De juiste voeding is van cruciaal belang om te voldoen aan de nieuwe IEC/UL IEC-62368 norm voor veiligheid van consumentenproducten (2024)

Ontwerpers van consumentenproducten moeten niet alleen voldoen aan een reeks van aan de veiligheid gerelateerde vereisten maar ook aan verschillende doelstellingen ten aanzien van prestaties en functie en aan verplichtingen met betrekking tot efficiëntie en elektromagnetische interferentie (EMI). Deze wettelijke eisen zijn complex, maar een nieuwe norm - de IEC 62368-1 veiligheidsnorm voor informatie- en communicatietechnologie (ICT) en audio/video-apparatuur (A/V) - komt ontwerpers te hulp, op voorwaarde echter dat ze het doel en de vereisten ervan begrijpen.

Op het moment dat we dit schrijven, zijn er twee op brede schaal gebruikte normen die bovengenoemde sectoren dekken: IEC 60950‑1, Apparatuur op het gebied van informatietechnologie – Veiligheid; en IEC 60065, Audio-, video- en soortgelijke elektronische toestellen ‑ Veiligheidseisen. Op 20 december 2020 worden deze ingetrokken en vervangen door een enkele norm, IEC 62368-1.

De nieuwe norm doet veel meer dan alleen de verschillen en overlappingen tussen de twee productcategorieën van de oudere normen elimineren. De norm transformeert het veiligheidsperspectief van een "op incidenten gebaseerde" naar een "op risico gebaseerde" beoordeling, met een bijbehorende verschuiving in vereisten om tegemoet te komen aan bestaande technologieën, maar zonder opkomende ontwikkelingen te beperken.

In dit artikel worden de rol en de belangrijkste punten van IEC 62368-1 en de impact van de nieuwe norm op ontwerpen besproken. Vervolgens wordt gekeken naar functies en subsystemen—in het bijzonder voedingen —die een belangrijke rol spelen in het naleven van de nieuwe norm. Tot slot introduceert het artikel enkele voedingen van CUI Inc. die aan de nieuwe verplichtingen voldoen waardoor ingenieurs hun producten gemakkelijker goedgekeurd en dus sneller op de markt krijgen.

IEC 62368-1: Waarom en voor welke producten

Nog maar enkele decennia geleden waren er duidelijke verschillen tussen A/V-producten en informatietechnologie (IT), bijvoorbeeld computerproducten. Daardoor had elk van deze traditionele productcategorieën zijn eigen specifieke veiligheidsnorm. Door de vooruitgang en de veranderingen in technologie en producten is de grens tussen deze twee groepen echter vervaagd en is er steeds meer overlapping. Daarom is er een nieuwe, gecombineerde veiligheidsnorm nodig om de afzonderlijke normen te vervangen.

De originele versie van IEC 62368-1 werd ontwikkeld door de International Electrotechnical Commission (IEC), een van de oudste normgevende instanties ter wereld. Om dit te doen riep de IEC de technische commissie (TC) 108 in het leven, bestaande uit experts, academici en overheidsfunctionarissen, die het mandaat kregen om een nieuwe norm te ontwikkelen die IEC 60065 en IEC 60950-1 te vervangen, in plaats van elk van de twee normen apart te reviseren en bij te werken (Afbeelding 1). De resulterende door TC 108-ontwikkelde norm werd vervolgens formeel overgenomen door de IEC, en vele landen en regio's, waaronder ook de VS, “harmoniseerden” met deze norm.

