Dobór właściwego zasilacza ma krytyczne znaczenie dla spełnienia nowych wymagań IEC/UL IEC-62368 stawianych produktom konsumenckim

Oprócz licznych celów funkcjonalnych i eksploatacyjnych, projektanci produktów konsumenckich muszą również spełnić szereg wymogów dotyczących bezpieczeństwa oraz sprawności i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Te wymagania regulacyjne są złożone, ale nowa norma – norma bezpieczeństwa IEC 62368-1 dotycząca technologii informacyjnych i komunikacyjnych (ICT) i audio/wideo (A/V) – będzie pomocna projektantom, ale tylko wtedy, gdy zrozumieją jej cel i wymagania.

Na dzień dzisiejszy powszechnie obowiązują dwie normy obejmujące wspomniane obszary: IEC 60950‑1, Urządzenia techniki informatycznej – bezpieczeństwo oraz IEC 60065, Elektroniczne urządzenia foniczne, wizyjne i podobne – wymagania dotyczące bezpieczeństwa. W dniu 20 grudnia 2020 r. przestaną one obowiązywać i zostaną zastąpione jedną normą IEC 62368-1.

Nowa norma nie tylko eliminuje różnice i nakładanie się na siebie dwóch klas produktów z poprzednich norm. Przekształca ona perspektywę postrzegania zagadnienia bezpieczeństwa z „opartej na zdarzeniach” na „opartą na zagrożeniach” wraz z odpowiednim dostosowaniem wymogów w celu uwzględnienia istniejących już technologii, ale bez ograniczania postępu.

W niniejszym artykule omówiono rolę i główne punkty normy IEC 62368-1 oraz jej wpływ na projektowanie. Przedstawiono również przegląd funkcji i podsystemów – w szczególności zasilaczy, które odgrywają zasadniczą rolę w spełnianiu nowej normy. Następnie omówiono rozwiązania zasilaczy firmy CUI Inc., które spełniają wymagania normy, dzięki czemu inżynierom łatwiej uzyskać aprobaty produktów i szybciej mogą wprowadzić je na rynek.

IEC 62368-1: dlaczego obowiązuje i jakich produktów dotyczy

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu istniały wyraźne różnice pomiędzy produktami A/V a produktami z zakresu techniki informatycznej (IT), czyli produktami komputerowymi. W rezultacie, każda z tych tradycyjnych klas produktów miała swoją własną normę bezpieczeństwa. Jednakże postęp oraz zmiany w zakresie technologii i produktów zatarły granicę między tymi dwiema klasami, a nakładanie się podobieństw pomiędzy nimi znacznie wzrosło. W związku z tym potrzebna była nowa, wspólna norma bezpieczeństwa, która zastąpiłaby poprzednie normy.

Pierwotna wersja normy IEC 62368-1 została opracowana przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC), jedną z najstarszych instytucji normalizacyjnych na świecie. W tym celu IEC utworzyła Komitet Techniczny (TC) 108, składający się z ekspertów, pracowników naukowych i urzędników rządowych, którego zadaniem było opracowanie nowej normy, która zastąpiłaby normy IEC 60065 i IEC 60950-1, a nie tylko poprawianie i aktualizowanie poprzednich norm (ilustracja 1). Wynikowa norma opracowana przez komitet TC 108 została następnie formalnie przyjęta przez IEC, a wiele krajów i regionów (w tym USA) „zharmonizowało” z nią swoje przepisy.

Ilustracja 1: IEC 62368-1 jest całkowicie nową normą bezpieczeństwa, którą cechuje nowe podejście obejmujące szeroki zakres produktów konsumenckich i biurowych, jednak posiadającą pewną historię i kontekst ewolucyjny. (Źródło ilustracji: Power Systems Design)

Wiele klas produktów objętych normą IEC 62368-1 to między innymi:

• Produkty komputerowe i sieciowe (serwery, komputery PC, routery, notebooki/laptopy, tablety i zasilacze)
• Elektronika konsumencka (wzmacniacze, systemy kina domowego, aparaty cyfrowe i odtwarzacze muzyczne)
• Wyświetlacze i jednostki wyświetlające (monitory, telewizory i projektory cyfrowe)
• Produkty telekomunikacyjne (urządzenia infrastruktury sieciowej, telefony bezprzewodowe i komórkowe oraz podobne urządzenia komunikacyjne, w tym urządzenia zasilane bateriami)
• Urządzenia biurowe (kopiarki i niszczarki dokumentów)
• Różne inne rodzaje sprzętu audio/wideo, urządzeń technik informacyjnych i komunikacyjnych stosowanych w domach, szkołach i podobnych instytucjach oraz miejscach

