Det er viktig å benytte korrekt strømforsyning for å oppfylle den nye elsikkerhetsstandarden for forbrukerprodukter IEC/UL IEC-62368

Forbrukerproduktdesignere må oppfylle en rekke sikkerhetsrelaterte krav i tillegg til mange funksjons- og ytelsesmål, samt oppgaver for effektivitet og elektromagnetisk interferens (EMI). Disse lovbestemte kravene er komplekse, men med den nye standarden – IEC 62368-1-sikkerhetsstandarden for informasjons- og kommunikasjonsteknologi (ICT) og lyd/video (A/V)-utstyr – blir det lettere for designere, men bare hvis de forstår standardens formål og krav.

I skrivende stund er det to standarder i utbredt bruk som dekker disse områdene: IEC 60950-1, Utstyr for informasjonsteknologi – sikkerhet, og IEC 60065, Lyd, video og lignende elektroniske apparater – sikkerhetskrav. 20. desember 2020 trekkes disse tilbake og erstattes av standarden IEC 62368-1.

Den nye standarden gjør mer enn bare å eliminere forskjeller og overlapping mellom de to produktklassene i de eldre standardene. Den endrer sikkerhetsperspektivet fra en «hendelsesbasert» til en «farebasert» vurdering, med en tilsvarende endring i krav for å samsvare med eksisterende teknologier, men uten å begrense fremvoksende fremskritt.

I denne artikkelen blir rollen til og de viktigste punktene i IEC 62368-1, samt dens innvirkning på design, drøftet. Deretter blir det sett nærmere på funksjoner og delsystemer – spesielt strømforsyninger – som spiller en viktig rolle for å oppfylle den nye standarden. Til slutt introduseres strømforsyningsløsninger fra CUI Inc. som oppfyller standarden, slik at konstruktører kan få produkter godkjent på en enklere måte og markedsført raskere.

IEC 62368-1: Hvorfor, og for hvilke produkter

For bare 20 år siden var det tydelige forskjeller mellom A/V-produkter og informasjonsteknologi (IT), dvs. dataprodukter. Som et resultat av dette hadde hver av disse tradisjonelle produktklassene sin egen tilknyttede sikkerhetsstandard. Fremskritt og endringer i teknologi og produkter visket imidlertid ut skillet mellom disse to gruppene, og overlappingen mellom dem økte. Dette resulterte i en ny, felles sikkerhetsstandard for å erstatte de individuelle standardene.

Den opprinnelige versjonen av IEC 62368-1 ble utviklet av IEC (International Electrotechnical Commission), et av verdens eldste vurderingsorganer for standardproduksjon. IEC opprettet en teknisk komité (TC) 108, bestående av eksperter, akademikere og offentlige tjenestemenn, som hadde i oppgave å utvikle en ny standard som skulle erstatte IEC 60065 og IEC 60950-1, i stedet for bare å revidere og oppdatere hver enkelt standard (figur 1). Den resulterende TC 108-utviklede standarden ble deretter formelt vedtatt av IEC, og mange land og regioner, inkludert USA, «tilpasset seg» denne standarden.

Figur 1: IEC 62368-1 er en helt ny sikkerhetsstandard med en ny tilnærming som dekker et bredt spekter med forbruker- og kontorprodukter, men den har også en utviklingshistorie og -kontekst. (Bildekilde: Power Systems Design)

Produktklassene som dekkes av IEC 62368-1, inkluderer, men er ikke begrenset til, følgende:

• Databehandlings- og nettverksprodukter (servere, PC-er, rutere, bærbare datamaskiner, nettbrett og tilhørende strømforsyninger)
• Forbrukerelektronikk (forsterkere, hjemmekinosystemer, digitalkameraer og personlige musikkspillere)
• Skjermer og visningsenheter (monitorer, TV-er og digitale projektorer)
• Telekommunikasjonsprodukter (utstyr for nettverksinfrastruktur, trådløse telefoner og mobiltelefoner, og lignende kommunikasjonsenheter, inkludert batteridrevne enheter)
• Kontorutstyr (kopimaskiner og makuleringsmaskiner)
• Diverse andre typer lyd/video-, informasjons- og kommunikasjonsteknologiutstyr som brukes i hjemmet, på skoler og i lignende institusjoner og omstendigheter

IEC 62368-1 er ikke bare en enkel revisjon som oppdaterer og fusjonerer de to forgjengerne. I stedet bruker den en farebasert tilnærming, formelt kalt farebasert sikkerhetsteknikk (HBSE), til å dekke sikkerhetsproblemer relatert til både elektronisk utstyr og IT/kommunikasjonsteknologi. Heller enn å se på og definere detaljerte beskrivelser av sikkerhetskrav, understreker den nye tilnærmingen risikoene som kan oppstå, samtidig som den gir produsentene muligheten til å bestemme hvordan de vil designe denne risikobeskyttelsen. Den legger derfor mer vekt på å evaluere sikkerheten til et produkt under designfasen. Med HBSE-prinsippene har IEC 62368-1 disse attributtene:

