Oikean virtalähteen valinta on tärkeää uuden kuluttajatuotteita koskevan IEC/UL IEC-62368 -standardin turvallisuusvaatimusten täyttämiseksi

Kuluttajatuotteiden suunnittelijoiden on täytettävä lukuisien toiminnallisuutta ja suorituskykyä koskevien tavoitteiden lisäksi useita turvallisuutta koskevia vaatimuksia sekä hyötysuhdetta ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) koskevia vaatimuksia. Viranomaisvaatimukset ovat monimutkaisia, mutta uusi standardi –tieto- ja viestintälaitteita (ICT) sekä audio- ja videolaitteita (A/V) koskeva IEC 62368-1 -turvallisuusstandardi – auttaa suunnittelijoita, kunhan he ymmärtävät sen tarkoituksen ja vaatimukset.

Kirjoitushetkellä laajassa käytössä on kaksi standardia, jotka kattavat nämä alueet: IEC 60950-1, joka koskee tietotekniikan laitteiden turvallisuutta, sekä IEC 60065, joka koskee audio- ja videolaitteiden sekä vastaavien elektronisten laitteiden turvallisuusvaatimuksia. Ne kumotaan ja korvataan yhdellä IEC 62368-1 -standardilla 20. joulukuuta 2020.

Uudessa standardissa on kyse muustakin kuin vanhempien standardien kahden tuoteluokan erojen ja päällekkäisyyksien poistamisesta. Se muuttaa turvallisuusnäkökulman vahinkopohjaisesta vaarojen tunnistamiseen perustuvaksi, ja vaatimukset muuttuvat siten, että ne sopivat nykyisin käytössä oleviin teknologioihin tulevia edistysaskelia rajoittamatta.

Tässä artikkelissa kerrotaan IEC 62368-1:n roolista ja sen vaikutuksesta suunnitteluun. Sen jälkeen tarkastellaan toimintoja ja alijärjestelmiä, erityisesti virtalähteitä, jotka ovat keskeisessä osassa uuden standardin vaatimusten täyttämisessä. Lopuksi esitellään CUI Inc:n standardin vaatimuksia vastaavat virtalähderatkaisut, joiden avulla suunnittelijat saavat tuotteet helpommin hyväksytyiksi ja nopeammin markkinoille.

IEC 62368-1: Miksi ja mille tuotteille

AV-tuotteiden ja tietotekniikan, kuten tietokoneiden, välillä oli selkeitä eroja vielä muutama vuosikymmen sitten. Tämän vuoksi näillä perinteisillä tuoteluokilla on kummallakin oma turvallisuusstandardinsa. Teknologian ja tuotteiden edistyminen ja muutokset ovat kuitenkin hämärtäneet näiden kahden ryhmän välistä rajaa, ja niiden päällekkäisyys on kasvanut merkittävästi. Näin ollen tarvittiin uusi, yhteinen turvallisuusstandardi korvaamaan erilliset standardit.

IEC 62368-1:n alkuperäisen version kehitti kansainvälinen sähköalan standardisointijärjestö International Electrotechnical Commission (IEC), joka on yksi maailman vanhimpia standardeja luovia järjestöjä. IEC perusti työtä varten teknisen toimikunnan (TC) 108, joka koostui asiantuntijoista, tutkijoista ja viranomaisten edustajista. Heidän tehtävänään oli kehittää uusi standardi korvaamaan IEC 60065 ja IEC 60950-1 sen sijaan, että standardeja vain päivitettäisiin (kuva 1). Tämän jälkeen IEC hyväksyi TC 108:n kehittämän standardin virallisesti ja monet eri maat, kuten Yhdysvallat, yhdenmukaistivat omat vaatimuksensa sen kanssa.

Kuva 1: IEC 62368-1 on täysin uusi turvallisuusstandardi, joka tarjoaa tuoreen lähestymistavan ja kattaa laajan valikoiman kuluttaja- ja toimistotuotteita. Sillä on kuitenkin oma taustansa ja kontekstinsa. (Kuvan lähde: Power Systems Design)

IEC 62368-1 kattaa useita tuoteluokkia, kuten seuraavat:

• tietokone- ja verkkotuotteet (palvelimet, henkilökohtaiset tietokoneet, reitittimet, kannettavat tietokoneet, tabletit ja niiden virtalähteet)
• kuluttajaelektroniikka (vahvistimet, kotiteatterijärjestelmät, digikamerat ja kannettavat musiikkitoistimet)
• näytöt ja näyttöyksiköt (monitorit, TV:t ja videotykit)
• tietoliikennetuotteet (verkkoinfrastruktuurilaitteet, langattomat puhelimet ja matkapuhelimet sekä samankaltaiset viestintälaitteet, kuten akkukäyttöiset laitteet)
• toimistolaitteet (kopiokoneet ja asiakirjasilppurit)
• monet muut audio- ja videolaitteet sekä tietotekniikka- ja viestintälaitteet, joita käytetään kodeissa, kouluissa sekä vastaavissa ympäristöissä.

