Hoe beveiligingscircuits te ontwerpen die voldoen aan de nieuwe AV/ICT-norm IEC 62368-1

In de loop der tijd zijn de grenzen tussen audiovisuele (AV) en informatie- en communicatietechnologie (ICT) steeds vager geworden (een voorbeeld hiervan zijn de multimediaproducten voor thuisgebruik, zoals smart-tv's). Bovendien zijn ingenieurs bij het ontwerpen van de bescherming van elektrische producten overgestapt op een op gevaren gebaseerde veiligheidsbenadering (Hazards Based Safety Engineering - HBSE). Deze trends waren van invloed op de normen ter bescherming van de mensen die dergelijke apparatuur installeren, onderhouden en gebruiken, waardoor ze verouderd raakten - net als een groot deel van de technische hardware die werd gebruikt om ervoor te zorgen dat AV- en ICT-producten aan de normen voldeden.

Vooruitlopend op deze eventualiteit heeft de IEC één enkele nieuwe norm ontwikkeld, namelijk IEC 62368-1(Informatie- en communicatietechnologieapparatuur - Deel 1: Veiligheidseisen). Deze nieuwe norm vervangt twee oudere normen (IEC 60950-1 en IEC 60065) door één norm die betrekking heeft op zowel ICT- als AV-apparatuur, alsook op producten zoals Internet of Things (IoT)-apparaten en elektronische apparaten op batterijen, die tot 600 volt werken. De norm is in december 2020 ingevoerd en gaat uit van een HBSE-benadering.

Dit artikel introduceert IEC 62368-1 en laat zien dat, hoewel het complexer kan lijken dan de voorgaande afzonderlijke normen, het de zaken vereenvoudigt en hogere niveaus van veiligheid en ontwerpflexibiliteit mogelijk maakt. Het artikel zal ook het gebruik introduceren en beschrijven van in de handel verkrijgbare elektrische beveiligingsproducten van Littelfuse die kunnen worden gebruikt om het gemakkelijker te maken producten en subsystemen te ontwerpen die voldoen aan de overspannings- en overspanningsvereisten voor elke categorie die in IEC 62368-1 wordt behandeld.

Wat is IEC 62368-1?

IEC 62368-1 werd aangenomen om oudere normen te vervangen door een norm die de circuitbeveiliging definieert voor de veiligheid van elektrische en elektronische ICT-, AV- en IoT-apparatuur met een nominale spanning van maximaal 600 volt (Afbeelding 1). De norm is ontworpen om mensen te beschermen die dergelijke apparatuur installeren, onderhouden en gebruiken, en weerspiegelt tevens de HBSE-benadering die ingenieurs tegenwoordig hanteren voor veiligheidstechniek. HBSE vervangt de vroegere prescriptieve engineering-benadering, die een reeks regels vastlegde waaraan beschermingscircuits moesten voldoen, door een benadering waarbij rekening wordt gehouden met de gevaren waaraan een product waarschijnlijk zal worden blootgesteld. Het resultaat zijn veiligheidscircuits die de gebruiker beschermen, zelfs als het product defect raakt wanneer het wordt blootgesteld aan een van de geïdentificeerde gevaren.

Afbeelding 1: IEC 62368-1 vervangt de oudere veiligheidsnormen IEC 60951-1 en IEC 60065 door een norm die betrekking heeft op ICT, AV en andere producten zoals IoT en elektronische apparaten die op batterijen werken. (Bron afbeelding: Littelfuse)

IEC 62368-1 is niet alleen van toepassing op het eindproduct, maar ook op de componenten en subsystemen (zoals voedingen) waaruit het is opgebouwd. Voor een onbepaalde periode staat de nieuwe norm tijdelijk het hergebruik toe van ontwerpen en subassemblages die aan de oudere normen voldeden. Verwacht wordt dat ingenieurs de nieuwe norm zullen goedkeuren voor belangrijke markten zoals Noord-Amerika, het Verenigd Koninkrijk, Japan en Australië/Nieuw-Zeeland.