• Den er mer ytelsesorientert, men tillater også (for øyeblikket) aksepterte konstruksjoner hvis de tidligere er påvist som sikre (for eksempel i IEC 60065 og/eller IEC 60950-1)
• Den er teknologiuavhengig (innenfor definerte grenser) og muliggjør mer designfrihet
• Den gjelder for et stort utvalg eksisterende elektroniske produkter, men støtter også innføring av ny teknologi på det globale markedet

20. desember 2020 trekkes IEC/UL/CSA 60950-1 og IEC/UL/CSA 60065 tilbake. Etter denne datoen må produsentene oppfylle IEC/UL 62368 for å sikre samsvar hvis de ønsker å tilby produkter på markedet.

Vær oppmerksom på at det finnes en viktig, men midlertidig bestemmelse som gjør det mulig for selskaper å fortsette å bruke beholdningen av 60950-1- eller 60065-deler i produkter som er sertifisert i henhold til 62368-1. Det vil si at det finnes en overgangsordning for beholdningen i enkelte situasjoner og områder. Dette er spesifisert i paragraf 4.1.1: «Komponenter og delmonteringer som samsvarer med IEC 60950-1 eller IEC 60065, aksepteres som en del av utstyr som dekkes av denne standarden uten ytterligere evaluering annet enn å ta hensyn til riktig bruk av komponenten eller delmonteringen for sluttproduktet.» Denne «hensynstakingen» kan, for en oppført strømforsyning, for eksempel være så enkel som å sikre at produktet kun brukes innen dets etablerte elektriske verdier.

HBSE: Hva det betyr

HBSE krever at produktprodusenter viser at kjente farer er vurdert, og at produktet er utformet for å være trygt å bruke i den forventede sammenhengen. Med andre ord, i stedet for å si: «Du må beskytte brukeren mot denne bestemte situasjonen, for eksempel et kjent høyspenningspunkt som kan være eksponert,» sier den i stedet, «du må vurdere de ulike farene og håndtere dem på riktig måte, basert på hver faretype og hvert farenivå.»

Når du gjør dette, flyttes fokuset vekk fra at produsenter kun viser at de foreskrevne spesifikasjonene er oppfylt. Vær oppmerksom på at den ikke krever risikoanalyse, mens andre standarder fortsatt krever det, for eksempel IEC 60601-1 – Medisinsk elektrisk utstyr – del 1–2: Generelle krav for grunnleggende sikkerhet og avgjørende ytelse – Sikkerhetsstandard: Elektromagnetiske forstyrrelser – Krav og tester.

HBSE setter seg som mål å beskytte brukere av utstyr ved å kreve at produsenter identifiserer potensielt farlige energikilder, samt mekanismene som kan overføre denne energien til en bruker. Deretter må de foreslå og implementere egnede måter å hindre at slike overføringer skjer – ved både normale driftsforhold og feiltilstander. Sikkerhetstiltakene er opprettet for å beskytte mot smerter eller skader forårsaket av elektrisk energi (elektrisk støt) eller brannskader, og/eller for å forhindre elektrisk forårsaket brann som kan føre til smerte, personskade, død eller skade på eiendom. HBSE vurderer også effektiviteten til sikkerhetstiltakene.

HBSE-modellen består av tre blokker: energikilde, overføringsmekanisme og kroppsdel (figur 2). «Løsningen» på risikoen som energikilden utgjør, uttrykkes på lignende måte som treblokksmodellen, men med et opprettet sikkerhetstiltak for energioverøringsmekanismen.

Figur 2: Strategien til IEC 62368-1 er å identifisere farlige energikilder og deres mulige baner til brukeren, og deretter sørge for sikkerhetstiltak mot denne energibanen og -flyten. (Bildekilde: InComplianceMag.com)

IEC 62368-1 krever også at produsenten tar hensyn til sikkerhetstiltaknivåene som er nødvendige med hensyn til ulike typer brukere og energikilder. Disse har tre kategorier hver. For brukere er disse tre kategoriene «kompetent person», «instruert person» og «vanlig person». Energikilder klassifiseres i henhold til en tabell, med en forenklet versjon som vist i figur 3.

Figur 3: IEC 62368-1 anerkjenner tre farevurderinger for energikilder, og definerer deretter i hvilken grad, om noen, sikkerhetstiltak må iverksettes for hver av disse. (Bildekilde: CUI)

De to graderingene av brukernivå og energikilde kombineres deretter i en matrise (figur 4).

