วิธีปฏิบัติตามข้อกำหนดของแหล่งจ่ายไฟ IEC 60335 สำหรับเครื่องใช้ภายในบ้านและอุปกรณ์ IoT

การเปิดตัวมาตรฐานความปลอดภัย IEC 60335 ใหม่ เพื่อรองรับการใช้งานอุปกรณ์อัจฉริยะและอุปกรณ์เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ภายในบ้านที่เพิ่มขึ้น ทำให้เกิดความท้าทายด้านแหล่งจ่ายไฟใหม่สำหรับนักออกแบบ มาตรฐานที่เพิ่งเปิดตัวนี้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับแรงดันไฟฟ้าแยก ระยะคืบหน้าและระยะห่าง และกระแสไฟรั่วในแหล่งจ่ายไฟ AC-DC การออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟ AC-DC ขนาดกะทัดรัดและคุ้มค่าใช้จ่ายซึ่งตรงตามข้อกำหนดจำนวนมากนั้นเป็นเรื่องยาก และการผ่านขั้นตอนการทดสอบและการอนุมัติที่จำเป็นจะเพิ่มต้นทุนและเวลาในการออกสู่ตลาดช้าลง

การเพิ่มความท้าทายในการออกแบบ คาดว่าเครื่องใช้ในครัวเรือนจำนวนมากจะถูกใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นหรือน้ำ วงจรจ่ายไฟ AC-DC ประกอบด้วยรางไฟฟ้าแรงสูงภายใน ทำให้ยากต่อการออกแบบบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้นหรือเปียก

เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ในขณะที่ยังคงเป็นไปตามกำหนดเวลาและงบประมาณที่คับคั่ง นักออกแบบสามารถใช้แหล่งจ่ายไฟ AC-DC แบบห่อหุ้มที่ผ่านการรับรอง IEC/EN/UL 62368-1 แล้ว และได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนด IEC/EN/UL 61558/60335 สำหรับการใช้งานในครัวเรือน .

บทความนี้ทบทวนข้อกำหนดพื้นฐาน IEC 60335-1 แนะนำแนวคิดการทดสอบความล้มเหลวหลายรายการพร้อมกันตามที่กำหนดโดย IEC 60335 และพิจารณาส่วนที่ 2 ของ IEC 60335 โดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำแหล่งจ่ายไฟ AC-DC หลายตัวจาก CUI ที่นักออกแบบสามารถใช้เพื่อเร่งการออกแบบเครื่องใช้อัจฉริยะที่ผ่านการรับรอง IEC 60335 และอุปกรณ์เชื่อมต่อ IoT รวมถึงอุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศเชิงพาณิชย์ (ITE)

ข้อกำหนดพื้นฐานของ IEC 60335 คืออะไร?

IEC 60335 ครอบคลุม "ความปลอดภัยของใช้ในครัวเรือนและเครื่องใช้ไฟฟ้าที่คล้ายกัน" โดยมีแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 250 โวลต์สำหรับเฟสเดียวและสูงสุด 480 โวลต์สำหรับหลายเฟส IEC 60335-1 มีข้อกำหนดพื้นฐานเกี่ยวกับเครื่องใช้ในครัวเรือนทั้งหมด ท่ามกลางความท้าทายที่นักออกแบบต้องเผชิญคือการทำความเข้าใจว่า IEC 60335-1 เปรียบเทียบกับมาตรฐานความปลอดภัย IEC 60950-1 ที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้สำหรับ ITE ได้อย่างไร มีความแตกต่างและความคล้ายคลึงกันที่เกี่ยวข้องกับระดับกระแสไฟรั่วสูงสุด แรงดันการแยก และระยะคืบหน้าและระยะห่าง