IEC 62368-1 ei ole vain yksinkertainen uudistus, joka päivittää ja yhdistää kaksi edeltäjäänsä. Sen sijaan se lähestyy sekä elektroniikka- että IT- ja viestintäteknologian turvallisuuskysymyksiä käyttäen vaarojen tunnistamiseen perustuvaa lähestymistapaa, jota kutsutaan virallisesti HBSE:ksi (Hazard-Base Safety Engineering). Sen sijaan, että standardissa tarkasteltaisiin ja määritettäisiin mahdollisimman tarkkoja turvallisuusvaatimuksia, uusi lähestymistapa korostaa mahdollisia riskejä ja antaa samalla valmistajille mahdollisuuksia päättää, miten suojautuminen näiltä riskeiltä suunnitellaan. Sen vuoksi se keskittyy enemmän tuotteen turvallisuuden arviointiin suunnitteluvaiheessa. HBSE:n periaatteisiin perustuvalla IEC 62368-1:llä on seuraavat ominaisuudet:

• Se painottaa suorituskykyä, mutta sallii myös (toistaiseksi) rakenteet, joiden turvallisuus on aiemmin osoitettu (esim. IEC 60065:n ja/tai IEC 60950-1:n mukaisesti).
• Se on teknologiasta riippumaton (määritettyjen rajojen sisällä) ja mahdollistaa suunnittelijalle enemmän vapautta.
• Se soveltuu laajempaan valikoimaan elektroniikkatuotteita, mutta tukee myös uuden teknologian esittelyä maailman markkinoille.

IEC/UL/CSA 60950‐1 ja IEC/UL/CSA 60065 kumotaan virallisesti 20.12.2020. Tämän jälkeen valmistajien tulee täyttää IEC/UL 62368:n vaatimukset voidakseen tarjota tuotteita markkinoille.

Huomaa, että tärkeän mutta tilapäisen säännöksen mukaisesti yritykset voivat käyttää 60950-1:n ja 60065:n mukaisia osia standardin 62368-1 mukaisesti sertifioiduissa tuotteissa, mikä käytännössä mahdollistaa aiemman varaston hyödyntämisen tietyissä olosuhteissa ja tietyillä alueilla. Alakohdassa 4.1.1 todetaan tarkemmin sanottuna seuraavaa: ”IEC 60950-1:n tai IEC 60065:n mukaiset komponentit ja alikokoonpanot hyväksytään tämän standardin soveltamisalaan kuuluvan laitteiston osana ilman muuta arviointia kuin, että komponentin tai alikokoonpanon oikeaa käyttöä lopputuotteessa arvioidaan.” Esimerkiksi luetellulle virtalähteelle tämä ”arviointi” voi tarkoittaa vain sen varmistamista, että tuotetta käytetään ainoastaan sen sähköisten luokitusten mukaisesti.

Mitä HBSE tarkoittaa

HBSE vaatii tuotteiden valmistajia osoittamaan, että tunnetut vaarat on huomioitu ja että tuote on suunniteltu turvalliseksi käyttää odotetuissa olosuhteissa. Toisin sanoen sen sijaan, että standardissa annettaisiin vaatimuksia kuten ”Käyttäjää on suojeltava tältä tietyltä tilanteelta, kuten mahdollisesti paljaalta korkeajännitepisteeltä”, siinä todetaankin: ”Erilaiset vaarat on arvioitava ja ne on käsiteltävä asianmukaisesti kunkin vaaran tyypin ja tason perusteella.”

Se siirtää täten painotusta pois siitä, että valmistajien tulisi vain osoittaa ennalta määritettyjen teknisten tietojen täyttyminen. Huomaa, että se ei vaadi riskianalyysiä, vaikka muissa standardeissa tämä vaatimus yhä onkin. Yksi niistä on terveydenhuollon sähkölaitteita koskeva standardi IEC 60601-1 – Medical electrical equipment - Part 1-2: General requirements for basic safety and essential performance - Collateral Standard: Electromagnetic disturbances - Requirements and tests.