Figur 4: Standarden IEC 62368-1 kombinerer energikilderisiko og brukerens ferdighetsnivå og ekspertise for å etablere hvilket sikkerhetsnivå og hvilken sikkerhetstype som er nødvendig for energikilden. (Bildekilde: SGS SA)

Brukere er mindre sårbare når de beveger seg nedover radene fra vanlig person til kompetent person, mens energikilder blir mer farlige ettersom energiklassen øker, og beveger seg på tvers av radene fra venstre mot høyre. Ifølge standarden må en vanlig person som bruker et klasse 3-produkt (energikilde 3 eller ES3), ha et ekstra eller forsterket sikkerhetstiltak, for eksempel dobbel isolering eller en spesiell skjerming, mens en kompetent person som bruker et ES3-produkt ikke trenger samme beskyttelsesnivå.

IEC 62368-1 bruker en firetrinns prosess:

• Først må du identifisere energikildene
• Deretter karakteriserer du dem som klasse 1, 2 eller 3
• Identifiser så egnede sikkerhetstiltak
• Mål til slutt effektiviteten til de valgte sikkerhetstiltakene

Sikkerhetstiltakene er delt inn i to grupper – tilnærminger og nivåer – der «tilnærminger» spesifiserer metoden(e) som sikkerhetsfunksjonene har, og «nivåer» karakteriserer sikkerhetsstyrken (figur 5).

Figur 5: IEC 62368-1 identifiserer det egnede nivået for det nødvendige sikkerhetstiltaket, og analyserer deretter tilnærmingene til implementeringen. (Bildekilde: SGS SA)

Se på energi først

Energinivåer, samt spenning og strøm, er nøkkelen til overholdelse. Hvis energinivået er lavt (ES1), er det lite eller ingenting å bekymre seg for. Vær oppmerksom på at de bestemte strøm- og spenningsgrensene som svarer til ES1, ES2 og ES3, varierer og kan også bestemmes av frekvens. For eksempel så er ES1-grensen under 1 kilohertz (kHz) 30 volt rms, 42,4 volt topp og 60 volt DC (likestrøm), mens ES2-grensen er 50 volt rms, 70,7 volts topp, og 120 volt DC.

For å gjøre situasjonen mer komplisert må utstyret må overholde enten spenningsgrensen eller strømgrensen som er angitt i den gjeldende energiklassen, men trenger ikke å overholde begge. I tillegg varierer grensene som definert av standardene, i henhold til normal eller unormal drift, eller én feiltilstand. Det finnes til og med underseksjoner som beskriver begrensningene på pulserende bølgeformer og når de er avslått (figur 6 og figur 7).

Figur 6: Siden elektriske branner forårsakes av en kombinasjon av strøm og tid, ser IEC 62368-1-standarden på forholdet mellom disse to nøkkelparameterne. (Bildekilde: CUI)

Figur 7: Standarden karakteriserer også energinivåene som kan forårsake elektrisk brann. (Bildekilde: CUI)

Hva bør en konstruktør gjøre?

Designere som tror de forstår den nye standarden, og som dermed enkelt kan overholde den, passer inn i én av to grupper:

1. Noen som har tatt standardrelaterte kurs, gjennomgått opplæring, allerede arbeidet med eksisterende IEC-standarder, og har personlig vært gjennom godkjenningsprosessen.
2. Noen som er naive og/eller dumdristige. Dette er fordi standarden har et komplisert sett med krav som noen ganger kan være forvirrende. I tillegg innebærer identifisering av sikkerhetstiltaksalternativene å foreta valg fra en lang liste. Det er ikke innlysende eller trivielt å vite hvilket sikkerhetstiltak man skal bruke samt hvor og hvordan man bruker det.

Sikkerhetstiltakene man må vurdere inkluderer, men er ikke begrenset til, beskyttende jording («sann jording»), elektriske kabinetter, brannsikre kabinetter og isolering. Det finnes også installerte sikkerhetstiltak, for eksempel sammenkobling til ekstern jording og instruerende sikkerhetstiltak, inkludert sikkerhetsmerking. Til slutt finnes det også forebyggende sikkerhetstiltak som er utformet for tilfeller der vanlige brukere blir instruert av kompetente personer, og til og med såkalte «ferdighetsbaserte» sikkerhetstiltak som gjør det mulig å stole på evnen en erfaren utøver har til å beskytte seg selv mot farene som eksisterer i energikildene i klasse 2 og klasse 3.

Først må du fokusere på forsyningen

Det første spørsmålet en designer må stille er: Hva er den viktigste kilden til energien som gjør at dette designet utgjør en risiko? For mange av produktene som dekkes av denne standarden, er svaret innlysende: det er AC (vekselstrøm)-strømforsyningen. Hvis en strømforsyning som samsvarer med standarden er valgt, og deretter distribuert på riktig måte, forsvinner store deler av samsvarsproblemet, og designutfordringen blir sterkt redusert.