ภายใต้การทำงานปกติ เมื่อมีการเชื่อมต่อกราวด์ กระแสไฟรั่วไหลในแชสซีหรือสายดินป้องกัน หากการต่อสายดินขาดด้วยเหตุผลใดก็ตาม กระแสไฟรั่วอาจไหลผ่านร่างกายของบุคคลใดก็ตามที่ใช้งานอุปกรณ์ ซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายได้ IEC 60335-1 จำแนกอุปกรณ์สองประเภท: แบบพกพาและอยู่กับที่ IEC 60950-1 ประกอบด้วยอุปกรณ์สามประเภท ได้แก่ มือถือ เคลื่อนย้ายได้ และอยู่กับที่ อุปกรณ์พกพาใน IEC 60335 ถูกจำกัดกระแสรั่วไหลไว้ที่ 0.75 มิลลิแอมแปร์ (mA) เช่นเดียวกับอุปกรณ์พกพาใน IEC 60950-1 อุปกรณ์เคลื่อนที่และอยู่กับที่จำกัดกระแสไฟรั่วที่ 3.5 mA ใน IEC 60950-1 ซึ่งเป็นระดับเดียวกับที่กำหนดไว้สำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ใน IEC 60335-1

ข้อกำหนดแรงดันไฟแยกยังขึ้นอยู่กับคำจำกัดความที่แตกต่างกันระหว่างสองมาตรฐาน ระดับการแยกที่ต้องการขึ้นอยู่กับตำแหน่งภายในวงจร: อินพุตสู่เอาต์พุต, เอาต์พุตสู่กราวด์ หรืออินพุตสู่กราวด์ IEC 60950-1 รวมค่าคงที่เช่นการแยก 3 กิโลโวลต์ (kV) ระหว่างอินพุตกับเอาต์พุต IEC 60335-1 แปรผันความต้องการการแยกอินพุตสู่เอาต์พุตตามแรงดันใช้งาน: ระบุเป็น 2.4 kV บวก 2.4 เท่าของแรงดันใช้งาน ในกรณีของการแยกเอาต์พุตสู่พื้น IEC 60335-1 ไม่มีข้อกำหนด ในขณะที่ IEC 60950-1 ระบุการแยก 500 โวลต์

ความผันแปรยังปรากฏชัดในวิธีที่ทั้งสองมาตรฐานปฏิบัติต่อระยะห่างตามผิวพื้นและระยะการกวาดล้าง แม้ว่ามาตรฐานทั้งสองจะใช้แรงดันใช้งานและประเภทฉนวน (พื้นฐานหรือเสริมแรง) เพื่อกำหนดความคืบคลานและระยะห่าง ข้อกำหนดอาจเหมือนกัน เข้มงวดกว่า หรือเข้มงวดกว่าเมื่อเปรียบเทียบ IEC 60950-1 กับ IEC 60335-1

ระยะห่างที่สั้นที่สุดระหว่างส่วนนำไฟฟ้าสองส่วนตามพื้นผิวถูกกำหนดเป็นระยะคืบ (รูปที่ 1) เมื่อแรงดันใช้งานอยู่ระหว่าง 250 ถึง 300 โวลต์ IEC 60335-1 นั้นเข้มงวดกว่าและต้องการฉนวนเสริมความแข็งแรง 8.0 มม. (มม.) ในขณะที่ IEC 60950-1 ต้องใช้ความคืบหน้า 6.4 มม. หากแรงดันใช้งานอยู่ระหว่าง 200 ถึง 250 โวลต์ ทั้งสองมาตรฐานกำหนดให้ใช้ขนาดตามผิวฉนวน 5.0 มม.

รูปที่ 1: วัดระยะทางตามผิวฉนวนบนพื้นผิวของฉนวน (ที่มาของภาพ: CUI)

ระยะห่างระหว่างสองส่วนที่นำไฟฟ้าผ่านอากาศคือระยะการกวาดล้าง (รูปที่ 2) ข้อกำหนดระยะห่างใน IEC 60335-1 มีเพียง 3.5 มม. ในขณะที่ IEC 60950-1 มีข้อ จำกัด มากกว่า ซึ่งต้องใช้ 4.0 มม. เมื่อพิจารณาฉนวนเสริมแรงและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานระหว่าง 150 ถึง 300 โวลต์

รูปที่ 2: ระยะการกวาดล้างวัดผ่านอากาศ (ที่มาของภาพ: CUI)

นอกจากนี้ IEC 60335 ยังต้องการให้อุปกรณ์เป็นไปตามระดับการป้องกันทางเข้า (IP) ตามที่กำหนดไว้ใน IEC 60529 ระดับ IP ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่ใช้อุปกรณ์ คาดว่าเครื่องใช้ในครัวเรือนจำนวนมากจะทำงานได้อย่างปลอดภัยในที่ที่มีความชื้นหรือน้ำ IEC 60529 กำหนดระดับการป้องกันเฉพาะที่จำเป็นโดยขึ้นอยู่กับการจัดหมวดหมู่ของอุปกรณ์