Norma IEC 62368-1 nie jest tylko prostą poprawką aktualizującą i łączącą dwie poprzednie normy. Zamiast tego wprowadza ona nowe podejście oparte na przewidywaniu zagrożeń (HBSE – Hazard-Based Safety Engineering), które obejmuje kwestie bezpieczeństwa związane zarówno ze sprzętem elektronicznym, jak i techniką informatyczną i komunikacyjną. Zamiast analizować szczegółowe opisy wymogów bezpieczeństwa i definiować je, nowa norma kładzie nacisk na zagrożenia, które mogą wystąpić, a jednocześnie daje producentom swobodę w podejmowaniu decyzji o sposobie zaprojektowania ochrony przed tymi zagrożeniami. Dlatego też kładzie ona większy nacisk na ocenę produktu pod kątem bezpieczeństwa na etapie projektowania. Dzięki zastosowaniu zasad HBSE, norma IEC 62368-1:

• bardziej skupia się na działaniu, ale (na razie) pozwala również na akceptowanie konstrukcji, które wcześniej zostały uznane za bezpieczne (np. na podstawie normy IEC 60065 lub IEC 60950-1)
• jest niezależna od technologii (w określonych granicach) i pozwala na większą swobodę projektowania
• ma zastosowanie do szerszego zakresu istniejących produktów elektronicznych, ale także wspiera wprowadzanie nowych technologii na rynek światowy

W dniu 20 grudnia 2020 r. formalnie przestaną obowiązywać normy IEC/UL/CSA 60950‐1 oraz IEC/UL/CSA 60065. Po tym terminie producenci w celu zapewnienia zgodności będą musieli spełnić wymagania normy IEC/UL 62368, jeśli będą chcieli oferować produkty na rynku.

Należy zauważyć, że istnieje ważny, ale tymczasowy przepis, który umożliwia firmom dalsze wykorzystywanie zapasów części spełniających normy 60950-1 lub 60065 w produktach certyfikowanych zgodnie z normą 62368-1, w efekcie skutkujący zachowaniem w pewnych okolicznościach i w pewnych rejonach geograficznych praw obejmujących te zapasy. Mówiąc konkretnie, w punkcie 4.1.1 określono, że: „komponenty i podzespoły zgodne z normami IEC 60950-1 lub IEC 60065 są dopuszczalne jako części sprzętu objętego niniejszą normą bez dalszej oceny innej niż ta, która ma na celu uznanie właściwego wykorzystania komponentu lub podzespołu w produkcie końcowym.” Na przykład, w przypadku wymienionych na liście zasilaczy, „uznanie” to może oznaczać po prostu zapewnienie, że produkt będzie używany jedynie w ramach ustalonych parametrów elektrycznych.

HBSE: co to oznacza

Zasady HBSE wymagają od producentów produktów wykazania, że zostały uwzględnione znane im zagrożenia i że produkt został zaprojektowany w sposób zapewniający bezpieczeństwo użytkowania w oczekiwanym kontekście. Innymi słowy zamiast określać, że należy chronić użytkownika przed konkretną sytuacją, jaką jest potencjalne zagrożenie związane z punktem wysokiego napięcia, instruuje, że należy ocenić różne zagrożenia i odpowiednio się zastosować do każdego ich rodzaju i poziomu.

W ten sposób wywiera na producentów nacisk, aby ich obowiązek nie ograniczał się jedynie do wykazania, że zostały spełnione określone specyfikacje. Należy pamiętać, że nie wymaga ona analizy ryzyka, w przeciwieństwie do innych norm, takich jak IEC 60601-1 – Elektryczne urządzenia medyczne – Część 1-2: Wymagania ogólne dotyczące podstawowego bezpieczeństwa i zasadniczych parametrów funkcjonalnych – Norma uzupełniająca: Kompatybilność elektromagnetyczna – Wymagania i badania.

