Projektowanie obwodów ochronnych zgodnie z nową normą IEC 62368-1 dla urządzeń AV/ICT

Projekt obwodu spełniający wymagania normy IEC 62368-1 w zakresie ochrony przeciwprzepięciowej

Projektowanie obwodów, które spełniają wymagania normy w zakresie ochrony przed stanami nieustalonymi nadnapięć i przetężeń, nie jest zbyt trudne. Kluczem jest skierowanie wartości szczytowych stanów nieustalonych z dala od wrażliwych urządzeń przez zapewnienie alternatywnej ścieżki przewodzenia. Istnieją dwie zalecane techniki w zależności od tego, czy zasilacz wykorzystuje tryb różnicowy, czy tryb różnicowy i tryb wspólny (ilustracja 3A i B).

Ilustracja 3: Ochrona przed stanami nieustalonymi napięcia i prądu dla w kategorii II według normy IEC 62368-1 obejmuje tryb różnicowy (A, góra) lub tryb różnicowy i wspólny (B, dół). (Źródło ilustracji: © Littelfuse).

W trybie różnicowym (3A) ochrona jest realizowana przez bezpiecznik topikowy (I) chroniący przed przetężeniami, wraz z chronionym termicznie warystorem metalowo-tlenkowym (TMOV) (II). Warystor TMOV składa się z dwóch elementów: aktywowanego termicznie urządzenia, które otwiera się w przypadku przegrzania spowodowanego nieprawidłowym nadnapięciem oraz z tlenkowego ochronnika przepięciowego (MOV). W normalnych warunkach pracy ochronnik MOV ma bardzo wysoką rezystancję, co umożliwia przepływ normalnych napięć roboczych przez obwód. Przy wyższych napięciach, takich jak stany nieustalone wartości szczytowych, ochronnik MOV wykazuje niską rezystancję, uniemożliwiając przepływ prądu do produktu końcowego.

Rozwiązanie łączące tryb różnicowy i wspólny również wykorzystuje bezpiecznik topikowy i warystor TMOV na przewodzie fazowym i przewodzie neutralnym, jednak wprowadza dwa dodatkowe tlenkowe ochronniki przepięciowe (MOV) oraz iskiernik gazowy (GDT). Jak pokazano na ilustracji 3B, tlenkowe ochronniki przepięciowe (MOV) są dodawane do przewodu fazowego i uziemienia oraz przewodu neutralnego i uziemienia, szeregowo z iskiernikiem gazowym (GDT). W normalnych warunkach pracy iskierniki gazowe (GDT) charakteryzują się wysoką rezystancją izolacji oraz niską pojemnością i upływnością. Jednak w przypadku wystąpienia stanów nieustalonych wysokiego napięcia, zamknięty gaz zamienia się w plazmę i rozprasza napięcie z dala od produktu końcowego.

Chociaż zalecana jest opcja chronionego termicznie warystora metalowo-tlenkowego (TMOV) (ze względu na ochronę termiczną oraz niskie napięcie przepuszczania i napięcie progowe), można rozważyć inne formy zabezpieczenia trybu różnicowego, zachowując zgodność z normą. Przykłady obejmują tlenkowy ochronnik przepięciowy (MOV), tyrystor ochronny plus ochronnik MOV (szczególnie w przypadku produktów takich jak modemy) lub diodę TVS. W przypadku ochrony w trybie wspólnym, tlenkowe ochronniki przepięciowe (MOV) plus iskierniki gazowe (GDT) są jedynym dopuszczalnym rozwiązaniem.

Jednak dobór komponentów przez inżyniera może być bardziej problematyczny. Urządzenia muszą spełniać kryteria ochrony zdefiniowane w normie IEC 62368-1, aby produkt końcowy był zgodny z tą normą.

Bezpiecznik topikowy (I) służy do zapobiegania uszkodzeniu wrażliwych obwodów podczas zdarzeń związanych z przetężeniem (i aby pomóc produktowi końcowemu przejść próby zwarciowe). Rozważając bezpiecznik topikowy, projektant musi wziąć pod uwagę komponent, który:

• nie aktywuje się bez przyczyny,
• na przykład nie może otwierać obwodu podczas normalnego działania ani podczas prób impulsów udarowych,
• ma napięcie znamionowe wyższe niż normalne napięcie robocze systemu,
• bezpiecznie przerywa maksymalny prąd zwarciowy
• mieści się w dostępnej przestrzeni
• Spełnia wymagania certyfikacyjne niezależnych jednostek (np. IEC i UL)

Dobre opcje dla produktu kategorii II o napięciu 240V~ to 0215008.MRET1SPP, urządzenie o natężeniu 8A lub 0215012.MRET1P, model o natężeniu 12A, należące do serii 215 firmy Littelfuse. Seria 215 to ceramiczne, zwłoczne bezpieczniki kasetowe o wymiarach 20 na 5mm, odporne na udary, zaprojektowane zgodnie ze specyfikacją IEC, zapewniające indywidualną ochronę komponentów lub obwodów wewnętrznych.

Kluczowym wymogiem dla bezpiecznika w tym zastosowaniu jest to, że jego zdolność przerywania musi być równa lub wyższa od maksymalnego prądu zakłóceniowego w obwodzie. W przeciwnym razie urządzenie nie będzie działać prawidłowo i istnieje ryzyko, że szkodliwy prąd będzie nadal płynął w obwodzie, gdy bezpiecznik topikowy powinien był go przerwać. Bezpieczniki serii 215 mają wysoką zdolność przerywania, wynoszącą 1,5kV przy 250V~.