HBSE:n tavoitteeksi on asetettu laitteiden käyttäjien suojeleminen edellyttämällä, että valmistajat tunnistavat mahdollisesti vaaralliset energian lähteet sekä mekanismit, joilla energia voi siirtyä käyttäjään. Tämän jälkeen valmistajien on esitettävä ja toteutettava keinot, joilla tällaiset siirtymiset estetään sekä normaalin toiminnan aikana että vikatilanteissa. Suojauskeinojen avulla pyritään ehkäisemään kipua tai loukkaantumista, joka aiheutuu suoraan sähköenergiasta (sähköiskusta), palovammoja ja/tai sähkön aiheuttamia tulipaloja, joista voi seurata kipua, loukkaantumisia, kuolema tai omaisuusvahinkoja. Lopuksi HBSE myös arvioi suojauskeinojen tehokkuutta.

HBSE-malli koostuu kolmesta lohkosta: energianlähde, siirtomekanismi ja kehon osa (kuva 2). ”Ratkaisu” energianlähteen aiheuttamaan vaaraan ilmaistaan samanlaisena kolmen lohkon mallina, jossa energian siirtomekanismin tilalla on suojauskeino.

Kuva 2: IEC 62368-1:n strategia on tunnistaa vaaralliset energianlähteet ja niiden mahdolliset reitit käyttäjään ja suojata sitten kyseistä energian reittiä tai virtausta. (Kuvan lähde: InComplianceMag.com)

IEC 62368-1 myös vaatii, että valmistaja arvioi tarvittavat suojaustasot suhteessa eri tyyppisiin käyttäjiin ja energianlähteisiin, joille molemmille on kolme luokkaa. Käyttäjille nämä luokat ovat ”ammattitaitoinen henkilö”, ”opastuksen saanut henkilö” ja ”maallikko”. Energianlähteet on luokiteltu taulukossa, jonka yksinkertaistettu versio on kuvassa 3.

Kuva 3: IEC 62368-1:ssä tunnistetaan energianlähteille kolme vaaraluokitusta ja määritetään, missä määrin suojauskeinoja tarvitaan niistä kullekin. (Kuvan lähde: CUI)

Käyttäjän tason ja energianlähteen kaksi luokitusta yhdistetään matriisiksi (kuva 4).

Kuva 4: Standardissa IEC 62368-1 määritetään kullekin energianlähteelle tarvittavan suojauksen taso ja tyyppi yhdistämällä energianlähteen riski käyttäjän taitotasoon ja ammattitaitoon. (Kuvan lähde: SGS SA)

Käyttäjien riski pienenee siirryttäessä riveillä alaspäin maallikosta kohti ammattitaitoista henkilöä, kun taas energianlähteistä tulee vaarallisempia energian luokan kasvaessa vasemmalta oikealle. Näin ollen standardin perusteella maallikko, joka käyttää luokan 3 tuotetta (energianlähde 3, ES3), tarvitsee lisäsuojausta tai vahvistettua suojausta, kuten kaksoiseristyksen tai erityisen suojuksen, kun taas ES3-tuotetta käyttävä ammattitaitoinen henkilö ei tarvitse samaa suojaustasoa.

IEC 62368-1 käyttää nelivaiheista prosessia:

• Ensimmäiseksi tunnistetaan energianlähteet.
• Toiseksi ne luokitellaan luokkaan 1, 2 tai 3.
• Kolmanneksi tunnistetaan oikeat suojakeinot.
• Lopuksi mitataan valittujen suojakeinojen tehokkuus.

Suojakeinot on jaettu kahteen luokkaan eli lähestymistapoihin ja tasoihin. Lähestymistavoilla viitataan menetelmiin, joihin suojaus perustuu, kun taas tasot kuvaavat suojauksen vahvuutta (kuva 5).

Kuva 5: IEC 62368-1 määrittää tarvittavan suojauksen tason ja analysoi sen jälkeen toteutuksen lähestymistavat. (Kuvan lähde: SGS SA)

Aloita energiasta

Jännitteen ja sähkövirran ohella energiatasot ovat olennaisia standardin noudattamisen kannalta. Jos energiataso on alhainen (ES1), huolenaiheita on vähän tai ei lainkaan. Huomaa, että ES1:tä, ES2:ta ja ES3:a vastaavat virta- ja jänniterajat vaihtelevat ja myös taajuus saattaa vaikuttaa niihin. Esimerkiksi alle 1 kilohertsin (kHz) taajuudessa ES1:n raja on 30 volttia RMS, 42,4 volttia huippu ja 60 volttia DC, kun taas ES2:n raja on 50 volttia RMS, 70,7 volttia huippu ja 120 volttia DC.