Afbeelding 1: IEC 62368-1 is een compleet nieuwe veiligheidsnorm met een frisse aanpak die een breed scala aan consumenten- en kantoorproducten dekt, met een hele eigen evolutionaire geschiedenis en context. (Bron afbeelding: Power Systems Design)

De vele productcategorieën die door IEC 62368-1 worden gedekt omvatten, maar zijn niet beperkt tot, het onderstaande:

Computer- en netwerkproducten (servers, pc's, routers, notebook/laptop-computers, tablets en bijbehorende voedingen)
Consumentenelektronica (versterkers, home-theater systemen, digitale camera's en persoonlijke muziekspelers)
Displays en displayeenheden (monitors, televisies en digitale projectors)
Telecommunicatieproducten (apparatuur voor netwerkinfrastructuur, cordless en cellulaire telefoons en soortgelijke communicatieapparaten, inclusief apparaten die op batterijen werken)
Kantoorapparaten (kopieermachines en documentversnipperaars)
Verschillende andere soorten audio/video-, informatie- en communicatietechnologie-apparatuur die in huizen, scholen en soortgelijke instellingen wordt gebruikt.

IEC 62368-1 is meer dan alleen een simpele revisie die de twee voorgaande normen bijwerkt en samenvoegt. De norm gebruikt een op gevaar gebaseerde benadering, formeel aangeduid als Hazard-Based Safety Engineering (HBSE), om veiligheidsaspecten te dekken die zowel aan elektronische apparatuur als aan IT/communicatietechnologie zijn gerelateerd. De nieuwe aanpak houdt zich niet zozeer bezig met het bekijken en definiëren van gedetailleerde beschrijvingen van veiligheidseisen, maar legt het accent op de risico's die kunnen optreden en geeft tegelijkertijd fabrikanten de vrijheid om te beslissen hoe de bescherming tegen deze risico's moet worden ontworpen. Daarom ligt de nadruk meer op het beoordelen van de veiligheid van een product gedurende de ontwerpfase. De op HBSE principes gebaseerde IEC 62368-1 heeft de volgende kenmerken:

De norm richt zich meer op de prestaties, maar laat (voor nu) ook geaccepteerde constructies toe als ze eerder veilig zijn gebleken (bijvoorbeeld in IEC 60065 en/of IEC 60950-1)
De norm is technologie-onafhankelijk (binnen gedefinieerde grenzen) en geeft meer ontwerpvrijheid
De norm is van toepassing op een breder scala van bestaande elektronische producten, maar ondersteunt ook de introductie van nieuwe technologie op de wereldmarkt

Op 20 december 2020 zullen IEC/UL/CSA 60950‐1 en IEC/UL/CSA 60065 formeel worden ingetrokken. Na die datum moeten fabrikanten aan IEC/UL 62368 voldoen om conformiteit te verzekeren als ze producten op de markt willen brengen.

HBSE: wat betekent het

HBSE vraag fabrikanten van producten om aan te tonen dat bekende gevaren in aanmerking zijn genomen en dat het product ontworpen is on veilig in gebruik te zijn binnen de verwachte context. Met andere woorden, in plaats van alleen te zeggen “Je moet de gebruiker beschermen tegen deze specifieke situatie, bijvoorbeeld een bekend hoogspanningspunt dat mogelijk bloot kan liggen” zegt deze norm “Je moet de verschillende gevaren beoordelen en deze op de juiste manier beheren, op basis van het niveau en type van elk van deze gevaren.”

Zo wordt het accent niet langer gelegd op het feit dat fabrikanten alleen maar hoeven te laten zien dat aan de voorgeschreven specificaties is voldaan. Merk op dat deze norm geen risicoanalyse vereist, terwijl andere normen dat nog wel doen, zoals IEC 60601-1 - Medische elektrische apparatuur - Deel 1-2: Algemene eisen voor basisveiligheid en essentiële prestaties - Collaterale norm: elektromagnetische storing - eisen en tests.

HBSE stelt zich ten doel gebruikers van apparatuur te beschermen door de fabrikanten te vragen potentieel gevaarlijke energiebronnen, alsook de mechanismen waarmee die energie op een gebruiker kan worden overgedragen, te identificeren. Vervolgens moeten ze geschikte manieren voorstellen en implementeren om te voorkomen dat die overdrachten van energie plaatsvinden - zowel onder normale bedrijfsomstandigheden als bij storingscondities. De beveiligingen worden aangebracht om te beschermen tegen pijn of letsel veroorzaakt door elektrische energie (elektrische schok) of brandwonden door hete oppervlakken en/of om door elektriciteit veroorzaakte branden te voorkomen die kunnen leiden tot pijn, letsel, overlijden of materiële schade. Tot slot beoordeelt HBSE ook de doeltreffendheid van de beveiligingen.

