隨著時間的推移，視聽 (AV) 與信息和通信技術(shù) (ICT) 之間的界限變得越來越模糊，例如智能電視等家用多媒體產(chǎn)品。此外，工程師們在進(jìn)行電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)的保護(hù)時，已經(jīng)轉(zhuǎn)向了基于危險的安全工程法 (HBSE) 。在這些趨勢的沖擊下，針對此類設(shè)備的安裝、維護(hù)和使用人員保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)過時，受到同樣沖擊的還有大量用于確保 AV 和 ICT 產(chǎn)品合規(guī)所需的工程硬件。
IEC 預(yù)測到這種情況，制定了單一新標(biāo)準(zhǔn)，即 IEC 62368-1（信息和通信技術(shù)設(shè)備 - 第一部分：安全要求）。該標(biāo)準(zhǔn)取代了之前的兩個標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60950-1 和 IEC 60065），涵蓋 ICT 和 AV 設(shè)備，以及諸如物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備和電池供電型電子電器等運(yùn)行電壓可達(dá) 600 V 的產(chǎn)品。該標(biāo)準(zhǔn)于 2020 年 12 月實(shí)施，采用了 HBSE 法。
本文將介紹 IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)，并說明雖然該標(biāo)準(zhǔn)看起來比以前的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)更復(fù)雜，但實(shí)際上簡化了問題，可實(shí)現(xiàn)更高的安全水平和設(shè)計(jì)靈活性。本文還將介紹和描述 Littelfuse 的市售電氣保護(hù)產(chǎn)品的使用情況，這些產(chǎn)品有助于更輕松地設(shè)計(jì)產(chǎn)品和子系統(tǒng)，以滿足 IEC 62368-1 中涵蓋的每個類別的過壓和浪涌要求。
什么是 IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)？
采用 IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)是為了取代舊標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了額定電壓不超過 600 V 的電氣和電子 ICT、AV 和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電路安全保護(hù)（圖 1）。該標(biāo)準(zhǔn)旨在保護(hù)安裝、維護(hù)和使用此類設(shè)備的人員，也反映了工程師們現(xiàn)在針對安全工程采用的 HBSE 方法。HBSE 取代了之前的規(guī)范性工程方法，前者考慮的是產(chǎn)品可能面臨的各種危險，而后者則是規(guī)定了一套保護(hù)電路應(yīng)遵守的規(guī)則。這樣的結(jié)果是催生了安全電路，即使產(chǎn)品在遭受已確定的某個危險時發(fā)生了故障，這種電路也能保護(hù)用戶的安全。
圖 1：IEC 62368-1 取代了舊的 IEC 60951-1 和 IEC 60065 安全標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容涵蓋 ICT、AV 以及諸如物聯(lián)網(wǎng)和電池供電型電子設(shè)備等其他產(chǎn)品。（圖片來源：Littelfuse）
IEC 62368-1 不僅適用于最終用戶的產(chǎn)品，而且也適用于組成該產(chǎn)品的部件和子系統(tǒng)（如電源）。在一個未指定的期限內(nèi)，新標(biāo)準(zhǔn)暫時允許重復(fù)使用符合舊標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和子組件。預(yù)計(jì)工程師們將針對北美、英國、日本和澳大利亞/新西蘭等主要市場采用新標(biāo)準(zhǔn)。
