12-U-P51 Den har märkdata 12 V, 120 W och ingår i sortimentet med effektklassning 12 till 48 V (figur 10). Strömförsörjning klassad enligt IEC 62368-1 uppfyller verkningsgrad enligt DoE-nivå VI (dess strömförbrukning obelastad vid 230 VAC är 0,21 W) och har en effektfaktor som överstiger 0,9. Den väger 580 gram, har måtten 168,1 × 65,9 × 39 mm och levereras utan nätsladd (AC) (denna kan beställas som tillval med stickkontakt med stift och konfiguration som överensstämmer med vägguttag enligt nationell standard).

Figur 10: För tillämpningar med högre effekt där väggmonterad adapter inte är lämplig eller önskvärd finns en extern skrivbordsadapter (AC/DC) SDI120-12-U-P51 (nätsladd ingår inte). (Bildkälla: CUI)

Slutsats

Standarden IEC/UL IEC-62368-1 för konsumenter och relaterade produkter träder i kraft på ett fastställt datum i december 2020. Detta är en komplicerad standard som har en riskbaserad metod för bedömning av potentiella säkerhetsrisker och skyddsåtgärder som kan vidtas för dessa säkerhetsrisker, vilket är en stor skillnad jämfört med tidigare standarder. Genom att börja med att välja en strömförsörjning (AC/DC) som överträffar kraven i denna standard underlättas uppgiften avsevärt för konstruktionsteamet och riskerna vid det slutliga produktgodkännandet minimeras.

CUI-referenser

1. “IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment” (En introduktion till den nya säkerhetsstandarden för AV-, IT- och kommunikationsutrustning)
2. “The Latest on IEC 62368-1: More Time to Comply, But a Harder Deadline” (Mer tid för att uppfylla normerna, men tuffare tidsgräns)