Jak splnit požadavky normy IEC 60335 na napájecí zdroj pro domácí spotřebiče a zařízení internetu věcí

Vydání nového bezpečnostního standardu IEC 60335 v reakci na rozšiřující se používání chytrých spotřebičů a zařízení připojených k internetu věcí (IoT) v domácnostech přineslo konstruktérům nové výzvy v oblasti napájení. Nedávno vydaná norma má přísné požadavky na izolační napětí, povrchové cesty a vzdušné vzdálenosti i svodové proudy v napájecích zdrojích AC-DC. Navrhování kompaktních a nákladově efektivních napájecích zdrojů AC-DC, které splňují četné požadavky, je obtížné a projít potřebným testovacím a schvalovacím procesem zvyšuje náklady a zpomaluje dobu do uvedení na trh.

Kromě konstrukčních výzev se očekává, že mnoho domácích spotřebičů bude používáno v prostředí, kde se vyskytuje vlhkost nebo voda. Obvody napájecích zdrojů AC-DC zahrnují vnitřní vysokonapěťové napájecí vedení, což ztěžuje návrh pouzdra, které je vhodné k použití ve vlhkém nebo mokrém prostředí.

K řešení těchto výzev a zároveň dodržení napjatých termínů a rozpočtů mohou konstruktéři použít napájecí zdroje AC-DC v pouzdru, které již certifikaci IEC/EN/UL 62368-1 mají a jsou navrženy tak, aby splňovaly požadavky norem IEC/EN/UL 61558/60335 pro aplikace v domácnostech.

V tomto článku jsou shrnuty základní požadavky normy IEC 60335-1, představen koncept testování vícenásobných současných poruch podle požadavků normy IEC 60335 a stručně je zde pojednáno o části 2 normy IEC 60335. Poté si zde představíme několik napájecích zdrojů AC-DC od společnosti CUI, které mohou konstruktéři použít k urychlení návrhu chytrých spotřebičů splňujících normu IEC 60335 a zařízení připojených k internetu věcí stejně jako komerčních zařízení informačních technologií (ITE).

Jaké jsou základní požadavky normy IEC 60335?

Norma IEC 60335 pokrývá „bezpečnost domácích a podobných elektrických spotřebičů“ se jmenovitým napětím až 250 voltů pro jednu fázi a až 480 voltů pro více fází. Norma IEC 60335-1 obsahuje základní požadavky kladené na všechny domácí spotřebiče. Pro konstruktéry může být problematické porozumět tomu, jak se norma IEC 60335-1 liší od dříve zavedené bezpečnostní normy IEC 60950-1 pro ITE. Co se týče maximálních úrovní svodového proudu, izolačních napětí, povrchových cest a vzdušných vzdáleností, jsou si obě normy v něčem podobné a v něčem se liší.

Za normálního provozu s uzemněním protéká svodový proud v šasi nebo v ochranném zemnicím vodiči. Pokud je uzemnění z jakéhokoli důvodu přerušeno, může svodový proud protékat tělem jakékoli osoby obsluhující zařízení, což představuje potenciální nebezpečí. Norma IEC 60335-1 rozeznává dvě kategorie zařízení: přenosná a nepřenosná. Norma IEC 60950-1 zahrnuje tři kategorie zařízení: ruční, přemístitelná a nepřenosná. Přenosná zařízení jsou normou IEC 60335 omezena na 0,75 mA svodového proudu, stejně jako ruční zařízení v normě IEC 60950-1. Přemístitelná a nepřenosná zařízení jsou omezena na 3,5 mA svodového proudu v normě IEC 60950-1, stejná úroveň je stanovena pro nepřenosné spotřebiče v normě IEC 60335-1.

Požadavky na izolační napětí jsou v těchto dvou normách definovány také různě. Požadovaná úroveň izolace závisí na umístění v obvodu: vstup-výstup, výstup-zem nebo vstup-zem. Norma IEC 60950-1 obsahuje jednoduše pevné hodnoty, jako je izolace 3 kV mezi vstupem a výstupem. Norma IEC 60335-1 mění požadavek na izolaci vstup-výstup na základě pracovního napětí: Je specifikováno jako 2,4 kV plus 2,4násobek pracovního napětí. Pro případ izolace výstup-zem nemá IEC 60335-1 žádný požadavek, zatímco norma IEC 60950-1 specifikuje 500voltovou izolaci.

Rozdíly jsou také patrné v tom, jak se tyto dvě normy staví k povrchové cestě a vzdušné vzdálenosti. Zatímco obě normy spoléhají při definování povrchové cesty a vzdušné vzdálenosti na pracovní napětí a typ izolace (základní nebo zesílená), požadavky mohou být při porovnávání norem IEC 60950-1 a IEC 60335-1 stejné, přísnější nebo volnější.