Het HBSE-model bestaat uit drie blokken: energiebron, overdrachtmechanisme en lichaamsdeel (Afbeelding 2). De “oplossing” voor het door de energiebron als gevaar opgeleverde risico wordt in een gelijksoortig uit drie blokken bestaand model weergegeven, maar met een beveiliging op de plaats van het mechanisme voor energieoverdracht.

Afbeelding 2: de strategie van IEC 62368-1 is om gevaarlijke energiebronnen en hun mogelijke paden naar de gebruiker te identificeren, en vervolgens beschermingen tegen die energiepaden en -stromen te bieden. (Bron afbeelding: InComplianceMag.com)

IEC 62368-1 schrijft ook voor dat de fabrikant rekening houdt met de benodigde beveiligingsniveaus met betrekking tot de verschillende soorten gebruikers en energiebronnen, met drie categorieën voor elk. Voor gebruikers zijn deze drie categorieën “Bekwame personen,” “Geïnstrueerde personen” en “Overige personen.” Energiebronnen worden geclassificeerd volgens een tabel, waarvan een vereenvoudigde versie te zien is in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: IEC 62368-1 onderscheidt drie gevarenklassen voor energiebronnen en definieert vervolgens of, en in hoeverre, er voor elk van deze gevarenklassen beveiliging moet worden geboden. (Bron afbeelding: CUI)

De twee gradaties van gebruikersniveau en energiebron worden vervolgens gecombineerd in een matrix (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: om het niveau en type te bepalen van de beveiliging die nodig is voor de verschillende energiebronnen, combineert de IEC 62368-1 norm risico door de energiebron met vaardigheden en expertise van de gebruiker. (Bron afbeelding: SGS SA)

Het risico voor gebruikers neemt af van boven naar beneden, van overige personen tot bekwame personen, terwijl energiebronnen gevaarlijker worden naarmate de energieklasse toeneemt, dus van links naar rechts. Dus volgens de norm zou iemand die van de groep 'overige personen' die een product van Klasse 3 (Energiebron 3 of ES3) gebruikt een aanvullende of versterkte beveiliging nodig hebben, bijvoorbeeld dubbele isolatie of een speciale afscherming, terwijl een bekwame persoon die een ES3-product niet hetzelfde beveiligingsniveau behoeft.

IEC 62368-1 gebruikt een proces van vier stappen:

Op de eerste plaats, de energiebronnen identificeren
Op de tweede plaats, deze bronnen karakteriseren als Klasse 1, 2 of 3
Op de derde plaats, passende beveiligingen identificeren
En tot slot de doeltreffendheid van de gekozen beschermingen meten

De beveiligingen zijn in twee groepen verdeeld — benaderingen en niveaus — waarbij “benaderingen” de methode(s) specificeren volgens welke de beveiliging functioneert, terwijl “niveaus” aangeven hoe krachtig de beveiliging is (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: IEC 62368-1 identificeert het vereiste beveiligingsniveau en analyseert vervolgens de benaderingen voor implementatie. (Bron afbeelding: SGS SA)

Kijk eerst naar de energie

Energieniveaus vormen, samen met spanning en stroom, de sleutel voor conformiteit aan de norm. Als het energieniveau laag is (ES1), is er weinig of niets waar men zich zorgen over hoeft te maken. Merk op dat de specifieke stroom- en spanningslimieten voor ES1, ES2 en ES3 variëren en ook door de frequentie kunnen worden bepaald. Zie onderstaand voorbeeld, 1 kilohertz (kHz), de ES1-limiet is 30 volt rms, 42,4 volt piekspanning en 60 volt DC, terwijl de ES2-limiet 50 volt rms, 70,7 volt piekspanning en 120 volt DC bedraagt.