Circuitbeveiliging voor mensen

De naleving van IEC 62383-1 vereist dat een ingenieur een HBSE-methode toepast. Dat betekent:

• De energiebronnen (ES) die door het product worden gebruikt, te identificeren
• Het meten van de energieniveaus die door deze bronnen worden geproduceerd
• Bepalen of de energie uit de bronnen gevaarlijk is
• Indeling van het gevaar
• Vaststellen of het gevaar letsel of brand kan veroorzaken
• Het bepalen van passende vrijwaringsregelingen om:
  • Bescherming van personen tegen pijn en verwondingen als gevolg van de geclassificeerde gevaren
  • De kans op letsel of materiële schade als gevolg van brand door een defect in de apparatuur te verkleinen
• Het meten van de doeltreffendheid van die waarborgen

De norm vermeldt drie klassen van ES. Een ES (ES1) van klasse 1 blijft onder de grenswaarden van klasse 1 bij normale bedrijfsomstandigheden, abnormale omstandigheden of bij één enkele storing. De aanwezige energie zou door een persoon kunnen worden waargenomen, maar zou niet pijnlijk zijn en zou onvoldoende zijn om ontsteking te veroorzaken. Er zijn geen voorzorgsmaatregelen nodig om de gewone gebruikers tegen ES van klasse 1 te beschermen.

De energieniveaus van klasse 2 ES (ES2) overschrijden de grenswaarden van klasse 1 maar blijven onder de grenswaarden van klasse 2 tijdens normale, abnormale of enkelvoudige storingen in de werking van het product. De aanwezige energie kan voldoende zijn om pijn te veroorzaken, maar is onwaarschijnlijk om letsel te veroorzaken. De aanwezige energie kan genoeg zijn om onder bepaalde omstandigheden ontbranding te veroorzaken. Er is ten minste één beveiliging nodig om de gewone gebruiker te beschermen tegen energiebronnen van klasse 2.

Een ES van klasse 3 (ES3) is het gevaarlijkst. De energie ervan overschrijdt de maximumlimiet van klasse 2 onder normale, abnormale of enkelvoudige storingsomstandigheden, en kan verwondingen, of ontsteking en uitbreiding van brand veroorzaken. Het soort letsel dat door een ES3 wordt veroorzaakt, kan zich uitstrekken tot fibrillatie, hart- en ademhalingsstilstand, of brandwonden aan huid en/of inwendige organen. Een dubbele of versterkte beveiliging is vereist om gewone gebruikers tegen een ES3 te beschermen.

De nieuwe norm bepaalt met name de overspanningsdrempels en de eisen inzake overspanningsbeveiliging voor de verschillende categorieën, die betrekking hebben op verschillende producttypes en op de plaats waar zij worden gebruikt.

Het is belangrijk dat de ontwerper begrijpt dat de werkelijke stroom- en spanningslimieten die voor ES1, ES2 en ES3 gelden, variëren. De vereisten voor de spanningsgrens worden bijvoorbeeld beïnvloed door de bedrijfsfrequentie van de voeding. Voor spanningen afkomstig van een voeding die onder 1 kilohertz (kHz) werkt, bedraagt de ES1-grens 30 volt _rms, 42,4 volt _piek, en 60 volt gelijkstroom. De ES2-limiet is 50 volt _rms, 70,7 volt _piek, en 120 volt gelijkstroom.

Apparatuur moet voldoen aan ofwel de spanningsgrens ofwel de stroomgrens die in de toepasselijke energieklasse wordt gespecificeerd, maar hoeft niet aan beide te voldoen. De limieten variëren ook naargelang de normale of abnormale werking, of een enkele fouttoestand. Deze grenswaarden worden nader omschreven in punt 5 van de norm. Er zijn ook sub-clausules, die betrekking hebben op zaken als limieten voor pulsgolfvormen, overeenkomstig de uit-tijd.