Nejkratší vzdálenost mezi dvěma vodivými částmi po povrchu je definována jako povrchová cesta (obrázek 1). Když se pracovní napětí pohybuje mezi 250 a 300 volty, je norma IEC 60335-1 přísnější a vyžaduje povrchovou cestu 8,0 mm pro zesílenou izolaci, zatímco norma IEC 60950-1 vyžaduje povrchovou cestu 6,4 mm. Je-li pracovní napětí mezi 200 a 250 volty, oba standardy nařizují povrchovou cestu 5,0 mm.

Obrázek 1: Povrchová cesta se měří na povrchu izolace. (Zdroj obrázku: společnost CUI)

Vzdálenost mezi dvěma vodivými částmi vzduchem je vzdušná vzdálenost (obrázek 2). Požadavek na vzdušnou vzdálenost je v normě IEC 60335-1 pouze 3,5 mm, zatímco norma IEC 60950-1 je přísnější a vyžaduje 4,0 mm při zesílené izolaci a pracovním napětí mezi 150 a 300 volty.

Obrázek 2: Vzdušná vzdálenost se měří vzduchem. (Zdroj obrázku: společnost CUI)

Norma IEC 60335 také vyžaduje, aby zařízení splňovala stupeň ochrany proti vniknutí (IP) podle definice ve standardu IEC 60529. Hodnocení IP je založeno na prostředí, ve kterém se spotřebič používá. Očekává se, že mnoho domácích spotřebičů bude fungovat bezpečně za přítomnosti vlhkosti nebo vody. Norma IEC 60529 definuje specifické úrovně ochrany potřebné v závislosti na klasifikaci spotřebiče.

Nad rámec základů

Chytré spotřebiče a zařízení připojená k internetu věcí, které tvoří dnešní chytrou domácnost, jsou mnohem sofistikovanější než tradiční spotřebiče. Často zahrnují dotykové obrazovky, softwarová rozhraní, digitální řízení, bezdrátovou nebo kabelovou konektivitu přes internetový protokol (IP) a další funkce (obrázek 3). Kvůli této přidané složitosti pokrývá norma IEC 60335 možnost výskytu dvou poruch současně, nikoli pouze jednobodové poruchy. To je kontrast oproti bezpečnostní normě IEC 60950-1, která usiluje o bezpečný provoz pouze po jednotlivých poruchách.

Obrázek 3: Příklady chytrých spotřebičů zahrnují chladničky s displeji s vysokým rozlišením a IP konektivitou (vlevo) a toustovače s ovládáním přes dotykovou LCD obrazovku (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost CUI)

Norma IEC 60335-1 bere v úvahu kombinace dvou hardwarových chyb nebo kombinaci hardwarové a softwarové chyby. Tyto testy mohou být zvláště důležité pro zařízení výkonové elektroniky, která často zahrnují nějakou formu digitálního řízení nebo monitorování. Mnoho návrhů zahrnuje to, co norma IEC 60335-1 označuje jako „ochranné elektronické obvody“ (PEC). Koncepce PEC přesahuje v normě IEC 60335 hardware a zahrnuje různé softwarové funkce, jako je software pro detekci chyb. Norma vyžaduje, aby zařízení udržovalo bezpečný provoz, když dojde k poruše PEC po jiné poruše, jako je porucha základní izolace, a také když porucha PEC nastane před jinou poruchou. Systém musí zůstat bezpečný.

Požadavek při vícenásobném selhání zahrnuje také specifikace elektromagnetické kompatibility (EMC). Norma IEC 60335 vyžaduje, aby bylo po selhání PEC provedeno testování EMC. Jsou například odpojeny svodiče přepětí na AC vstupu. Tento test zahrnuje vnitřní napájecí zdroj, aby se zajistilo, že se nedostane do nebezpečných provozních podmínek v reakci na elektromagnetické rušení (EMI) po selhání PEC.

Norma IEC 60355 vyžaduje, aby firmwarové nebo softwarové ovládací prvky fungovaly bezpečně s EMI aplikovaným za podmínek jediné poruchy, jako je porucha PEC. Kromě systémových ovládacích prvků se tento požadavek vztahuje na jednotlivé napájecí zdroje AC-DC, převodníky DC-DC a ovladače motoru s digitálním řízením. Tato zařízení musí být testována v systému, aby tento požadavek splnila.

Druhá část normy IEC 60355

Na rozdíl od normy IEC 60950 má standard IEC 60335 dvě části. Část 2 (IEC 60335-2) obsahuje požadavky specifické podle spotřebiče, které pokrývají více než 100 různých typů spotřebičů od toustovačů po klimatizační systémy. Konstruktéři by se měli s částí 2 seznámit, protože se vztahuje na konstrukci konkrétních spotřebičů. Pokud jsou specifikovány, mají požadavky části 2 přednost před základními požadavky v části 1.

S částmi 1 a 2 se nakládá jinak v USA a jinak v Evropě. Norma UL 60335-1 v USA je s normou IEC 60335-1 harmonizována, ale norma UL neuznává všechny standardy části 2. V Evropě byla norma EN 60335-1 rovněž harmonizována se standardem IEC 60335-1 a na rozdíl od normy UL tato norma EN uznává téměř všechny standardy části 2 pro konkrétní produkty.