Om de situatie nog verder te compliceren, moet apparatuur voldoen aan ofwel de spanningslimiet ofwel stroomlimiet die gespecificeerd is voor de toepasselijke energieklasse, maar hoeft hij niet aan beide te voldoen. Verder variëren de limieten zoals gedefinieerd door de normen ook afhankelijk van de normale of abnormale werking, of een enkele storingsconditie; er zijn zelfs subsecties die de limieten op gepulseerde golfvormen en hun 'uit'-tijden specificeren (Afbeelding 6 en Afbeelding 7).

Afbeelding 6: aangezien brand door elektriciteit wordt veroorzaakt door een combinatie van vermogen en tijd, kijkt de IEC 62368-1 norm naar de relatie tussen deze twee cruciale parameters. (Bron afbeelding: CUI)

Afbeelding 7: de norm specificeert ook de energieniveaus waarbij brand door elektriciteit kan ontstaan. (Bron afbeelding: CUI)

Wat moet een ontwerper doen?

Ontwerpers die denken dat ze de nieuwe norm begrijpen en dat ze er dus gemakkelijk aan kunnen voldoen, kunnen in twee groepen worden onderverdeeld:

Personen die cursussen over de normen hebben gevolgd, deelgenomen hebben aan trainingen, al met bestaande IEC-normen hebben gewerkt en het goedkeuringsproces persoonlijk hebben doorlopen.
Naïevelingen en/of dwazen. De reden hiervoor is dat de standaard een ingewikkelde reeks van soms verwarrende vereisten presenteert. Ook impliceert het identificeren van de beveiligingsopties dat er keuzes moeten worden gemaakt uit een lange lijst. Weten welke waar en hoe te gebruiken is niet voor de hand liggend of eenvoudig.

De te overwegen beveiligingsopties omvatten, maar zijn niet beperkt tot, beschermende aarding (echte "aarding” met de aarde), elektrische behuizingen, brandwerende behuizingen en isolatie. Ook zijn er geïnstalleerde beveiligingen zoals verbindingen met een externe aarde en 'instructieve' beveiligingen, zoals veiligheidsmarkeringen. Tot slot zijn er op voorzorgsmaatregelen gebaseerde beveiligingen die in het ontwerp moeten worden opgenomen voor gevallen waar gewone gebruikers worden geïnstrueerde of bekwame personen, en zelfs zogenaamde “op vaardigheden gebaseerde” beveiligingen die het mogelijk maken om te vertrouwen op het vermogen van ervaren vaklieden om zichzelf te beschermen tegen de gevaren in verband met energiebronnen van Klasse 2 en Klasse 3.

Op de eerste plaats, focus op de voeding

De eerste vraag die een ontwerper moet stellen is: wat is de primaire bron van energie die dit ontwerp in het risicogebied zet? Voor veel van de door deze norm gedekte producten ligt het antwoord voor de hand: het betreft de wisselstroomvoeding. Om deze reden wordt een groot deel van het probleem ten aanzien van naleving van de norm geëlimineerd en wordt de ontwerpuitdaging aanzienlijk verminderd door een voeding te selecteren die aan de norm voldoet en deze vervolgens correct te implementeren.

Gelukkig hebben leveranciers van voedingen zoals CUI de nieuwe norm bestudeerd en geanalyseerd om zich voor te bereiden op de deadline van december 2020 en bieden ze nu al diverse wisselstroomvoedingen die de vereisten zelfs overtreffen. Deze voedingen gaan van eenheden met betrekkelijk laag vermogen (minder dan 10 watt) tot middelgrote eenheden en zelfs grotere voedingen met vermogens tot in de drie cijfers. We illustreren het bereik en de capaciteit van dergelijke voedingen aan de hand van drie voorbeelden.