Circuitbescherming voor apparatuur

Hoewel de bescherming van mensen de eerste zorg is van elke fabrikant van apparatuur, is de bescherming van het eindproduct tegen schade door spannings- en stroompieken ook een belangrijke zorg. IEC 62368-1 bouwt voort op de twee oudere normen en specificeert de minimumweerstandswaarden voor apparatuur om immuniteit tegen transiënte overspanningen en overstromen te waarborgen.

De norm definieert drie "overspanningscategorieën" (I, II en III) voor apparatuur aan de huishoudzijde van de elektriciteitsmeter. Apparatuur aan de distributiezijde van de meter valt onder overspanningscategorie IV.

Categorie I is bestemd voor apparatuur die niet op het elektriciteitsnet is aangesloten (zoals draagbare apparaten die op batterijen werken), terwijl categorie II bestemd is voor stekkerklare ICT- en AV-apparatuur die op de bedrading van het gebouw is aangesloten. Categorie III is bestemd voor systemen die deel uitmaken van de infrastructuur van gebouwen, zoals verdeelborden, stroomonderbrekers, bedrading, aansluitdozen, schakelaars, stopcontacten en apparatuur voor industrieën.

Categorie II heeft in het algemeen betrekking op apparatuurontwerpen op basis van 120 of 230 volt wisselstroom, of voor een reeks als 100 tot 250 volt wisselstroomvoedingen. De norm bepaalt dat dergelijke apparatuur een minimale piekspanning moet weerstaan van 1,5 kilovolt (kV) voor een wisselstroomvoeding van 120 volt, en 2,5 kV voor een wisselstroomvoeding van 230 volt (figuur 2).

Afbeelding 2: IEC 62368-1 specificeert verschillende overspanningscategorieën afhankelijk van waar het eindproduct wordt gebruikt. De categorieën I, II en III hebben betrekking op produkten die aan de huishoudzijde van de elektriciteitsmeter worden gebruikt, terwijl categorie IV produkten omvat die aan de distributiekant worden gebruikt. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Circuitontwerp om te voldoen aan IEC 62368-1 overspanningsbeveiligingseisen

Het ontwerpen van circuits die voldoen aan de eisen van de norm inzake bescherming tegen transiënte overspannings- en overstroomgebeurtenissen is niet al te moeilijk. Het gaat erom de transiënte piek weg te leiden van de gevoelige apparatuur door een alternatief geleidingspad te bieden. Er zijn twee aanbevolen technieken, afhankelijk van het feit of de voeding een differentiële mode, dan wel een differentiële en common mode schema gebruikt (Afbeelding 3A en B).

Afbeelding 3: Bescherming tegen transiënte spanning en stroom voor IEC 62368-1 Categorie II omvat differentiële modus (A, boven), of differentiële en gemeenschappelijke modus schema's (B, onder). (Bron afbeelding: Littelfuse)

In de differentiële modus (3A) wordt de beveiliging gerealiseerd door een zekering (I) ter bescherming tegen overstroom, samen met een thermisch beveiligde metaaloxidevaristor (TMOV) (II). De TMOV bestaat uit twee elementen, een thermisch geactiveerd apparaat dat moet openen in geval van oververhitting ten gevolge van de abnormale overspanning en een MOV. Onder normale bedrijfsomstandigheden heeft de MOV een zeer hoge weerstand, waardoor normale bedrijfsspanningen door het circuit kunnen stromen. Bij hogere spanningen, zoals een voorbijgaande piek, vertoont de MOV een lage weerstand, waardoor de stroom niet kan doorstromen naar het eindproduct.

Het schema voor differentiële en gemeenschappelijke modus maakt ook gebruik van de zekering en TMOV over de stroom- en nulleidingen, maar voegt twee extra MOV's en een gasontladingsbuis (GDT) toe. Zoals afgebeeld in Afbeelding 3B worden de MOV's in serie met de GDT toegevoegd over de stroom- en aardleiding, en de nul- en aardleiding. Bij normaal gebruik hebben GDT's een hoge isolatieweerstand en een lage capaciteit en lekkage. Bij blootstelling aan hoogspanningstransiënten verandert het ingesloten gas echter in plasma en wordt de spanning weggeleid van het eindproduct.