Tilannetta monimutkaistaa se, että laitteen pitää noudattaa joko sovellettavan energialuokan jännite- tai sen virtarajaa, mutta molempia ei tarvitse noudattaa. Lisäksi standardeissa määritetyt rajat vaihtelevat sen mukaan, onko kyseessä normaali vai poikkeava toiminta vai yksittäinen vikatilanne. Standardissa on määritetty jopa erillisiä alakohtia, joissa määritetään pulssiaaltomuotojen ja niiden sammutusaikojen rajat (kuvat 6 ja 7).

Kuva 6: Koska sähköpalojen syttymiseen vaikuttavat sekä teho että aika, IEC 62368-1 -standardi tarkastelee näiden kahden keskeisen parametrin suhdetta. (Kuvan lähde: CUI)

Kuva 7: Standardi luokittelee myös energiatasot, jotka voivat aiheuttaa sähköpalon. (Kuvan lähde: CUI)

Miten suunnittelijan tulisi toimia?

Suunnittelijat, jotka arvelevat ymmärtävänsä uuden standardin ja voivansa näin helposti noudattaa sitä, voidaan jakaa kahteen ryhmään:

1. Suunnittelijat, jotka ovat käyneet standardeihin liittyvillä kursseilla, saaneet koulutusta, työskennelleet nykyisten IEC-standardien parissa ja käyneet itse hyväksyntäprosessin läpi.
2. Suunnittelijat, jotka ovat naiiveja ja/tai uhkarohkeita. Tämä johtuu siitä, että standardiin sisältyy monimutkaisia ja toisinaan myös ristiriitaisia vaatimuksia. Myös suojausvaihtoehtojen tunnistaminen edellyttää kykyä tehdä oikeat valinnat monien vaihtoehtojen joukosta. Oikean suojauskeinon määrittäminen kuhunkin kohteeseen ja tarkoitukseen ei ole itsestään selvää tai yksinkertaista.

Harkittaviin suojausmahdollisuuksiin sisältyvät muun muassa suojamaadoitus (maadoitus todelliseen maatasoon), sähköinen kotelointi, palonkestävä kotelointi sekä eristys. Käytettävissä on myös asennettavia suojauskeinoja, kuten liitäntä ulkoiseen maadoitukseen, sekä ohjeisiin liittyviä suojakeinoja, kuten turvamerkinnät. Lopuksi on huomioitava myös varotoimena käytettävät suojauskeinot tilanteissa, joissa ammattitaitoiset henkilöt opastavat maallikoita, sekä jopa ”taitopohjaiset” suojauskeinot, joissa voidaan luottaa ammattitaitoisen henkilön kykyyn suojata itseään luokkien 2 ja 3 energialähteiden aiheuttamilta vaaroilta.

Keskity ensin virransyöttöön

Suunnittelijan on kysyttävä ensimmäiseksi seuraava kysymys: Mikä on ensisijainen energianlähde, joka aiheuttaa riskin tähän rakenteeseen? Monissa standardin soveltamisalaan kuuluvissa tuotteissa vastaus on ilmiselvä: se on vaihtovirtalähde. Näin ollen standardia noudattavan virtalähteen valitsemalla ja sitä oikein käyttämällä voi poistaa huomattavan osan vaatimusten noudattamiseen liittyvistä ongelmista ja helpottaa suunnittelun haasteita.

Onneksi CUI:n kaltaiset virtalähteiden valmistajat ovat tutkineet ja analysoineet uutta standardia varautuessaan joulukuun 2020 määräaikaan ja tarjoavat jo nyt AC-virtalähdemallistoa, joka ylittää standardin vaatimukset. Tarjolla olevat laitteet vaihtelevat teholtaan suhteellisen pienistä (alle 10 wattia) keskitason malleihin ja jopa wattiluvuiltaan kolminumeroisiin, suurempiin virtalähteisiin. Näiden virtalähteiden valikoimaa ja kykyjä voi kuvata kolmella esimerkillä.

