|
針對家庭中智能電器和物聯網 (IoT) 連接設備的不斷增加，業界發布了新的 IEC 60335 安全標準，這給設計人員帶來了新的電源挑戰。最近發布的標準對交直流電源的隔離電壓、爬電和間隙距離以及漏電電流有嚴格要求。要設計符合眾多要求、緊湊而高性價比的交直流電源，這會非常困難，而走完所需的測試和批準流程會增加更多成本，拖慢上市時間。 除了設計上的挑戰，許多家電都會在潮濕或有水的環境中使用。交直流電源電路內含高壓電源軌，因此很難設計出適合在潮濕環境中使用的封裝。 為了應對這些挑戰，同時仍然滿足緊迫的時限和預算要求，設計人員可以采用已經通過 IEC/EN/UL 62368-1 認證、其設計符合 IEC/EN/UL 61558/60335 家庭應用要求的封裝型交直流電源。 本文回顧了 IEC 60335-1 的基本要求，介紹了 IEC 60335 要求的多重同時故障測試的概念，并簡要說明了 IEC 60335 第 2 部分。本文隨后介紹了 CUI 的幾種交直流電源，設計人員可以使用這些電源來加快設計符合 IEC 60335 標準的智能電器和物聯網連接設備，以及商業信息技術設備 (ITE)。 IEC 60335 的基本要求有哪些？ IEC 60335 涵蓋“家用和類似電器的安全”，單相額定電壓最高為 250 V，多相額定電壓最高為 480 V。IEC 60335-1 包括對所有家電的基本要求。設計人員面臨的挑戰之一是了解 IEC 60335-1 與之前制定的 ITE 安全標準 IEC 60950-1 的區別。在最大漏電電流水平、隔離電壓、爬電和間隙距離方面，二者存在著不同和相似之處。 正常工作時，如有接地連接，漏電電流會流入機箱或保護接地導體。如果接地連接因任何原因斷開，漏電電流可能會流經設備操作者的身體，造成潛在的危險。IEC 60335-1 認可兩類設備：便攜式和固定式。IEC 60950-1 包括三種設備類別：手持式、可移動式和固定式。IEC 60335 中的便攜式設備漏電電流限制為 0.75 mA，與 IEC 60950-1 中的手持式設備相同。IEC 60950-1 規定可移動和固定設備的漏電電流限制為 3.5 mA，這與 IEC 60335-1 中對固定式家電規定的水平相同。 兩個標準對隔離電壓要求也有不同的定義。所需的隔離電平取決于電路中的位置：輸入到輸出、輸出到地或輸入到地。IEC 60950-1 僅包括固定值，如輸入與輸出之間為 3 kV 隔離。IEC 60335-1 的輸入到輸出隔離要求依據工作電壓而變，規定為 2.4 kV 加上 2.4 倍的工作電壓。在輸出到地的隔離方面，IEC 60335-1 沒有要求，而 IEC 60950-1 規定了 500 V 的隔離。 兩個標準對爬電距離和間隙距離的規定也有明顯不同。雖然兩個標準都根據工作電壓和絕緣類型（基本型或強化型）來定義爬電和間隙距離，但在比較時，IEC 60950-1 和 IEC 60335-1 的要求可能相同、更嚴格或更寬松。 兩個導電部件之間沿表面的最短距離被定義為爬電距離（圖 1）。當工作電壓在 250 V 至 300 V 之間時，IEC 60335-1 更加嚴格，對于強化絕緣要求 8.0 mm 的爬電距離，而 IEC 60950-1 要求 6.4 mm 的爬電距離。如果工作電壓在 200 V 至 250 V 之間，兩個標準都規定爬電距離為 5.0 mm。 
圖 1：在絕緣體表面測量爬電距離。（圖片來源：CUI） 兩個導電部件之間的空中距離就是間隙距離（圖 2）。當考慮強化絕緣且工作電壓在 150 V 至 300 V 之間時，IEC 60335-1 的間隙距離要求只有 3.5 mm，而 IEC 60950-1 更加嚴格，要求 4.0 mm。
圖 2：空中測量間隙距離。（圖片來源：CUI） IEC 60335 還要求電器符合 IEC 60529 中定義的侵入防護 (IP) 等級。IP 等級取決于電器的使用環境。許多家電需要能在潮濕或有水的情況下安全運行。IEC 60529 根據電器分類規定了所需的具體保護級別。 基礎之外 構成當今智能家居的智能電器和物聯網連接設備遠比傳統電器復雜，通常包括觸摸屏顯示器、軟件接口、數字控制、無線和/或有線互聯網協議 (IP) 連接，以及其他功能（圖 3）。由于復雜性增加，IEC 60335 涵蓋了兩個故障同時發生的可能性，而不僅是單點故障。這與 IEC 60950-1 安全標準形成鮮明對比，后者僅追求單一故障后的安全運行。