De CUI SWI6-9-N-P5 is een AC/DC-wandadapter van 9 volt, 6 watt, die deel uitmaakt van een familie van adapters met een spanningsuitvoer van 3,3 volt tot 15 volt (Afbeelding 8). De adapter werkt van 90 tot 264 volt AC en voldoet qua efficiëntie aan DoE (Department of Energy)-niveau VI met een energieverbruik bij nulbelasting van minder dan 0,1 watt. De adapter is inclusief overstroombeveiliging, overspanningsbeveiliging en beveiliging tegen kortsluiting zit in een compacte behuizing, en weegt 78 gram (2.75 oz), afmetingen 56 millimeter (mm) × 28 mm × 42 mm (2.2 × 1.1 × 1.65 inch).

Afbeelding 8: de SWI6-9-N-P5 van CUI Inc. is een AC/DC-wandadapter van 9 volt, 6 watt, en voldoet volledig aan IEC 62368-1 voor gebruik buitenshuis. (Bron afbeelding: CUI)

Voor hogere spannings- en vermogenswaarden is er de CUI SMI18-24-V-P5, een wandadapter van 24 volt, 18 watt met multi-blade stekkeradapters, deel van een familie van eenheden van 5 volt tot 24 volt (Afbeelding 9). Deze eenheid voldoet aan DoE-niveau VI, CoC Tier 2 efficiëntieklasse met een energieverbruik bij nulbelasting van minder dan 0,075 watt en een bescherming die vrijwel gelijk is aan 6 watt/eenheid. Een uniek kenmerk van deze 170 gram (6 oz) wegende, 75 × 35,8 × 65,6 mm (3 × 1.4 × 2.6 inch) metende universele voeding is dat hij wordt geleverd met onderling verwisselbare AC-bladen voor gebruik waar dan ook ter wereld (Noord-Amerika, Europa, VK, Australië en China).

Afbeelding 9: de SMI18-24-V-P5 is een IEC 62368-1-conforme wandadapter van 24 volt, 18 watt, die wordt geleverd met een set van multi-blade stekkeradapters, zodat dezelfde eenheid overal ter wereld kan worden gebruikt. (Bron afbeelding: CUI)

Natuurlijk hebben veel toepassingen nog hogere vermogenswaarden nodig. Dergelijke waarden worden geboden door de CUI SDI120-12-U-P51 AC/DC-desktopadapter. Deze adapter biedt een nominale spanning van 12 volt bij 120 watt en is deel van een familie van 12 volt tot 48 volt van deze vermogensklasse (Afbeelding 10). De IEC 62368-1-conforme voeding voldoet aan het DoE-efficiëntieniveau VI (energieverbruik bij nulbelasting bij 230 volt AC bedraagt 0,21 watt) en heeft een vermogensfactor van meer dan 0,9. Deze adapter weegt 580 gram (20.4 oz) en meet 168,1 × 65,9 × 39 mm (6.6 × 2.6 × 1.5 inch) en wordt zonder snoer geleverd maar kan als optie worden besteld met een snoer met stekkerbladen die geschikt zijn voor het plaatselijke stopcontact.

Afbeelding 10: voor situaties waar een hoger vermogen nodig is en een wandadapter niet geschikt of wenselijk is, kan voor de SDI120-12-U-P51 AC/DC-desktopadapter worden gekozen; het bijbehorende snoer wordt apart gekozen. (Bron afbeelding: CUI)

Conclusie

De IEC/UL IEC-62368-1 norm voor consumentenproducten en gerelateerde producten wordt met ingang van december 2020 van kracht. Het is een gecompliceerde norm die voor het beoordelen van mogelijk veiligheidsproblemen en de bescherming hiertegen gebruik maakt van een op risico gebaseerde benadering, waardoor hij sterk verschilt van voorgaande normen. Door om te beginnen te kiezen voor een AC/DC-voeding die de verplichte eisen van deze norm overschrijdt, wordt de taak van het ontwerpteam aanzienlijk vereenvoudigd en het risico dat het eindproduct niet wordt goedgekeurd tot het minimum beperkt.

CUI verwijzingen

“IEC 62368-1: een inleiding op de nieuwe veiligheidsnorm voor ICT- en AV-apparatuur”
“Het laatste nieuws over IEC 62368-1: meer tijd om aan de norm te voldoen, maar een zwaardere deadline”

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.