針對人員的電路保護(hù)
工程師們采用 HBSE 方法才能符合 IEC 62383-1 標(biāo)準(zhǔn)要求。這意味著：
該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了三類 ES。1 類 ES (ES1) 在正常、異常或單故障條件下，仍處于 1 類限值之下。存在的能量可由人員檢測到，但不會有疼痛感，也不足以引起燃燒。不需要任何保障措施來保護(hù)普通用戶免受 1 類 ES 的影響。
2 級 ES (ES2) 能量等級超過 1 類限值，但在產(chǎn)品正常、異常或單故障運(yùn)行條件下，仍低于 2 類限值。存在的能量可能足以引起疼痛，但不太可能造成傷害。在某些情況下，所存在的能量可能足以導(dǎo)致燃燒。至少需要一項(xiàng)保障措施來保護(hù)普通用戶免受 2 類能量源的影響。
3 類 ES (ES3) 最危險。其能量在正常、異常或單故障條件下都超過了 2 類的最大限值，可能會造成傷害或引起燃燒并蔓延。ES3 造成的傷害類型可能擴(kuò)展到顫抖、心臟/呼吸停止或皮膚和/或內(nèi)部器官燒傷。為了保護(hù)普通用戶不受 ES3 危害的影響，需要采取雙重或強(qiáng)化保障措施。
新標(biāo)準(zhǔn)特別規(guī)定了不同的產(chǎn)品類型、不同使用場所條件下，不同類別的過電壓耐受閾值和浪涌保護(hù)要求。
設(shè)計(jì)者必須了解，適用于 ES1、ES2 和 ES3 的實(shí)際電流和電壓限值是不同的。例如，電源工作頻率會影響電壓的限值要求。對于工作頻率低于 1 千赫茲 (kHz) 的電源提供的電壓，ES1 的限值是 30 Vrms、42.4 V峰值 和 60 VDC。ES2 的限值是 50 Vrms，70.7 V峰值、120 VDC。
設(shè)備必須符合適用能量源等級中規(guī)定的電壓限值或電流限值，但不必同時符合。限值也會根據(jù)正常或異常運(yùn)行或單故障情況而變化。新標(biāo)準(zhǔn)的第 5 條詳細(xì)介紹了這些限值。還有一些子條款，涵蓋了諸如根據(jù)關(guān)閉時間確定的脈沖波形的限值。
設(shè)備的電路保護(hù)
雖然人員保護(hù)是任何設(shè)備制造商的首要關(guān)注點(diǎn)，但保護(hù)最終產(chǎn)品免受電壓和電流尖峰的損害也不能忽略。IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)以兩個舊標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)制定，規(guī)定了設(shè)備的最低耐受等級，以確保其可以抵御瞬態(tài)過電壓和過電流。
該標(biāo)準(zhǔn)為電表居民側(cè)的設(shè)備定義了“三類過電壓”（I 類、II 類和 III 類）。電表配電側(cè)的設(shè)備被劃分為 IV 類過電壓設(shè)備。
具體來說，I 類適用于未連接電源的設(shè)備（如電池供電型便攜設(shè)備），而 II 類適用于連接到建筑線路的可插拔 ICT 和 AV 設(shè)備。III 類適用于構(gòu)成建筑基礎(chǔ)設(shè)施一部分的系統(tǒng)，如配電盤、斷路器、電線、接線盒、開關(guān)、插座和工業(yè)設(shè)備。
II 類設(shè)備通常包括基于 120 V 或 230 V AC 電源的設(shè)備設(shè)計(jì)，或適用于諸如 100 V 至 250 V 等范圍的 AC 電源。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，此類設(shè)備必須具有最低的瞬態(tài)峰值電壓耐受水平，采用 120 V AC 電源時為 1.5 kV，采用 230 V AC 電源時為 2.5 kV（圖 2）。
圖 2：IEC 62368-1 規(guī)定了不同的過電壓類別，具體取決于最終產(chǎn)品的使用地點(diǎn)。I、II、III 類適用于電表居民側(cè)產(chǎn)品，而 IV 類則適用于配電側(cè)產(chǎn)品。（圖片來源：Littelfuse）