Zasady HBSE stawiają za cel ochronę użytkowników urządzeń, wymagając od producentów określenia wszelkich potencjalnie niebezpiecznych źródeł energii wraz z mechanizmami, za pomocą których energia ta mogłaby zostać przeniesiona na użytkownika. Następnie muszą oni zaproponować i wdrożyć odpowiednie sposoby zapobiegania takim sytuacjom – zarówno w warunkach prawidłowej pracy urządzenia, jak i w przypadku awarii. Zabezpieczenia te należy wprowadzić w celu ochrony przed wystąpieniem bólu lub obrażeń ciała spowodowanych bezpośrednio przez energię elektryczną (porażenie prądem elektrycznym) lub oparzeń termicznych lub w celu zapobieżenia pożarom spowodowanym prądem elektrycznym, które mogłyby spowodować ból, obrażenia ciała, śmierć lub szkody materialne. Zasady HBSE oceniają również skuteczność zabezpieczeń.

Model HBSE składa się z trzech bloków: źródła energii, mechanizmu transferowego i części ciała (ilustracja 2). „Rozwiązanie” dla ryzyka stwarzanego przez źródło energii stanowiące zagrożenie jest wyrażone jako podobny model trójblokowy, ale z zabezpieczeniem w miejscu mechanizmu przenoszenia energii.

Ilustracja 2: strategia wprowadzona przez normę IEC 62368-1 polega na zidentyfikowaniu niebezpiecznych źródeł energii i możliwych dróg przenoszenia jej na użytkownika, a następnie zapewnieniu zabezpieczeń przed tymi drogami i przepływem energii. (Źródło ilustracji: InComplianceMag.com)

Norma IEC 62368-1 wymaga również od producenta rozważenia koniecznych poziomów zabezpieczeń w odniesieniu do różnych typów użytkowników i źródeł energii, przy czym każdy z nich podzielony jest na trzy kategorie. W przypadku użytkowników jest to „użytkownik wykwalifikowany”, „użytkownik poinstruowany” oraz „zwykły użytkownik”. Źródła energii są klasyfikowane według tabeli, której uproszczoną wersję przedstawia ilustracja 3.

Ilustracja. 3: norma IEC 62368-1 wyróżnia trzy klasy zagrożenia źródeł energii, a następnie określa, w jakim stopniu, jeśli w ogóle, należy zapewnić zabezpieczenia dla każdego z nich. (Źródło obrazu: CUI)

Te dwa stopnie poziomu użytkownika i źródła energii tworzą macierz (ilustracja 4).

Ilustracja 4: aby ustalić poziom i rodzaj zabezpieczenia, które jest potrzebne dla każdego źródła energii, norma IEC 62368-1 łączy ryzyko związane ze źródłami energii z poziomem umiejętności i wiedzy użytkownika. (Źródło ilustracji: SGS SA)

Użytkownicy są mniej narażeni na ryzyko, gdy przechodzą w dół wierszy, od zwykłego do wykwalifikowanego użytkownika, podczas gdy niebezpieczeństwo źródeł ryzyka rośnie od lewej do prawej. Tak więc zgodnie z normą, zwykły użytkownik korzystający z produktu klasy 3 (źródło energii 3 lub ES3) wymagałby dodatkowego lub wzmocnionego zabezpieczenia, takiego jak podwójna izolacja lub specjalna osłona, podczas gdy wykwalifikowany użytkownik korzystający z produktu ES3 nie wymagałby takiego samego poziomu ochrony.

W normie IEC 62368-1 wykorzystano czteroetapowy proces:

• Po pierwsze, należy zidentyfikować źródła energii
• Po drugie, przyporządkować je do klasy 1, 2 lub 3
• Po trzecie, określić odpowiednie zabezpieczenia
• I wreszcie, zmierzyć skuteczność wybranych zabezpieczeń

Zabezpieczenia są podzielone na dwie grupy – podejścia i poziomy – gdzie „podejście” określa metody, za pomocą których działają zabezpieczenia, natomiast „poziom” charakteryzuje siłę tych zabezpieczeń (ilustracja 5).