Navrhování ke splnění normy 60335

Ke zjednodušení návrhu části s napájecím zdrojem při současném splnění požadavků normy 60335 mohou konstruktéři chytrých spotřebičů, zařízení připojených k internetu věcí a komerčních ITE použít předpřipravené moduly. Například řada PSK napájecích zdrojů AC/DC v pouzdru od společnosti CUI má certifikaci IEC/EN/UL 62368-1 a je navržena tak, aby splňovala normy IEC/EN/UL 61558/60335 pro domácí aplikace. Tyto napájecí zdroje jsou nabízeny v úrovních výkonu od 2 do 60 wattů s účinností až 90 % a dodávají se v různých stylech montáže včetně montáže na desku, montáže na šasi nebo na lištu DIN (obrázek 4).

Obrázek 4: Napájecí zdroje AC-DC v pouzdru řady PSK společnosti CUI jsou k dispozici ve stylu montáže na desku (vpravo dole), na šasi (vlevo dole) a na lištu DIN (nahoře). (Zdroj obrázku: společnost CUI)

Příklady napájecích zdrojů řady PSK zahrnují:

• Model PSK-10D-12-T, který pracuje v širokém vstupním rozsahu 85 až 305 V AC nebo 100 až 430 V DC a s výstupem 12 V DC při až 10 wattech v pouzdru pro montáž na šasi.
• Model PSK-S2C-24, který má vstupní rozsah 85 až 305 V AC nebo 120 až 430 V DC a dodává až 2 watty při 24 V DC v pouzdru pro montáž na desku.
• Model PSK-20D-12-DIN, který dodává 20 wattů při 12 V DC a má vstupní rozsah 85 až 305 V AC nebo 100 až 430 V DC v pouzdru na lištu DIN.

Napájecí zdroje AC-DC řady PSK mají izolaci vstup-výstup 4 kV AC, široký rozsah vstupního napětí a široký rozsah provozních teplot od −40 do +70 °C, přičemž některé modely jsou dimenzovány až na 85 °C. Řada také nabízí jednotlivá výstupní napětí 3,3, 5, 9, 12, 15 a 24 V DC spolu s nadproudovou, přepěťovou a nepřetržitou ochranou proti zkratu.

Při práci s moduly je třeba mít na paměti několik věcí. Některé externí komponenty jsou nutné pro ochranu a filtrování a také pro splnění požadavků na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Mnoho z těchto informací je uvedeno v přiložených katalogových listech.

Například u referenčního návrhu aplikace modelu PSK-10D-12-T společnosti CUI je pojistka s pomalou reakcí 2 A / 300 V dodávána vpředu spolu s metaloxidovým varistorem (MOV) (obrázek 5).

Obrázek 5: Referenční návrh pro model PSK-10D-12-T ukazuje umístění vstupní ochrany a výstupní filtrační komponenty (nahoře) a jejich příslušné hodnoty (dole). (Zdroj obrázku: společnost CUI)

Výstupní filtrace se provádí pomocí vysokofrekvenčního elektrolytického kondenzátoru (C2) a keramického kondenzátoru (C1). Je důležité, aby měl kondenzátor C2 nízký ekvivalentní sériový odpor (ESR) a měl alespoň 20% rezervu na jmenovité výstupní napětí. Umístění diody pro potlačení přechodového napětí (TVS) těsně před zátěž pomůže chránit elektroniku v (nepravděpodobném) případě selhání převodníku.

Ke splnění požadavků EMC doporučuje společnost CUI přidat do modulu 6,8ohmový 3wattový rezistor (R1) přímo před AC vstup (obrázek 6).

Obrázek 6: K EMC ochraně by měl být R1 přidán na AC vstupní vedení, jak je znázorněno. (Zdroj obrázku: společnost CUI)

Závěr

Vzhledem k tomu, že počet zařízení pro chytrou domácnost a zařízení připojených k internetu věcí neustále roste, musí konstruktéři porozumět důsledkům bezpečnostní normy IEC 60335 a také jejímu vztahu ke standardu IEC 60950. Norma přímo ovlivňuje, jak jsou napájecí zdroje navrženy a kvalifikovány pro tyto aplikace, což vytváří určitá konstrukční omezení a vrstvy složitosti.

Konstruktéři se mohou obrátit na napájecí zdroje AC-DC v pouzdrech, které podporují řešení vyhovující normě IEC 60335, aby se s těmito složitostmi vypořádali. Tato vysoce účinná zařízení s vysokou hustotou výkonu jsou k dispozici v různých stylech pouzder včetně montáže na šasi, na desku a na lištu DIN. Jak je ukázáno, dodržením některých základních osvědčených konstrukčních postupů mohou tato zařízení výrazně snížit náklady na vývoj a zkrátit dobu do uvedení na trh.

Doporučeno k přečtení

1. Přehled krytí IP a vodotěsných konektorů
2. Jak jednoduchá lišta DIN řeší modularitu, flexibilitu a pohodlí v průmyslových systémech