電路設(shè)計(jì)符合 IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)的浪涌保護(hù)要求
實(shí)際上，設(shè)計(jì)符合新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過電壓和過電流事件保護(hù)要求的電路并不太困難。關(guān)鍵是通過提供一個替代傳導(dǎo)路徑，將瞬態(tài)尖峰從敏感設(shè)備轉(zhuǎn)移。根據(jù)電源是否使用差分模式，或差分和共模方案，推薦兩種技術(shù)（圖 3A 和 3B）。
圖 3：IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn) II 類瞬態(tài)電壓和電流保護(hù)包括差分模式（A，上），或差分和共模方案（B，下）。（圖片來源：Littelfuse）
在差分模式方案 (3A) 中，通過保險絲 (I) 實(shí)現(xiàn)保護(hù)，以防過流，同時還有一個熱保護(hù)金屬氧化物變阻器 (TMOV) (II)。TMOV 由兩個元件組成，一個是熱激活器件，用于在異常過電壓導(dǎo)致的過熱情況下斷開，另一個是 MOV。正常工作情況下，MOV 的電阻非常高，允許正常的工作電流通過電路。在較高的電壓下，如瞬時尖峰，MOV 表現(xiàn)出低電阻，使電流無法流向最終產(chǎn)品。
差分和共模方案也利用了熔斷器和 TMOV 橫跨火線和中性線，但增加了兩個 MOV 和一個氣體放電管 (GDT)。如圖 3B 所示，MOV 被加在火線和地線，以及中性線和地線之間，并與 GDT 串聯(lián)。在正常運(yùn)行情況下，GDT 的特點(diǎn)是高絕緣電阻以及低電容、低泄露。然而，當(dāng)暴露在高電壓瞬態(tài)下時，封閉的氣體會變成等離子體，將電壓從最終產(chǎn)品中向外耗散。
雖然推薦使用 TMOV 選項(xiàng)（因?yàn)樗哂袩岜Ｗo(hù)、低能量泄放和鉗位電壓的特點(diǎn)），但在符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，也可以考慮其他形式的差分模式保護(hù)方案。這方面的例子包括 MOV、保護(hù)晶閘管加 MOV（特別適用于調(diào)制解調(diào)器等產(chǎn)品）或 TVS 二極管。對于共模保護(hù)，MOV 加 GDT 保護(hù)是唯一允許的解決方案。
對工程師來說，在部件選擇期間事情會變得有點(diǎn)棘手。器件必須滿足 IEC 62368-1 規(guī)定的保護(hù)條件，以使最終產(chǎn)品符合該標(biāo)準(zhǔn)。
保險絲 (I) 用于防止在過流事件中損壞敏感電路（并幫助最終產(chǎn)品通過故障測試）。在考慮熔斷器時，設(shè)計(jì)者需要考慮這樣一個部件：
8 A 0215008.MRET1SPP 或 12 A 0215012.MRET1P 器件是 240 VAC II 類產(chǎn)品的良好選擇 ，這兩款產(chǎn)品均屬于 Littelfuse 的 215 系列。215 系列是一種浪涌承受能力強(qiáng)的 20×5 mm 延遲型陶瓷體盒式保險絲，其設(shè)計(jì)符合 IEC 規(guī)范，可用于為部件或內(nèi)部電路提供單獨(dú)保護(hù)。
在這種應(yīng)用中，保險絲必須滿足一個關(guān)鍵要求，即其額定分?jǐn)嚯娏鞅仨氝_(dá)到或超過被保護(hù)電路的最大故障電流。否則，設(shè)備將無法正常工作，而且在保險絲應(yīng)該斷開時，存在破壞性電流仍流經(jīng)電路的風(fēng)險。215 系列保險絲在 250 VAC 時具有 1.5 V 的高額定分?jǐn)嚯妷骸?/p>
當(dāng)選擇 TMOV (II) 時（如 3A 和 3 B 的電路所示），設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮以下準(zhǔn)則。
TMOV 應(yīng)符合變阻器部件標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC 61051-1 或 IEC 61643-331 標(biāo)準(zhǔn)