Ilustracja 5: norma IEC 62368-1 określa odpowiedni poziom wymaganego zabezpieczenia a następnie analizuje podejście do jego realizacji. (Źródło ilustracji: SGS SA)

Energia przede wszystkim

Poziomy energii, wraz z napięciem i prądem stanowią klucz do zapewnienia zgodności z normą. Jeśli poziom energii jest niski (ES1), nie ma się czym martwić. Należy pamiętać, że określone wartości graniczne prądu i napięcia odpowiadające poziomom ES1, ES2 i ES3 są różne i mogą być również ustalane na podstawie częstotliwości. Na przykład, poniżej 1 kiloherca (kHz), granica ES1 to 30V wartości skutecznej, 42,4V wartości szczytowej i 60V prądu stałego, podczas gdy granica ES2 to 50V wartości skutecznej, 70,7V wartości szczytowej i 120V prądu stałego.

Żeby skomplikować sytuację jeszcze bardziej, urządzenia muszą być zgodne albo z granicą napięcia albo z granicą prądu określoną w odpowiedniej klasie energetycznej, ale nie muszą być zgodne z obiema granicami. Ponadto wartości graniczne określone w normach różnią się również w zależności od prawidłowego lub nieprawidłowego funkcjonowania, bądź pojedynczego uszkodzenia – istnieją nawet punkty, w których wyszczególniono wartości graniczne dla przebiegów impulsowych i czasu ich wyłączenia (Rys. 6 i Rys. 7).

Ilustracja 6: ponieważ pożary elektryczne są powodowane przez połączenie mocy i czasu, norma IEC 62368-1 analizuje związek pomiędzy tymi dwoma kluczowymi parametrami. (Źródło obrazu: CUI)

Ilustracja 7: norma określa również poziomy energii, które mogą spowodować pożar elektryczny. (Źródło obrazu: CUI)

Co powinien zrobić inżynier projektujący produkt?

Projektanci, którzy uważają, że rozumieją nowe standardy i w związku z tym z łatwością mogą się do nich dostosować, dzielą się na dwie grupy:

1. osoby, które brały udział w kursach związanych z wdrożeniem norm, przeszły szkolenia, pracowały już z istniejącymi normami IEC i osobiście przeszły przez proces zatwierdzania produktu
2. osoby, które są naiwne lub niepoważnie podchodzą do norm. Wynika to z faktu, że norma przedstawia skomplikowany zestaw wymagań, które czasem mogą być mylące. Ponadto określenie odpowiedniej opcji zabezpieczeń wiąże się z dokonywaniem wyborów z długiej listy. Wiedza, które z nich zastosować oraz gdzie i jak to zrobić nie jest ani oczywista, ani banalna.

Możliwości zabezpieczenia obejmują między innymi uziemienie ochronne (prawdziwe „uziemienie”), obudowy elektryczne, obudowy ognioodporne i izolację. Istnieją także zabezpieczenia w ramach samej instalacji, takie jak połączenie z zewnętrznym uziemieniem oraz zabezpieczenia w ramach instrukcji obsługi, takie jak oznaczenia bezpieczeństwa. Istnieją również środki ostrożności, które należy opracować dla przypadków, w których zwykli użytkownicy są instruowani przez osoby wykwalifikowane, a także środki zabezpieczające „związane z umiejętnościami”, które pozwalają polegać na zdolnościach wykwalifikowanego specjalisty do ochrony przed zagrożeniami stwarzanymi przez źródła energii klasy 2 i 3.

Po pierwsze skup się na źródle

Pierwsze pytanie, jakie musi zadać sobie projektant to: „Jakie jest podstawowe źródło energii, które umieszcza projekt w danej grupie ryzyka?”. Dla wielu produktów objętych tą normą odpowiedź jest oczywista – jest to zasilacz prądu zmiennego. Z tego powodu, jeśli wybrane zostanie źródło zgodne z normą, a następnie zostanie ono prawidłowo zastosowane, większość problemów związanych ze zgodnością zniknie, a liczba wyzwań w danym projekcie zostanie mocno ograniczona.

Na szczęście dostawcy, tacy jak CUI studiują i analizują nową normę, przygotowując się na moment, w którym wejdzie w życie (grudzień 2020 r.) i już teraz oferują szereg zasilaczy prądu zmiennego, które przekraczają aktualnie obowiązujące wymagania. Zasilacze te wahają się od stosunkowo małych jednostek mocy (poniżej 10 watów), przez jednostki ze średniego zakresu, aż po większe zasilacze o trzycyfrowej mocy. Trzy przykłady ilustrują zakres i możliwości tych zasilaczy.

