符合IEC60335的智能電器和物聯(lián)網(wǎng)的電源設(shè)計(jì)

　　針對(duì)家庭中智能電器和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 連接設(shè)備的不斷增加，業(yè)界發(fā)布了新的 IEC 60335 安全標(biāo)準(zhǔn)，這給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的電源挑戰(zhàn)。最近發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(yán)格要求。要設(shè)計(jì)符合眾多要求、緊湊而高性價(jià)比的交直流電源，這會(huì)非常困難，而走完所需的測(cè)試和批準(zhǔn)流程會(huì)增加更多成本，拖慢上市時(shí)間。

　　除了設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，許多家電都會(huì)在潮濕或有水的環(huán)境中使用。交直流電源電路內(nèi)含高壓電源軌，因此很難設(shè)計(jì)出適合在潮濕環(huán)境中使用的封裝。

　　為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，同時(shí)仍然滿足緊迫的時(shí)限和預(yù)算要求，設(shè)計(jì)人員可以采用已經(jīng)通過(guò) IEC/EN/UL 62368-1 認(rèn)證、其設(shè)計(jì)符合 IEC/EN/UL 61558/60335 家庭應(yīng)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(shí)故障測(cè)試的概念，并簡(jiǎn)要說(shuō)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(shè)計(jì)人員可以使用這些電源來(lái)加快設(shè)計(jì)符合 IEC 60335 標(biāo)準(zhǔn)的智能電器和物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備，以及商業(yè)信息技術(shù)設(shè)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(duì)所有家電的基本要求。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)之一是了解 IEC 60335-1 與之前制定的 ITE 安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 60950-1 的區(qū)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(shí)，如有接地連接，漏電電流會(huì)流入機(jī)箱或保護(hù)接地導(dǎo)體。如果接地連接因任何原因斷開(kāi)，漏電電流可能會(huì)流經(jīng)設(shè)備操作者的身體，造成潛在的危險(xiǎn)。IEC 60335-1 認(rèn)可兩類設(shè)備：便攜式和固定式。IEC 60950-1 包括三種設(shè)備類別：手持式、可移動(dòng)式和固定式。IEC 60335 中的便攜式設(shè)備漏電電流限制為 0.75 mA，與 IEC 60950-1 中的手持式設(shè)備相同。IEC 60950-1 規(guī)定可移動(dòng)和固定設(shè)備的漏電電流限制為 3.5 mA，這與 IEC 60335-1 中對(duì)固定式家電規(guī)定的水平相同。

　　兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jù)工作電壓而變，規(guī)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(méi)有要求，而 IEC 60950-1 規(guī)定了 500 V 的隔離。

　　兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)爬電距離和間隙距離的規(guī)定也有明顯不同。雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都根據(jù)工作電壓和絕緣類型（基本型或強(qiáng)化型）來(lái)定義爬電和間隙距離，但在比較時(shí)，IEC 60950-1 和 IEC 60335-1 的要求可能相同、更嚴(yán)格或更寬松。

　　兩個(gè)導(dǎo)電部件之間沿表面的最短距離被定義為爬電距離（圖 1）。當(dāng)工作電壓在 250 V 至 300 V 之間時(shí)，IEC 60335-1 更加嚴(yán)格，對(duì)于強(qiáng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定爬電距離為 5.0 mm。

圖 1：在絕緣體表面測(cè)量爬電距離。（圖片來(lái)源：CUI）

　　兩個(gè)導(dǎo)電部件之間的空中距離就是間隙距離（圖 2）。當(dāng)考慮強(qiáng)化絕緣且工作電壓在 150 V 至 300 V 之間時(shí)，IEC 60335-1 的間隙距離要求只有 3.5 mm，而 IEC 60950-1 更加嚴(yán)格，要求 4.0 mm。

圖 2：空中測(cè)量間隙距離。（圖片來(lái)源：CUI）

　　IEC 60335 還要求電器符合 IEC 60529 中定義的侵入防護(hù) （IP） 等級(jí)。IP 等級(jí)取決于電器的使用環(huán)境。許多家電需要能在潮濕或有水的情況下安全運(yùn)行。IEC 60529 根據(jù)電器分類規(guī)定了所需的具體保護(hù)級(jí)別。

　　基礎(chǔ)之外

　　構(gòu)成當(dāng)今智能家居的智能電器和物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電器復(fù)雜，通常包括觸摸屏顯示器、軟件接口、數(shù)字控制、無(wú)線和/或有線互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （IP） 連接，以及其他功能（圖 3）。由于復(fù)雜性增加，IEC 60335 涵蓋了兩個(gè)故障同時(shí)發(fā)生的可能性，而不僅是單點(diǎn)故障。這與 IEC 60950-1 安全標(biāo)準(zhǔn)形成鮮明對(duì)比，后者僅追求單一故障后的安全運(yùn)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(jī)（右）。（圖片來(lái)源：CUI）