CUI SWI6-9-N-P5 on pistorasiaan kytkettävä 9 voltin, 6 watin AC/DC-sovitin, jonka tuoteperheeseen kuuluu lähtöjännitteeltään 3,3–15 voltin sovittimia (kuva 8). Se toimii 90–264 voltin vaihtovirralla ja täyttää Yhdysvaltojen energiaministeriön (DoE) tason VI hyötysuhdevaatimukset, sillä virrankulutus ilman kuormaa on alle 0,1 wattia. Siinä on ylivirta- ja ylijännitesuojaus sekä oikosulkusuojaus, ja kompakti kotelo painaa vain 78 grammaa (2,75 oz) ja on kooltaan 56 mm × 28 mm × 42 mm (2,2 × 1,1 × 1,65 tuumaa).

Kuva 8: CUI Inc:n SWI6-9-N-P5 on 9 voltin, 6 watin pistorasiaan kytkettävä AC/DC-sovitin, joka on ulkoisesti käytettynä täysin IEC 62368-1 -yhteensopiva. (Kuvan lähde: CUI)

Jos tarvitaan korkeampaa jännitettä tai lähtötehoa, CUI:n SMI18-24-V-P5 on 24 voltin ja 18 watin pistorasiaan kytkettävä sovitin, jossa on useita pistokesovittimia. Sen tuoteperheessä on tarjolla 5–24 voltin laitteita (kuva 9). Laite täyttää DoE:n tason VI ja CoC Tier 2 -hyötysuhdevaatimukset, sillä sen virrankulutus ilman kuormaa on alle 0,075 wattia. Suojaus on samankaltainen kuin 6 watin yksikön laitteessa. Tämän 170 grammaa (6 oz) painavan, kooltaan 75 × 35,8 × 65,6 mm:n (3 × 1,4 × 2,6 tuuman) yleisvirtalähteen ainutlaatuinen ominaisuus ovat vaihdettavat vaihtovirtapistokkeet, joiden ansiosta se toimii kaikkialla maailmassa (Pohjois-Amerikassa, Euroopassa, Isossa-Britanniassa, Australiassa ja Kiinassa).

Kuva 9: SMI18-24-V-P5 on IEC 62368-1 -yhteensopiva 24 voltin, 18 watin pistorasiaan kytkettävä sovitin, jonka mukana toimitettavien pistokesovittimien ansiosta sitä voidaan käyttää kaikkialla maailmassa. (Kuvan lähde: CUI)

Monissa sovelluksissa tarvitaan vieläkin korkeampia tehotasoja, joita tarjoaa esimerkiksi CUI:n SDI120-12-U-P51-AC/DC-pöytäsovitin. Se tarjoaa 12 volttia ja 120 wattia, ja mallistosta löytyy saman tehoisia 12–48 voltin laitteita (kuva 10). IEC 62368-1 -yhteensopiva virtalähde täyttää DoE tason VI hyötysuhdevaatimukset (kulutus ilman kuormaa 230 voltin vaihtovirralla on 0,21 wattia), ja sen tehokerroin on yli 0,9. Tämän 580 gramman (20,4 oz) painoisen virtalähteen mitat ovat 168,1 × 65,9 × 39 mm (6,6 × 2,6 × 1,5 tuumaa), ja se toimitetaan ilman verkkovirtajohtoa, mutta voidaan tilata myös johdolla, joka vastaa paikallisia verkkovirtapistorasioita.

Kuva 10: Enemmän tehoa vaativiin tilanteisiin, joissa pistorasiaan liitettävää sovitinta ei voida tai haluta käyttää, tarjolla on ulkoinen SDI120-12-U-P51-AC/DC-pöytäsovitin: oikea AC-virtajohto valitaan erikseen. (Kuvan lähde: CUI)

Yhteenveto

Kuluttajatuotteita ja vastaavia tuotteita koskeva standardi IEC/UL IEC-62368-1 tulee voimaan tiettynä päivänä joulukuussa 2020. Se on monimutkainen standardi, joka soveltaa vaarojen tunnistamiseen perustuvaa lähestymistapaa potentiaalisten turvallisuusongelmien arviointiin ja niiltä suojautumiseen. Se eroaa tässä suhteessa merkittävästi aiemmista standardeista. Suunnittelutiimi voi helpottaa työtään ja minimoida tuotteen hyväksyntään liittyviä riskejä valitsemalla heti aluksi AC/DC-virtalähteen, joka ylittää standardin vaatimukset.

CUI:n viitteet

1. ”IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment”
2. ”The Latest on IEC 62368-1: More Time to Comply, But a Harder Deadline”