Heldigvis har forsyningsleverandørene, som CUI, studert og analysert den nye standarden, slik at de er klare til tidsfristen i desember 2020, og de tilbyr allerede et utvalg AC (vekselstrøm)-forsyninger som overskrider kravene. Disse strømforsyningene spenner fra lavstrømsenheter (under 10 watt), til mellomstrømsenheter og til større forsyninger med en wattstyrke på over 100. Tre eksempler illustrerer rekkevidden og kapasiteten til disse strømforsyningene.

CUI SWI6-9-N-P5 er en AC–DC (vekselstrøm likestrøm)-veggadapter på 9 volt og 6 watt som er en del av en adapterserie med utganger fra 3,3 volt til 15 volt (figur 8). Den driftes fra 90 til 264 volt AC (vekselspenning) og oppfyller DoE (Department of Energy)-nivå VI med et tomgangsstrømforbruk på under 0,1 watt. Den inkluderer beskyttelse mot overstrøm, overspenning og kortslutning i en kompakt eske som veier 78 gram (2,75 oz) med mål på 56 mm × 28 mm × 42 mm (2,2 × 1,1 × 1,65 tommer).

Figur 8: SWI6-9-N-P5 fra CUI Inc. er en AC–DC (vekselstrøm likestrøm)-veggadapter på 9 volt og 6 watt som er fullstendig i samsvar med IEC 62368-1 for ekstern bruk. (Bildekilde: CUI)

CUI SMI18-24-V-P5 er en veggadapter på 24 volt og 18 watt med flerblads pluggadaptere for høyere spenninger og merkeeffekter. Denne er en del av en serie enheter på 5 til 24 volt (figur 9). Denne enheten oppfyller DoE-nivå VI-, CoC-nivå 2-effektivitetsklasser med et tomgangsstrømforbruk på under 0,075 watt, og har beskyttelse lignende enheten på 6 watt. En unik egenskap ved denne universelle inngangsforsyningen på 170 gram (6 oz), 75 × 35,8 × 65,6 mm (3 × 1,4 × 2,6 tommer), er at den inkluderer utskiftbare AC-blader for global bruk (Nord-Amerika, Europa, Storbritannia, Australia og Kina).

Figur 9: SMI18-24-V-P5 er en IEC 62368-1-samsvarende veggadapter på 24 volt og 18 watt, som inkluderer et sett flerblads pluggadaptere, slik at den samme enheten kan brukes globalt. (Bildekilde: CUI)

Mange anvendelser trenger selvfølgelig enda høyere merkeeffekter, for eksempel de som tilbys av CUI SDI120-12-U-P51 AC–DC (vekselstrøm likestrøm)-skrivebordsadapteren. Den er klassifisert til 12 volt og 120 watt, og er en del av en serie på 12 volt til 48 volt med denne merkeeffekten (figur 10). Den IEC 62368-1-klassifiserte forsyningen oppfyller DoE-nivå VI-effektivitet (tomgangsstrømforbruk ved 230 volt AC (vekselspenning) er 0,21 watt), og den har en strømfaktor på mer enn 0,9. Den veier 580 gram (20,4 oz) og har mål på 168,1 × 65,9 × 39 mm (6,6 × 2,6 × 1,5 tommer). Den inkluderer ikke AC-ledning, men kan bestilles med en ledning som har blader og en konfigurasjon som samsvarer med det lokale AC-uttaket.

Figur 10: I situasjoner med høystrøm der en veggadapter ikke er passende eller ønskelig, er den eksterne SDI120-12-U-P51 AC–DC (vekselstrøm likestrøm)-skrivebordsadapteren tilgjengelig. Den passende AC-strømledningen velges separat. (Bildekilde: CUI)

Konklusjon

IEC/UL-62368-1-standarden for forbrukere og relaterte produkter trer i kraft på en fast dato i desember 2020. Det er en komplisert standard, og bruker en farebasert tilnærming som vurderer potensielle sikkerhetsproblemer og sikkerhetstiltak mot dem, noe som er svært forskjellig sammenlignet med tidligere standarder. Hvis du starter med å velge en AC–DC (vekselstrøm likestrøm)-forsyning som overskrider denne standardens krav, forenkles oppgaven til konstruksjonsteamet, og risikoen ved godkjenning av det endelige produktet reduseres.

CUI-referanser

1. «IEC 62368-1: En introduksjon til den nye sikkerhetsstandarden for ICT- og AV-utstyr»
2. «Det nyeste om IEC 62368-1: Mer tid til samsvar, men en kortere tidsfrist»