最大連續(xù)工作電壓 (MCOV) 大于等于設(shè)備額定電壓的 1.25 倍
TMOV 應(yīng)能承受多次沖擊（如 IEC 61051-2 的第 2.3.6 條或 IEC 61643-331 的第 8.1.1 的規(guī)定）。
該部件必須通過標(biāo)準(zhǔn)的壓敏電阻器過載測試
圖 4：過載測試原理圖。保護(hù)部件必須承受 2 倍額定電壓的過載，并采用將 R1 值逐次減半的方式進(jìn)行重復(fù)測試，直到電路斷開。（圖片來源：Littelfuse）
Littelfuse 的 TMOV14RP300EL2T7 是這種應(yīng)用很好的候選器件。該器件的 MCOV 為 300 V（滿足 240 VAC 電源的部件標(biāo)準(zhǔn)要求），直徑為 14 mm，足夠大的尺寸使其滿足承受多次脈沖沖擊的要求。此外，由于 TMOV14RP300EL2T7 具有有熱保護(hù)功能，因此其 300 V MCOV 足以通過壓敏電阻過載測試。為了增加安全系數(shù)，非熱保護(hù)型 MOV 的 MCOV 應(yīng)達(dá)到 420 V 或更高。TMOV 可以承受高達(dá) 6 kA 的單事件峰值浪涌電流 (<20 μs)。圖 5 說明了針對重復(fù)浪涌和浪涌持續(xù)時間的浪涌能力。
圖 5：Littelfuse 的 14 mm MOV 的重復(fù)浪涌能力 。該器件可以承受高達(dá) 6 kA 的單事件峰值浪涌電流 (<20 μs)。（圖片來源：Littelfuse）
共模保護(hù)的 MOV 和 GDT 要求也是由 IEC 61051-1 或 IEC 61643-331 部件標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。遵守該標(biāo)準(zhǔn)可使得由符合標(biāo)準(zhǔn)的部件構(gòu)成的子部件也滿足 IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)的要求。在這種情況下，MOV 需要滿足與上述 TMOV 相同的 MCOV 和浪涌要求，但由于這兩個器件與 GDT 一起使用，過載測試在組合保護(hù)電路上進(jìn)行，而不是單獨(dú)的 MOV。
Littelfuse 的 V10E300P MOV 符合這一要求。該部件的 MCOV 為 300 V，直徑為 10 mm，使其足夠堅(jiān)固，能滿足標(biāo)準(zhǔn)的多次脈沖沖擊。該部件可以承受高達(dá) 3.5 kA 的峰值浪涌電流。為了符合標(biāo)準(zhǔn)要求，GDT 必須通過 2.5 kV 耐壓電氣強(qiáng)度測試，并滿足間隙和爬電的要求。
Littelfuse 的 CG33.0LTR GDT 可用于這種應(yīng)用。這是一個雙電極的高壓器件，用于浪涌保護(hù)和高隔離應(yīng)用。該 GDT 在 100 V 時的絕緣電阻為 10 千兆歐 (GΩ)，電容小于<1.5 皮法拉 (pf)。其擊穿電壓為 4.6 kV，可承受 10 kA 最大沖擊電流。
兩個 V10E300P MOV 和一個 CG33.0LTR GDT 組合后，能夠滿足上文描述 TMOV 保護(hù)電路時介紹的過載測試要求。
結(jié)論
IEC 62368-1 為工作電壓低于 600 V 產(chǎn)品的電路保護(hù)引入了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而以前 ICT 和 AV 適用的標(biāo)準(zhǔn)是分開的。該標(biāo)準(zhǔn)正式確定了舊標(biāo)準(zhǔn)未涵蓋產(chǎn)品的電路保護(hù)，如物聯(lián)網(wǎng)和電池供電型設(shè)備。盡管熟悉舊標(biāo)準(zhǔn)的工程師需要改變他們的設(shè)計(jì)方法，但 IEEE 62368-1 簡化了電路保護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更高的安全水平和設(shè)計(jì)靈活性。此外，Littelfuse 等保護(hù)部件制造商還提供器件和建議，簡化了符合新標(biāo)準(zhǔn)的電路設(shè)計(jì)。