CUI SWI6-9-N-P5 to zasilacz do montażu ściennego – 9 woltów, 6 watów prądu stałego / prądu zmiennego, który należy do grupy adapterów z wyjściami od 3,3V do 15V (ilustracja 8). Pracuje on pod napięciem od 90 do 264V~ i spełnia wymagania Departamentu Energii (DoE) poziomu VI przy poborze mocy w stanie bez obciążenia poniżej 0,1 wata. Zawiera on zabezpieczenia nadprądowe, przepięciowe i zwarciowe w kompaktowej obudowie o wadze 78 gramów (2,75 oz) i wymiarach 56mm × 28mm × 42mm (2,2 × 1,1 × 1,65 cala).

Ilustracja 8: SWI6-9-N-P5 firmy CUI Inc. – zasilacz ścienny 9V, 6W prądu stałego / prądu zmiennego, który jest w pełni zgodny z normą IEC 62368-1 dla zastosowań zewnętrznych. (Źródło obrazu: CUI)

Do wyższych napięć i mocy odpowiedni będzie zasilacz ścienny CUI SMI18-24-V-P5 24 wolty, 18 watów z wielożyłowymi adapterami wtykowymi, należący do grupy urządzeń z zakresu od 5 do 24V (ilustracja 9). To urządzenie spełnia wymagania DoE poziomu VI, wymogi sprawności energetycznej CoC Tier 2 przy poborze mocy w stanie bez obciążenia poniżej 0,075 wata i ochronie podobnej do tej z jednostki 6-watowej. Unikalną cechą tego uniwersalnego zasilacza wejściowego o wadze 170 gramów (6 oz) i wymiarach 75 × 35,8 × 65,6 mm (3 × 1,4 × 2,6 cala) jest to, że jest on dostarczany z wymiennymi wtykami prądu stałego do stosowania na całym świecie (Ameryka Północna, Europa, Wielka Brytania, Australia i Chiny).

Ilustracja 9: SMI18-24-V-P5 jest 24-woltowym, 18-watowym adapterem ściennym, zgodnym z normą IEC 62368-1, który jest dostarczany z zestawem adapterów wtyczkowych, dzięki czemu to samo urządzenie może być używane na całym świecie. (Źródło obrazu: CUI)

Oczywiście, wiele zastosowań wymaga jeszcze większych mocy, takich jak oferowane przez firmę CUI SDI120-12-U-P51 – adapter prądu stałego / prądu zmiennego. Znamionowo dostarcza on napięcia 12 woltów i mocy 120 watów, zaliczając się do grupy produktów o napięciu od 12 do 48 woltów (Rys. 10). Zasilacz ten jest zgodny z normą IEC 62368-1 spełnia wymogi DoE Level VI (jego pobór mocy bez obciążenia przy napięciu 230V prądu zmiennego wynosi 0,21 W) i ma współczynnik mocy większy niż 0,9. Waży 580 gramów (20,4 oz), ma wymiary 168,1 × 65,9 × 39 mm (6,6 × 2,6 × 1,5 cala), dostarczany jest bez przewodu prądu zmiennego, ale może być opcjonalnie zamówiony z przewodem z wtykami i konfiguracją dopasowaną do lokalnego gniazda prądu zmiennego.

Ilustracja 10: w przypadku wyższych mocy, gdy zasilacz ścienny nie jest odpowiedni lub pożądane jest inne rozwiązanie, dostępny jest zewnętrzny zasilacz SDI120-12-U-P51 – odpowiedni kabel prądu zmiennego jest dobierany osobno. (Źródło obrazu: CUI)

Podsumowanie

Norma IEC/UL IEC-62368-1 dla produktów konsumenckich i pokrewnych wchodzi w życie z ustaloną datą – grudzień 2020 r. Jest to skomplikowana norma, w której zastosowano podejście oparte na analizie zagrożeń, oceniające potencjalne kwestie bezpieczeństwa i chroniące przed nimi, co znacząco różni się od poprzednich norm. Jeśli wybierzemy zasilacz prądu stałego / prądu zmiennego, który przewyższa wymagania tej normy, zadanie zespołu projektowego staje się prostsze, a ryzyko związane z procesem zatwierdzenia produktu końcowego się zmniejsza.

Dokumenty referencyjne CUI

1. „IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment”
2. „The Latest on IEC 62368-1: More Time to Comply, But a Harder Deadline”