มากกว่าพื้นฐาน

เครื่องใช้อัจฉริยะและอุปกรณ์เชื่อมต่อ IoT ที่ประกอบด้วยบ้านอัจฉริยะในปัจจุบันนั้นซับซ้อนกว่าเครื่องใช้แบบดั้งเดิมมาก ซึ่งมักจะรวมถึงหน้าจอสัมผัส อินเทอร์เฟซของซอฟต์แวร์ การควบคุมแบบดิจิตอล การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตโปรโตคอล (IP) แบบไร้สายและ/หรือแบบมีสาย และความสามารถอื่น ๆ (รูปที่ 3) เนื่องจากความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นนี้ IEC 60335 จึงครอบคลุมถึงความเป็นไปได้ของข้อผิดพลาดสองประการที่เกิดขึ้นพร้อมกัน ไม่ใช่แค่ข้อบกพร่องจุดเดียว ซึ่งตรงกันข้ามกับมาตรฐานความปลอดภัย IEC 60950-1 ซึ่งมองหาการทำงานที่ปลอดภัยหลังจากเกิดข้อผิดพลาดเพียงครั้งเดียวเท่านั้น

รูปที่ 3: ตัวอย่างของเครื่องใช้อัจฉริยะ ได้แก่ ตู้เย็นที่มีจอแสดงผลความละเอียดสูงและการเชื่อมต่อ IP (ซ้าย) และเครื่องปิ้งขนมปังที่มีระบบควบคุมหน้าจอสัมผัส LCD (ขวา) (ที่มาของภาพ: CUI)

IEC 60335-1 พิจารณาจากความผิดพลาดของฮาร์ดแวร์สองอย่างร่วมกัน หรือการรวมกันของความผิดพลาดของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ การทดสอบเหล่านี้มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังซึ่งมักจะมีรูปแบบการควบคุมหรือการตรวจสอบแบบดิจิทัลบางรูปแบบ การออกแบบจำนวนมากรวมถึงสิ่งที่ IEC 60335-1 หมายถึง "วงจรอิเล็กทรอนิกส์ป้องกัน" (PEC) แนวคิดของ PEC ใน IEC 60335 มีมากกว่าฮาร์ดแวร์ และรวมถึงคุณสมบัติซอฟต์แวร์ต่าง ๆ เช่น ซอฟต์แวร์ตรวจจับข้อผิดพลาด มาตรฐานกำหนดว่าอุปกรณ์ต้องรักษาการทำงานที่ปลอดภัยเมื่อเกิดข้อผิดพลาด PEC หลังจากเกิดข้อผิดพลาดอื่น เช่น ความล้มเหลวของฉนวนพื้นฐาน และเมื่อเกิดข้อผิดพลาด PEC ก่อนเกิดข้อผิดพลาดอื่น ระบบจะต้องยังคงปลอดภัย

ข้อกำหนดความล้มเหลวหลายครั้งยังรวมถึงข้อกำหนดความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) IEC 60335 กำหนดให้ทำการทดสอบ EMC หลังจากที่ PEC เกิดความล้มเหลว ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากบนอินพุต AC ถูกตัดการเชื่อมต่อ การทดสอบนี้รวมแหล่งจ่ายไฟภายในเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่เข้าสู่สภาวะการทำงานที่ไม่ปลอดภัยในการตอบสนองต่อสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) หลังจากความล้มเหลวของ PEC

IEC 60355 กำหนดให้การควบคุมเฟิร์มแวร์หรือซอฟต์แวร์ทำงานอย่างปลอดภัยกับ EMI ที่ใช้ภายใต้สภาวะความผิดปกติเพียงครั้งเดียว เช่น ความล้มเหลวของ PEC นอกเหนือจากการควบคุมระบบ ข้อกำหนดนี้ใช้กับแหล่งจ่ายไฟ AC-DC แต่ละตัว ตัวแปลง DC-DC และไดรเวอร์มอเตอร์ที่มีการควบคุมแบบดิจิตอล อุปกรณ์เหล่านี้ต้องได้รับการทดสอบในระบบเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดนี้