Hoewel de TMOV-optie wordt aanbevolen (omdat zij thermische bescherming biedt, en een lage doorlaat- en klemspanning), kunnen ook andere vormen van differentiële-modebescherming worden overwogen, zonder dat dit ten koste gaat van de conformiteit met de norm. Voorbeelden zijn een MOV, een beveiligingsthyristor plus een MOV (vooral voor producten zoals modems), of een TVS-diode. Voor beveiliging tegen gemeenschappelijke modus zijn de MOV's plus GDT-beveiliging de enige toegestane oplossing.

Waar het voor de ingenieur wat lastiger wordt, is bij de keuze van de onderdelen. Apparaten moeten voldoen aan de in IEC 62368-1 gedefinieerde beschermingscriteria, wil het eindproduct aan de norm voldoen.

De zekering (I) wordt gebruikt om schade aan gevoelige circuits bij overstroom te voorkomen (en om het eindproduct door de fouttest te helpen). Bij het overwegen van de zekering, moet de ontwerper een component overwegen die:

• Vermijdt hinderlijke trips
  • Hij mag bijvoorbeeld niet opengaan tijdens normaal bedrijf of opengaan tijdens het testen van piekpulsen
• Een spanning heeft die hoger is dan de normale bedrijfsspanning van het systeem
• Onderbreekt veilig de maximale foutstroom
• Past in de beschikbare ruimte
• Voldoet aan de vereiste certificeringen van derden (bijvoorbeeld IEC en UL)

Goede opties voor een 240 volt AC categorie II product zijn de 0215008.MRET1SPP, een 8 amp (A) apparaat, of de 0215012.MRET1P, een 12 A model, beide uit de 215-serie van Littelfuse. De 215-serie is een 20 bij 5 millimeter (mm) overspanningsbeveiliging met overspanningsbeveiliging en een keramisch lichaam, ontworpen om te voldoen aan de IEC-specificaties en tegelijk individuele bescherming te bieden voor componenten of interne circuits.

Een belangrijke eis voor een zekering in deze toepassing is dat het onderbrekingsvermogen moet voldoen aan de maximale foutstroom van het circuit of deze overschrijden. Anders werkt het apparaat niet naar behoren en bestaat het risico dat er schadelijke stroom in het circuit blijft lopen wanneer de zekering had moeten openen. De zekeringen van de 215-serie hebben een hoge onderbrekingswaarde van 1,5 kV bij 250 volt AC.

Bij de keuze van de TMOV (II) (in de schakelingen van de Afbeeldingen 3A en B) moet de ontwerper de volgende richtlijnen in acht nemen:

• De TMOV moet voldoen aan een varistoronderdeelnorm zoals IEC 61051-1 of IEC 61643-331
• De maximale continue bedrijfsspanning (MCOV) is ≥ 1,25 x de nominale spanning van de apparatuur
  • Bijvoorbeeld, voor een 240-volt wisselstroomvoeding moet de MCOV van het onderdeel minimaal 300 volt zijn
• De TMOV moet bestand zijn tegen meervoudige inslagen (als gedefinieerd in 2.3.6 van IEC 61051-2 of 8.1.1 van IEC 61643-331)
  • Bijvoorbeeld, voor een wisselstroom van 240 volt moet de TMOV bestand zijn tegen 10 pulsen van 2,5 kV/1,25 kiloamp (kA) combinatiegolf van 1,2/50 microseconde (μs) spanning en 8/20 μs stroom
• Het onderdeel moet de standaard varistor overbelastingstest doorstaan
  • Bijvoorbeeld, voor een wisselstroomvoeding van 240 volt moet bij het testen 2 x de nominale spanning (480 volt) worden toegepast met een serieweerstand (R) van 3,84 kilohm (kΩ) (bij volgende tests wordt de R-waarde gehalveerd tot het circuit opengaat) (Afbeelding 4)).