圖 3：智能電器的例子包括帶有高清顯示屏和 IP 連接的冰箱（左）和帶有 LCD 觸摸屏控制的烤面包機（右）。（圖片來源：CUI） IEC 60335-1 考慮了兩個硬件故障的組合或硬件和軟件故障的組合。這些測試對于通常包括某種形式的數字控制或監測的電力電子設備來說可能特別重要。許多設計包括 IEC 60335-1 中規定的“保護性電子線路 (PEC)”。IEC 60335 中的 PEC 概念超出了硬件的范圍，包括各種軟件功能，如故障檢測軟件。該標準要求，當 PEC 故障發生在另一故障（如基本絕緣故障）之后，以及 PEC 故障發生在另一故障之前時，設備應保持安全運行。系統必須保持安全。 多重故障要求還包括電磁兼容性 (EMC) 規范。IEC 60335 要求在引發 PEC 故障后進行 EMC 測試。例如，交流輸入端的浪涌放電器被斷開。該測試包括內部電源，以確保它在 PEC 故障后不會因電磁干擾 (EMI) 而進入不安全的工作狀態。 在單一故障條件下（如 PEC 故障），IEC 60355 要求固件或軟件控制能在施加 EMI 的情況下安全運行。除了系統控制之外，此要求還適用于單獨的交直流電源、DC-DC 轉換器以及帶有數字控制的電機驅動器。為了符合該要求，這些設備必須在系統中進行測試。 IEC 60355 第 2 部分 與 IEC 60950 不同，IEC 60335 有兩個部分。第 2 部分 (IEC 60335-2) 包括具體電器要求，涵蓋了從烤面包機到空調系統的 100 多種電器類型。設計人員應該熟悉第 2 部分，因為它適用于具體電器的設計。如有指定，第 2 部分的要求優先于第 1 部分的基本要求。 美國和歐洲以不同方式對待第 1 部分和第 2 部分。美國的 UL 60335-1 與 IEC 60335-1 一致，但 UL 標準并不認可第 2 部分的全部標準。在歐洲，EN 60335-1 也被協調為與 IEC 60335-1 一致，但與 UL 標準不同的是，EN 標準認可第 2 部分的幾乎所有關于特定產品的標準。 滿足 60335 標準的設計 為了簡化電源部分的設計，同時符合 60335 要求，智能電器、物聯網連接設備和商業 ITE 的設計人員可以使用預封裝模塊。例如，CUI 的 PSK 系列封裝型交/直流電源通過了 IEC/EN/UL 62368-1 認證，其設計符合 IEC/EN/UL 61558/60335 關于家庭應用的要求。這些電源的功率水平從 2 W 至 60 W，效率高達 90%，有多種安裝方式，包括板安裝、底座安裝或 DIN 導軌（圖 4）。
圖 4：CUI 的 PSK 系列封裝型交直流電源有三種安裝方式，板式（右下）、底座（左下）和 DIN 導軌（上）。（圖片來源：CUI） PSK 系列電源的例子包括： PSK-10D-12-T 在 85 V 至 305 V AC 或 100 V 至 430 V DC 的寬輸入范圍內工作，輸出 12 V DC 和高達 10 W 的功率，采用底座安裝封裝。 PSK-S2C-24 輸入范圍為 85 V 至 305 V AC 或 120 V 至 430 V DC，以 24 V DC 提供最高 2 W 的功率，采用板安裝封裝。 PSK-20D-12-DIN 以 12 V DC 提供 20 W 功率，輸入范圍為 85 V 至 305 V AC 或 100 V 至 430 V DC，采用 DIN 導軌封裝。 PSK 系列交直流電源具有 4 kV AC 輸入到輸出隔離、寬輸入電壓范圍，以及從 -40°C 至 +70°C 的寬工作溫度范圍，一些型號的額定溫度高達 85°C。該系列還提供 3.3、5、9、12、15 和 24 V DC 的單一輸出電壓，以及過流、過壓和連續短路保護。 在使用這些模塊時，要記住以下幾點。為了保護和濾波目的，以及為了幫助符合電磁兼容性 (EMC) 要求，需要一些外部元器件。這些信息大部分都在隨附的規格書中提供。 例如，在 CUI 的 PSK-10D-12-T 應用設計參考中，預先提供了 2 A/300 V 慢融保險絲，以及金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)（圖 5）。
圖 5：PSK-10D-12-T 參考設計顯示了輸入保護和輸出濾波元器件的放置（頂部）及對應的值（底部）。（圖片來源：CUI） 輸出濾波通過高頻電解電容器 (C2) 和陶瓷電容器 (C1) 實現。C2 須有較低的等效串聯電阻 (ESR)，并且在額定輸出電壓上至少有 20% 的裕量。在負載之前放置瞬態電壓抑制 (TVS) 二極管有助于在（不太可能發生的）轉換器故障時保護下游電子設備。 為了符合 EMC 要求，CUI 建議在模塊的交流輸入前添加一個 6.8 Ω、3 W 的電阻器 (R1)（圖 6）。
圖 6：為實現 EMC 保護，應在交流輸入線路增加 R1，如圖所示。（圖片來源：CUI） 結語 隨著智能家居設備和物聯網連接設備的數量不斷增加，設計人員需要了解 IEC 60335 安全標準的含義，以及它與 IEC 60950 的關系。該標準直接影響這些應用的電源設計和認證，帶來了一些設計限制和復雜性。 為了應對這些復雜性，設計人員可以選擇支持 IEC 60335 兼容解決方案的封裝型交直流電源。這些高效率、高功率密度的器件有多種封裝方式，包括底座安裝、板安裝和 DIN 導軌。如本文所示，這些器件遵循一些基本的良好設計實踐，可以大大降低開發成本并縮短上市時間。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