ส่วนที่สองของ IEC 60355

ซึ่งแตกต่างจาก IEC 60950 IEC 60335 มีสองส่วน ส่วนที่ 2 (IEC 60335-2) ประกอบด้วยข้อกำหนดเฉพาะของอุปกรณ์ ครอบคลุมอุปกรณ์กว่า 100 ประเภท ตั้งแต่เครื่องปิ้งขนมปังไปจนถึงระบบปรับอากาศ นักออกแบบควรทำความคุ้นเคยกับส่วนที่ 2 เนื่องจากใช้กับการออกแบบเครื่องใช้เฉพาะ เมื่อระบุไว้ ข้อกำหนดของส่วนที่ 2 จะมีความสำคัญเหนือกว่าข้อกำหนดพื้นฐานในส่วนที่ 1

ส่วนที่ 1 และ 2 ได้รับการปฏิบัติแตกต่างกันในสหรัฐอเมริกาและยุโรป UL 60335-1 ในสหรัฐอเมริกาสอดคล้องกับ IEC 60335-1 แต่มาตรฐาน UL ไม่ยอมรับมาตรฐานส่วนที่ 2 ทั้งหมด ในยุโรป EN 60335-1 ยังสอดคล้องกับ IEC 60335-1 และแตกต่างจากมาตรฐาน UL มาตรฐาน EN ยอมรับมาตรฐานส่วนที่ 2 เกือบทั้งหมดสำหรับผลิตภัณฑ์เฉพาะ

การออกแบบเพื่อตอบสนอง60335

เพื่อให้การออกแบบส่วนจ่ายไฟง่ายขึ้นในขณะที่เป็นไปตามข้อกำหนด 60335 ผู้ออกแบบเครื่องใช้อัจฉริยะ อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับ IoT และ ITE เชิงพาณิชย์สามารถใช้โมดูลที่บรรจุไว้ล่วงหน้าได้ ตัวอย่างเช่น PSK ซีรีส์ ของแหล่งจ่ายไฟ AC/DC แบบห่อหุ้มจาก CUI ได้รับการรับรอง IEC/EN/UL 62368-1 และได้รับการออกแบบให้ตรงตามมาตรฐาน IEC/EN/UL 61558/60335 สำหรับการใช้งานในครัวเรือน พาวเวอร์ซัพพลายเหล่านี้มีให้ในระดับพลังงานตั้งแต่ 2 ถึง 60 วัตต์ โดยมีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 90% และมาในรูปแบบการติดตั้งที่หลากหลาย รวมถึงการติดตั้งบอร์ด ตัวยึดแชสซี หรือราง DIN (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ชุด PSK ของ CUI ที่หุ้มห่อด้วยแหล่งจ่ายไฟ AC-DC มีอยู่ในบอร์ด (ล่างขวา) แชสซี (ซ้ายล่าง) และรูปแบบการติดตั้งราง DIN (บน) (ที่มาของภาพ: CUI)

ตัวอย่างของพาวเวอร์ซัพพลายซีรีส์ PSK ได้แก่:

• NSPSK-10D-12-T ซึ่งทำงานในช่วงอินพุตกว้างตั้งแต่ 85 ถึง 305 โวลต์ AC หรือ 100 ถึง 430 โวลต์ DC และเอาต์พุต 12 โวลต์ DC ที่สูงถึง 10 วัตต์ในแพ็คเกจการติดตั้งแชสซี
• NSPSK-S2C-24 ที่มีช่วงอินพุต 85 ถึง 305 โวลต์ AC หรือ 120 ถึง 430 โวลต์ DC และให้ได้ถึง 2 วัตต์ที่ 24 โวลต์ DC ในแพ็คเกจแบบติดตั้งกับบอร์ด
• NSPSK-20D-12-DIN ที่ให้กำลังไฟ 20 วัตต์ที่ 12 โวลต์ DC และมีช่วงอินพุต 85 ถึง 305 โวลต์ AC หรือ 100 ถึง 430 โวลต์ DC ในแพ็คเกจราง DIN

