Hvordan konstruere beskyttelseskretser som er kompatible med den nye AV/IKT-standarden IEC 62368-1

Over tid har grensene mellom audiovisuell (AV) og informasjons- og kommunikasjonsteknologi (IKT) blitt stadig mer uklare (multimediaprodukter for hjemmebruk som smart-TV-er er ett eksempel). I tillegg har teknikere beveget seg over til en farebasert tilnærming når det kommer til sikker produktutvikling (HBSE – Hazards Based Safety Engineering) når de utvikler beskyttelse for elektriske produkter. Disse trendene påvirket standardene som er utviklet for å beskytte personer som installerer, vedlikeholder og bruker slikt utstyr, noe som gjorde dem avleggs – sammen med mye av den tekniske maskinvaren som ble brukt til å sikre at AV- og IKT-produkter var i samsvar.

For å forutse denne muligheten utviklet IEC en enkelt ny standard, IEC 62368-1 (Informasjons- og kommunikasjonsteknologiutstyr – Del 1: Sikkerhetskrav). Denne nye standarden erstatter to eldre standarder (IEC 60950-1 og IEC 60065) med én standard som dekker både IKT- og AV-utstyr, samt produkter som tingenes Internett (IoT)-enheter og batteridrevne elektroniske apparater, som opererer på opptil 600 V. Standarden ble implementert i desember 2020 og bruker en HBSE-tilnærming.

Denne artikkelen introduserer IEC 62368-1 og viser at selv om den kan virke mer kompleks enn de tidligere separate standardene, forenkler den ting og muliggjør høyere nivåer av sikkerhet og fleksibilitet i konstruksjoner. Artikkelen vil også introdusere og beskrive bruken av kommersielt tilgjengelige elektriske beskyttelsesprodukter fra Littelfuse som kan brukes til å forenkle konstruksjon av produkter og delsystemer som oppfyller kravene til overspenning og strømstøt for hver kategori som dekkes av IEC 62368-1.

Hva er IEC 62368-1?

IEC 62368-1 ble innført for å erstatte eldre standarder med en som definerer kretsbeskyttelse for å gi sikkerhet til elektrisk og elektronisk IKT-, AV- og IoT-utstyr med en klassifisert spenning som ikke overskrider 600 V (figur 1). Standarden er utformet for å beskytte personer som installerer, vedlikeholder og bruker slikt utstyr, og gjenspeiler HBSE-tilnærmingen som teknikere nå benytter for å oppnå sikker produktutvikling. HBSE erstatter den tidligere forskriftstekniske tilnærmingen – som fastsatte et sett regler som beskyttelseskretser skulle overholde – med en tilnærming som tar hensyn til farene som et produkt sannsynligvis vil bli eksponert for. Resultatet er sikkerhetskretser som beskytter brukeren selv om produktet svikter når det utsettes for en av de identifiserte farene.

Figur 1: IEC 62368-1 erstatter de eldre sikkerhetsstandardene IEC 60951-1 og IEC 60065 med en som dekker IKT, AV og andre produkter som IoT og batteridrevne elektroniske enheter. (Bildekilde: Littelfuse)

IEC 62368-1 gjelder ikke bare for sluttbrukerproduktet, men også for komponentene og delsystemene (for eksempel strømforsyninger) som brukes til å konstruere sluttproduktet. I en uspesifisert periode tillater den nye standarden midlertidig gjenbruk av konstruksjoner og undermoduler som var i samsvar med de eldre standardene. Teknikere forventes å innføre den nye standarden for viktige markeder som Nord-Amerika, Storbritannia, Japan og Australia/New Zealand.

Kretsbeskyttelse for personer

Samsvar med IEC 62383-1 krever at en tekniker benytter en HBSE-metodikk. Dette innebærer:

• Identifisering av energikilder (ES – energy source) som brukes av produktet
• Måling av energinivåene som produseres av disse kildene
• Fastsette om energien fra kildene er farlig
• Klassifisering av farenivået
• Identifisere om faren kan forårsake skade eller brann
• Fastsette hensiktsmessige sikkerhetstiltak for å:
  • Beskytte personer mot smerte og skade fra de klassifiserte farene
  • Redusere sannsynligheten for personskader eller skader på eiendom på grunn av brann forårsaket av feil i utstyret
• Måling av effektiviteten til disse sikkerhetstiltakene

Standarden beskriver tre klasser av energikilder (ES-er). En klasse 1 ES (ES1) forblir under klasse 1-grenser under normale driftsforhold, unormale driftsforhold eller i nærvær av én enkelt feil. Energien til stede kunne detekteres av en person, men ville ikke være smertefull eller tilstrekkelig til å forårsake antennelse. Det kreves ingen sikkerhetstiltak for å beskytte vanlige brukere mot ES-er i klasse 1.