　　IEC 60335-1 考慮了兩個(gè)硬件故障的組合或硬件和軟件故障的組合。這些測(cè)試對(duì)于通常包括某種形式的數(shù)字控制或監(jiān)測(cè)的電力電子設(shè)備來(lái)說(shuō)可能特別重要。許多設(shè)計(jì)包括 IEC 60335-1 中規(guī)定的“保護(hù)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(cè)軟件。該標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng) PEC 故障發(fā)生在另一故障（如基本絕緣故障）之后，以及 PEC 故障發(fā)生在另一故障之前時(shí)，設(shè)備應(yīng)保持安全運(yùn)行。系統(tǒng)必須保持安全。

　　多重故障要求還包括電磁兼容性 （EMC） 規(guī)范。IEC 60335 要求在引發(fā) PEC 故障后進(jìn)行 EMC 測(cè)試。例如，交流輸入端的浪涌放電器被斷開(kāi)。該測(cè)試包括內(nèi)部電源，以確保它在 PEC 故障后不會(huì)因電磁干擾 （EMI） 而進(jìn)入不安全的工作狀態(tài)。

　　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(yùn)行。除了系統(tǒng)控制之外，此要求還適用于單獨(dú)的交直流電源、DC-DC 轉(zhuǎn)換器以及帶有數(shù)字控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。為了符合該要求，這些設(shè)備必須在系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試。

　　IEC 60355 第 2 部分

　　與 IEC 60950 不同，IEC 60335 有兩個(gè)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(jī)到空調(diào)系統(tǒng)的 100 多種電器類型。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該熟悉第 2 部分，因?yàn)樗m用于具體電器的設(shè)計(jì)。如有指定，第 2 部分的要求優(yōu)先于第 1 部分的基本要求。

　　美國(guó)和歐洲以不同方式對(duì)待第 1 部分和第 2 部分。美國(guó)的 UL 60335-1 與 IEC 60335-1 一致，但 UL 標(biāo)準(zhǔn)并不認(rèn)可第 2 部分的全部標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，EN 60335-1 也被協(xié)調(diào)為與 IEC 60335-1 一致，但與 UL 標(biāo)準(zhǔn)不同的是，EN 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可第 2 部分的幾乎所有關(guān)于特定產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

　　滿足 60335 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

　　為了簡(jiǎn)化電源部分的設(shè)計(jì)，同時(shí)符合 60335 要求，智能電器、物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備和商業(yè) ITE 的設(shè)計(jì)人員可以使用預(yù)封裝模塊。例如，CUI 的 PSK 系列封裝型交/直流電源通過(guò)了 IEC/EN/UL 62368-1 認(rèn)證，其設(shè)計(jì)符合 IEC/EN/UL 61558/60335 關(guān)于家庭應(yīng)用的要求。這些電源的功率水平從 2 W 至 60 W，效率高達(dá) 90%，有多種安裝方式，包括板安裝、底座安裝或 DIN 導(dǎo)軌。

　　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(nèi)工作，輸出 12 V DC 和高達(dá) 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(dǎo)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(hào)的額定溫度高達(dá) 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(guò)流、過(guò)壓和連續(xù)短路保護(hù)。

　　在使用這些模塊時(shí)，要記住以下幾點(diǎn)。為了保護(hù)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(guī)格書(shū)中提供。

　　例如，在 CUI 的 PSK-10D-12-T 應(yīng)用設(shè)計(jì)參考中，預(yù)先提供了 2 A/300 V 慢融保險(xiǎn)絲，以及金屬氧化物壓敏電阻 （MOV）（圖 5）。

圖 5：PSK-10D-12-T 參考設(shè)計(jì)顯示了輸入保護(hù)和輸出濾波元器件的放置（頂部）及對(duì)應(yīng)的值（底部）。（圖片來(lái)源：CUI）

　　輸出濾波通過(guò)高頻電解電容器 （C2） 和陶瓷電容器 （C1） 實(shí)現(xiàn)。C2 須有較低的等效串聯(lián)電阻 （ESR），并且在額定輸出電壓上至少有 20% 的裕量。在負(fù)載之前放置瞬態(tài)電壓抑制 （TVS） 二極管有助于在（不太可能發(fā)生的）轉(zhuǎn)換器故障時(shí)保護(hù)下游電子設(shè)備。

　　為了符合 EMC 要求，CUI 建議在模塊的交流輸入前添加一個(gè) 6.8 Ω、3 W 的電阻器 （R1）（圖 6）。

圖 6：為實(shí)現(xiàn) EMC 保護(hù)，應(yīng)在交流輸入線路增加 R1，如圖所示。（圖片來(lái)源：CUI）

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著智能家居設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的數(shù)量不斷增加，設(shè)計(jì)人員需要了解 IEC 60335 安全標(biāo)準(zhǔn)的含義，以及它與 IEC 60950 的關(guān)系。該標(biāo)準(zhǔn)直接影響這些應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)和認(rèn)證，帶來(lái)了一些設(shè)計(jì)限制和復(fù)雜性。

　　為了應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜性，設(shè)計(jì)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(dǎo)軌。如本文所示，這些器件遵循一些基本的良好設(shè)計(jì)實(shí)踐，可以大大降低開(kāi)發(fā)成本并縮短上市時(shí)間。