แหล่งจ่ายไฟ AC-DC ซีรีส์ PSK มีการแยกอินพุต-เอาท์พุต AC 4 kV มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้าง และช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างตั้งแต่ -40 ถึง +70°C โดยบางรุ่นมีพิกัดสูงถึง 85°C ซีรีย์นี้ยังมีแรงดันเอาต์พุตเดี่ยวที่ 3.3, 5, 9, 12, 15 และ 24 โวลต์ DC พร้อมกับการป้องกันกระแสไฟเกิน แรงดันไฟเกิน และการป้องกันการลัดวงจรอย่างต่อเนื่อง

เมื่อทำงานกับโมดูล มีบางสิ่งที่ต้องคำนึงถึง ส่วนประกอบภายนอกบางอย่างจำเป็นสำหรับการป้องกันและการกรอง ตลอดจนช่วยให้เป็นไปตามข้อกำหนดความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ข้อมูลส่วนใหญ่นี้มีอยู่ในเอกสารข้อมูลที่แนบมาด้วย

ตัวอย่างเช่น ด้วยการอ้างอิงการออกแบบแอปพลิเคชัน PSK-10D-12-T ของ CUI จะมีฟิวส์ระเบิดช้าขนาด 2 A/300 โวลต์ไว้ล่วงหน้า พร้อมด้วยวาริสเตอร์ของโลหะออกไซด์ (MOV) (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การออกแบบอ้างอิงสำหรับ PSK-10D-12-T แสดงการป้องกันอินพุตและการจัดวางองค์ประกอบการกรองเอาต์พุต (ด้านบน) และค่าที่เกี่ยวข้อง (ด้านล่าง) (ที่มาของภาพ: CUI)

การกรองเอาต์พุตทำได้โดยใช้ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าความถี่สูง (C2) และตัวเก็บประจุเซรามิก (C1) สิ่งสำคัญคือ C2 มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) และมีอย่างน้อย 20% ของแรงดันเอาต์พุตที่กำหนด การวางไดโอดระงับแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) ก่อนโหลดจะช่วยป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ปลายทางในเหตุการณ์ (ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้) ที่ตัวแปลงล้มเหลว

สำหรับการปฏิบัติตามข้อกำหนด EMC CUI แนะนำให้เพิ่มตัวต้านทาน 6.8 โอห์ม (Ω) 3 วัตต์ (R1) ก่อนอินพุต AC ไปที่โมดูล (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: สำหรับการป้องกัน EMC ควรเพิ่ม R1 ที่สายอินพุต AC ตามที่แสดง (ที่มาของภาพ: CUI)

บทสรุป

เนื่องจากจำนวนอุปกรณ์สมาร์ทโฮมและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ IoT ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง นักออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจความหมายของมาตรฐานความปลอดภัย IEC 60335 รวมถึงความสัมพันธ์กับ IEC 60950 มาตรฐานส่งผลกระทบโดยตรงต่อการออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟและคุณสมบัติสำหรับการใช้งานเหล่านี้ สร้างข้อจำกัดด้านการออกแบบและความซับซ้อนในระดับหนึ่ง

เพื่อจัดการกับความซับซ้อนเหล่านี้ นักออกแบบสามารถหันไปใช้แหล่งจ่ายไฟ AC-DC แบบห่อหุ้มที่รองรับโซลูชันที่สอดคล้องกับ IEC 60335 อุปกรณ์ประสิทธิภาพสูงและความหนาแน่นกำลังสูงเหล่านี้มีจำหน่ายในรูปแบบบรรจุภัณฑ์ที่หลากหลาย รวมถึงตัวยึดแชสซี ตัวยึดบอร์ด และราง DIN ดังที่แสดงไว้ โดยการปฏิบัติตามหลักการออกแบบที่ดีขั้นพื้นฐาน อุปกรณ์เหล่านี้สามารถลดต้นทุนการพัฒนาและเวลาในการออกสู่ตลาดได้อย่างมาก

บทความแนะนำ

1. ภาพรวมของการให้คะแนน IP และตัวเชื่อมต่อกันน้ำ
2. ราง DIN แบบธรรมดาแก้ปัญหาสำหรับความเป็นโมดูลาร์ ความยืดหยุ่น และความสะดวกในระบบอุตสาหกรรมได้อย่างไร