Energinivåene i klasse 2 ES (ES2) overskrider klasse 1-grensene, men holder seg under klasse 2-grensene under produktdriftsforhold som er normale, unormale eller med én feiltilstand. Energien som er til stede kan være tilstrekkelig til å forårsake smerte, men vil sannsynligvis ikke forårsake personskader. Energien som til stede kan være tilstrekkelig til å forårsake antennelse under visse forhold. Minst ett sikkerhetstiltak er nødvendig for å beskytte vanlige brukere mot energikilder i klasse 2.

En klasse 3 ES (ES3) er den farligste. Energien overskrider grenseverdien til klasse 2 under forhold som er normale, unormale eller med én feil, og kan forårsake personskade eller antennelse og spredning av brann. Personskadetypen forårsaket av en ES3 kan omfatte flimmer, hjerte-/åndedrettsstans eller forbrenninger på hud og/eller indre organer. En dobbel eller forsterket beskyttelse er nødvendig for å beskytte vanlige brukere mot en ES3.

Særlig fastsetter den nye standarden at overspenning tåler tersklene og kravene til overspenningsvern for de ulike kategoriene, som dekker ulike produkttyper og hvor de brukes.

Det er viktig for teknikeren å forstå at de faktiske strøm- og spenningsgrensene som gjelder for ES1, ES2 og ES3 varierer. For eksempel påvirkes spenningsgrensekravene av strømforsyningens driftsfrekvens. For spenninger fra en forsyning som opererer under 1 kHz, er ES1-grensen 30 V_rms, 42,4 V_peak og 60 VDC. ES2-grensen er 50 V_rms, 70,7 V_peak og 120 VDC.

Utstyret må overholde enten spenningsgrensen eller strømgrensen som er angitt i den gjeldende energiklassen, men trenger ikke å overholde begge. Grensene varierer også i henhold til normal eller unormal drift, eller én enkelt feiltilstand. Disse grensene er beskrevet i punkt 5 i standarden. Det er også underbestemmelser som dekker ting som grenser for pulsbølgeformer, i henhold til tid i avslått tilstand.

Kretsbeskyttelse for utstyr

Selv om beskyttelse av mennesker er den viktigste prioriteten til alle utstyrsprodusenter, er det også en prioritet å beskytte sluttproduktet mot skader fra spennings- og strømspisser. IEC 62368-1 bygger på de to eldre standardene og spesifiserer den minste motstandsklassifiseringen for utstyr for å sikre immunitet mot forbigående overspenninger og overstrømmer.

Standarden definerer tre «overspenningskategorier» (I, II og III) for utstyr på husholdningssiden av elektrisitetsmåleren. Utstyr på distribusjonssiden av måleren er i overspenningskategori IV.

Nærmere bestemt gjelder kategori I for utstyr som ikke er koblet til nettspenning (for eksempel batteridrevne bærbare enheter), mens kategori II gjelder for IKT- og AV-utstyr som kan kobles til bygningskabler. Kategori III er for systemer som utgjør en del av bygningsinfrastrukturen, for eksempel distribusjonskort, automatsikringer, ledninger, koblingsbokser, brytere, stikkontakter og industrielt utstyr.

Kategori II omfatter vanligvis utstyrskonstruksjoner basert på 120- eller 230-volts vekselstrømsnett, eller vekselstrømsforsyninger med et spenningsområde på 100 til 250 V. Standarden definerer at slikt utstyr skal ha en minimum forbigående toppspenning som tåler nivåer på 1,5 kV for en 120 V vekselstrømsforsyning og 2,5 kV for en 230 V vekselstrømsforsyning (figur 2).

Figur 2: IEC 62368-1 spesifiserer forskjellige overspenningskategorier, avhengig av hvor sluttproduktet brukes. Kategoriene I, II og III gjelder for produkter som brukes på husholdningssiden til den elektriske måleren, mens kategori IV omfatter produkter som brukes på distribusjonssiden. (Bildekilde: Littelfuse)

Kretskonstruksjon for å oppfylle IEC 62368-1-krav til overspenningsvern

Det er ikke så altfor vanskelig å konstruere kretser som oppfyller standardens krav til beskyttelse mot forbigående overspennings- og overstrømshendelser. Det som er viktig er å avlede den forbigående spissen bort fra det følsomme utstyret ved å tilby en alternativ ledebane. Det er to anbefalte teknikker avhengig av om strømforsyningen bruker differensiell modus eller differensiell modus og fellesmodus (figur 3A og B).