Afbeelding 4: Schema van de overbelastingstest. De beveiligingscomponent moet worden onderworpen aan een overbelasting van 2 x de nominale spanning en de test moet worden herhaald met steeds gehalveerde waarden van R1 totdat de stroomkring opent. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Het TMOV14RP300EL2T7-apparaat van Littelfuse is een goede kandidaat voor deze toepassing. Het apparaat heeft een MCOV van 300 volt (voldoet aan de componentennorm voor een wisselstroomvoeding van 240 volt) met een diameter van 14 millimeter (mm), een voldoende grote behuizing om aan de eis van multiple strike te voldoen. Bovendien is de TMOV14RP300EL2T7 thermisch beveiligd, zodat zijn MCOV van 300 volt volstaat om de varistoroverbelastingstest te doorstaan. Voor een extra veiligheidsfactor moet een niet-thermisch beveiligde MOV een MCOV van 420 volt of hoger hebben. De TMOV is bestand tegen een piek piek piekstroom (<20 µs) van maximaal 6 kA. Afbeelding 5 illustreert het piekvermogen voor herhaalde pieken en de duur van de pieken.

Afbeelding 5: Repetitieve overspanningscapaciteit voor Littelfuse's 14 mm MOV. Het apparaat is bestand tegen een piekstroom (<20 µs) van maximaal 6 kA. (Bron afbeelding: Littelfuse)

De vereisten voor de MOV's en GDT's die voor de beveiliging tegen gemeenschappelijke modi worden gebruikt, zijn eveneens vastgelegd in de onderdelennorm IEC 61051-1 of IEC 61643-331. Naleving van deze norm maakt het mogelijk dat subassemblages die uit conforme componenten zijn opgebouwd, op hun beurt voldoen aan IEC 62368-1. In dit geval moet de MOV aan dezelfde MCOV- en piekvereisten voldoen als de TMOV hierboven, maar omdat de twee inrichtingen samen met een GDT worden gebruikt, worden de overbelastingstests uitgevoerd op het gecombineerde beveiligingscircuit en niet op de MOV alleen.

De V10E300P MOV van Littelfuse voldoet aan de eisen. Dit onderdeel heeft een MCOV van 300 volt en een diameter van 10 mm, waardoor het robuust genoeg is om aan de eis van de norm inzake meerdere inslagen te voldoen. Hij is bestand tegen een piekstroom van maximaal 3,5 kA. Om aan de eisen van de norm te voldoen, moet de GDT een elektrische-sterktetest van 2,5 kV doorstaan, en voldoen aan de voorschriften voor vrije ruimte en kruipwegen.

De CG33.0LTR GDT van Littelfuse is een optie voor deze toepassing. Dit is een hoogspanningsapparaat met twee elektroden, ontworpen voor overspanningsbeveiliging en hoge isolatietoepassingen. De GDT heeft een isolatieweerstand van 10 gigaohms (GΩ) bij 100 volt en een capaciteit van <1,5 picofarads (pf). Hij heeft een doorslagspanning van 4,6 kV en is bestand tegen een maximale piekstroom van 10 kA.

De combinatie van twee V10E300P MOV's en een enkele CG33.0LTR GDT is geschikt voor de overbelastingstest die hierboven bij de beschrijving van het TMOV-beveiligingscircuit is beschreven.

Conclusie

IEC 62368-1 introduceert één enkele norm voor de beveiliging van circuits van producten die werken met een voeding tot 600 volt, waar voorheen afzonderlijke normen voor ICT en AV van toepassing waren. Ook wordt de circuitbeveiliging geformaliseerd voor producten die niet onder de oude norm vielen, zoals IoT-apparaten en apparaten die op batterijen werken. Hoewel technici die vertrouwd zijn met de oude normen hun ontwerpaanpak zullen moeten wijzigen, vereenvoudigt IEEE 62368-1 de engineering van circuitbeveiliging en maakt het hogere niveaus van veiligheid en ontwerpflexibiliteit mogelijk. Bovendien bieden fabrikanten van beveiligingscomponenten, zoals Littelfuse, apparatuur en advies die het eenvoudiger maken circuits te ontwerpen die aan de nieuwe norm voldoen.