Figur 3: Beskyttelse mot forbigående spenning og strøm for IEC 62368-1 kategori II omfatter differensiell modus (A, topp) eller differensiell modus og fellesmodus (B, bunn). (Bildekilde: Littelfuse)

I ordningen for differensiell modus (3A) oppnås beskyttelse med en sikring (I) for å beskytte mot overstrømshendelser, kombinert med en termisk beskyttet metalloksidvaristor (TMOV – thermally protected metal oxide varistor) (II). TMOV omfatter to elementer, en termisk aktivert enhet konstruert for å åpnes i tilfelle overoppheting på grunn av unormal overspenning og en MOV. Under normal drift har MOV-en svært høy motstand, noe som gjør at normale driftsspenninger kan strømme gjennom kretsen. Ved høyere spenninger, for eksempel en forbigående spiss, viser MOV-en lav motstand, noe som kortslutter strømmen og hindrer den i å strømme gjennom til sluttproduktet.

Differensiell modus og fellesmodus benytter også sikringen og TMOV-en på tvers av de strømførende og nøytrale linjene, men legger til ytterligere to MOV-er og et gassutladningsrør (GDT – gas discharge tube). Som vist på figur 3B legges MOV-ene til på tvers av den strømførende linjen og jordlinjen, og den nøytrale linjen og jordlinjen, i serie med GDT. Under normal drift har GDT høy isolasjonsmotstand samt lav kapasitans og lekkasje. Når den imidlertid utsettes for høyspenningstransienter, blir den innkapslede gassen omgjort til plasma og spenningen avledes vekk fra sluttproduktet.

Selv om TMOV-alternativet anbefales (fordi det har termisk beskyttelse og gjennomgangs- og klemmespenning med lav energi), kan andre typer beskyttelse for differensiell modus vurderes, og samtidig være i samsvar med standarden. Eksempler omfatter en MOV, en beskyttelsestyristor samt en MOV (spesielt for produkter som modemer) eller en TVS-diode. For fellesmodusbeskyttelse er MOV-er pluss GDT-beskyttelse den eneste tillatte løsningen.

Ting blir litt vanskeligere for teknikeren når det kommer til komponentvalg. Enheter må oppfylle beskyttelseskriteriene som er definert i IEC 62368-1 for at sluttproduktet skal oppfylle standarden.

Sikringen (I) brukes til å forhindre skade på følsomme kretser under overstrømshendelser (og til å hjelpe sluttproduktet med å bestå feiltesting). Når det er tid for å velge sikringen, må teknikeren vurdere en komponent som:

• Unngår irriterende sikringsutløsninger
  • For eksempel må den ikke åpnes under normal drift eller åpnes under overspenningstesting
• Har en spenning over systemets normale driftsspenning
• Avbryter maksimale feilstrømmen på en trygg måte
• Passer den tilgjengelige plassen
• Oppfyller de påkrevde tredjepartssertifikasjonene (for eksempel IEC og UL)

Gode alternativer for et 240 VAC kategori II-produkt er 0215008.MRET1SPP, en enhet på 8 A, eller 0215012.MRET1P, en 12 A-modell, begge fra Littelfuse sin 215-serie. 215-serien er en keramisk sikringspatron på 20 ganger 5 mm med tidsforsinkelse og motstandsdyktighet mot overspenning, som er utformet for å overholde IEC-spesifikasjonene og samtidig tilby individuell beskyttelse til komponenter eller interne kretser.

Et hovedkrav for en sikring for dette bruksområdet er at avbruddsklassifiseringen må oppfylle eller overstige kretsens maksimale feilstrøm. Ellers vil ikke enheten fungere skikkelig, og det er fare for at skadelig strøm vil fortsette å strømme gjennom kretsen når sikringen skulle ha åpnet. Sikringene i 215-serien har en høy avbruddsklassifisering på 1,5 kV ved 250 VAC.

Ved valg av TMOV (II) (vist i kretsene illustrert i figur 3A og B) bør teknikeren se på følgende retningslinjer:

• TMOV-en bør overholde en standard for varistorkomponenter, for eksempel IEC 61051-1 eller IEC 61643-331
• Maksimal kontinuerlig driftsspenning (MCOV – maximum continuous operating voltage) er ≥ 1,25 ganger utstyrets klassifiserte spenning
  • For eksempel, for en vekselstrømsforsyning på 240 V, må MCOV til komponenten være minst 300 V
• TMOV-en skal tåle flere nedslag (slik det er definert av 2.3.6 i IEC 61051-2 eller 8.1.1 i IEC 61643-331)
  • For en vekselstrømsforsyning på 240 V skal for eksempel TMOV-en tåle 10 pulser på 2,5 kV/1,25 kA i kombinasjonsbølger på 1,2/50 μs spenning og 8/20 μs strøm
• Komponenten må bestå standardens overbelastningstester for varistorer
  • For eksempel, for en vekselstrømsforsyning på 240 V, bør testingen bruke 2 ganger klassifisert spenning (480 V) med en seriemotstand (R) på 3,84 kilohm (kΩ) (for påfølgende tester halveres R-verdien helt til kretsen åpnes) (figur 4)).

Figur 4: Overbelastningstestskjema. Beskyttelseskomponenten må utsettes for 2 ganger klassifisert spenningsoverbelastning, og testingen gjentas med trinnvis halverte verdier av R1 helt til kretsen åpnes. (Bildekilde: Littelfuse)

Littelfuse sin enhet TMOV14RP300EL2T7 er en god kandidat for dette bruksområdet. Enheten har en MCOV på 300 V (som oppfyller komponentstandardkravet for en vekselstrømsforsyning på 240 V) med en diameter på 14 mm, noe som er en tilstrekkelig innkapslingsstørrelse for å oppfylle kravet om flere nedslag. Dessuten, fordi TMOV14RP300EL2T7 er termisk beskyttet, er MCOV-en på 300 V tilstrekkelig til å bestå overbelastningstesten for varistorer. For en ytterligere sikkerhetsfaktor, bør en MOV som ikke er termisk beskyttet ha en MCOV på 420 V eller høyere. TMOV-en tåler en maksimal spenningsstrøm (<20 µs) fra én hendelse på opptil 6 kA. Figur 5 illustrerer overspenningsegenskaper for gjentatte overspenninger og overspenningsvarighet.

Figur 5: Egenskaper for gjentatt overspenning for Littelfuse sin MOV på 14 mm. Enheten tåler en maksimal spenningsstrøm (<20 µs) fra én hendelse på opptil 6 kA. (Bildekilde: Littelfuse)

Kravene til MOV-er og GDT-er som brukes til fellesmodus-beskyttelse, er også diktert av komponentstandarden IEC 61051-1- eller IEC 61643-331. Overholdelse av denne standarden gjør det mulig å bruke undermoduler konstruert av komponenter som er i samsvar med IEC 62368-1. I dette tilfellet må MOV-en oppfylle de samme MCOV- og overspenningskravene som er angitt for TMOV-en ovenfor, men siden de to enhetene brukes sammen med en GDT, utføres overbelastningstestene på den kombinerte beskyttelseskretsen, i stedet for MOV-en alene.

Littelfuse sin V10E300P MOV er godt egnet. Denne komponenten har en MCOV på 300 V og en diameter på 10 mm, noe som gjør den robust nok til å oppfylle standardens krav om flere nedslag. Den tåler en maksimal overstrøm på opptil 3,5 kA. For å oppfylle kravene i standarden, må GDT-en bestå en elektrisk styrke-test med en holdespenning på 2,5 kV, og oppfylle krav til klaring og krypning.

Littelfuse sin CG33.0LTR GDT er ett alternativ for dette bruksområdet. Dette er en høyspent enhet med to elektroder som er konstruert for overspenningsbeskyttelse og bruksområder med høy isolasjon. GDT har en isolasjonsmotstand på 10 gigaohm (GΩ) ved 100 V, og en kapasitet på <1,5 pikofarad (pf). Den har en gjennombruddsspenning på 4,6 kV og tåler en maksimal overstrøm på 10 kA.

Kombinasjonen av to V10E300P MOV-er og en enkelt CG33.0LTR GDT er i stand til å bestå overbelastningstesten som er beskrevet ovenfor, der TMOV-beskyttelseskretsen beskrives.

Konklusjon

IEC 62368-1 introduserer en enkelt standard for kretsbeskyttelse av produkter som opererer med en strømforsyning på opptil 600 V, der tidligere separate standarder for IKT og AV ble anvendt. Den formaliserer også kretsbeskyttelse for produkter som ikke dekkes av den gamle standarden, for eksempel IoT og batteridrevne enheter. Selv om ingeniører som er kjent med de gamle standardene må endre sin tilnærming til konstruksjon, forenkler IEEE 62368-1 kretsbeskyttelsesteknikken og muliggjør høyere nivåer av sikkerhet og konstruksjonsfleksibilitet. I tillegg tilbyr produsenter av beskyttelseskomponenter som Littelfuse enheter og råd som gjør det enklere å konstruere kretser som er i samsvar med den nye standarden.