Przy doborze chronionego termicznie warystora metalowo-tlenkowego (TMOV) (II) (ukazanego w obwodach przedstawionych na ilustracjach 3A i B) projektant powinien wziąć pod uwagę następujące wskazówki:

• warystor TMOV powinien być zgodny z normą dotyczącą warystorów, taką jak IEC 61051-1 lub IEC 61643-331
• maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) wynosi ≥ 1,25 x napięcie znamionowe urządzenia
• Na przykład w przypadku zasilania prądem zmiennym o napięciu 240V~ maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) komponentu musi wynosić co najmniej 300V
• Warystor TMOV powinien być odporny na wielokrotne udary (zgodnie z definicją podaną w punkcie 2.3.6 normy IEC 61051-2 lub punkcie 8.1.1 normy IEC 61643-331)
• Na przykład w przypadku zasilania prądem zmiennym o napięciu 240V, warystor TMOV powinien wytrzymać 10 impulsów fali kombinowanej 2,5kV/1,25kA, trwającej 1,2/50μs dla napięcia oraz 8/20μs dla prądu
• Komponent musi przechodzić standardową próbę przeciążenia warystora
• Na przykład dla zasilania prądem zmiennym 240V podczas badania należy zastosować 2 x napięcie znamionowe (480V) z rezystorem szeregowym (R) o wartości 3,84kΩ (podczas kolejnych prób wartość R zmniejsza się o połowę, aż do otwarcia obwodu) (ilustracja 4)).

Ilustracja 4: Schemat próby przeciążeniowej. Komponent ochronny należy poddać przeciążeniu napięciem 2 x większym od napięcia znamionowego, a próbę powtarzać ze zmniejszanymi o połowę wartościami R1, aż do otwarcia obwodu. (Źródło ilustracji: © Littelfuse)

Układ TMOV14RP300EL2T7 firmy Littelfuse jest dobrym kandydatem do tego zastosowania. Urządzenie to charakteryzuje się maksymalnym ciągłym napięciem roboczym (MCOV) wynoszącym 300V (spełnia wymagania normy dla komponentów 240V~), średnicą 14mm, co stanowi wystarczający rozmiar korpusu, aby spełnić wymagania dotyczące wielokrotnego udaru. Ponadto urządzenie TMOV14RP300EL2T7 posiada zabezpieczenie termiczne, dlatego maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) 300V jest wystarczające do przejścia próby przeciążeniowej warystora. Aby zapewnić dodatkowy czynnik bezpieczeństwa, niechroniony termicznie tlenkowy ochronnik przepięciowy (MOV) powinien mieć maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) na poziomie 420V lub wyższym. Chroniony termicznie warystor metalowo-tlenkowy (TMOV) może wytrzymać szczytowy prąd udarowy pojedynczego zdarzenia (<20µs) o wartości do 6kA. Ilustracja 5 przedstawia wytrzymałość udarową dla powtarzających się udarów i czasu trwania udaru.

Ilustracja 5: Wytrzymałość dostarczanego przez firmę Littelfuse 14mm tlenkowego ochronnika przepięciowego (MOV) na powtarzające się udary. Urządzenie może wytrzymać szczytowy prąd udarowy pojedynczego zdarzenia (<20µs) o wartości do 6kA. (Źródło ilustracji: © Littelfuse)

Wymagania dla tlenkowych ochronników przepięciowych (MOV) i iskierników gazowych (GDT) stosowanych do ochrony w trybie wspólnym są również podyktowane przez normę IEC 61051-1 lub IEC 61643-331 dla tych komponentów. Zgodność z ww. normą pozwala podzespołom zbudowanym z komponentów zgodnych z normami zachować zgodność z normą IEC 62368-1. W tym przypadku ochronnik MOV musi spełniać te same wymagania dotyczące maksymalnego ciągłego napięcia roboczego (MCOV) i udarów, które zostały opisane powyżej dla warystora TMOV. Ponieważ jednak te dwa urządzenia są stosowane w połączeniu z iskiernikiem gazowym (GDT), próby przeciążeniowe są przeprowadzane na połączonym obwodzie ochronnym, a nie na samym ochronniku MOV.

Tlenkowy ochronnik przepięciowy (MOV) V10E300P firmy Littelfuse spełnia te wymagania. Komponent ten posiada maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) 300V i średnicę 10mm, co czyni go wystarczająco wytrzymałym, aby spełnić wymagania normy dotyczące wielokrotnego udaru. Może on wytrzymać szczytowy prąd udarowy pojedynczego zdarzenia o wartości do 3,5kA. Aby spełnić wymagania normy, iskiernik gazowy (GDT) musi przejść próbę wytrzymałości elektrycznej na napięcie 2,5kV, a także spełniać wymagania dotyczące odstępu izolacyjnego i drogi upływu.

Iskiernik gazowy (GDT) CG33.0LTR firmy Littelfuse jest jedną z opcji do tego zastosowania. Jest to dwuelektrodowe urządzenie wysokonapięciowe przeznaczone do ochrony przeciwprzepięciowej i zastosowań wymagających wysokiej izolacji. Iskiernik gazowy (GDT) ma rezystancję izolacji 10GΩ przy napięciu 100V oraz pojemność <1,5pF. Jego napięcie przebicia wynosi 4,6kV i wytrzymuje on maksymalny prąd udarowy 10kA.

Połączenie dwóch tlenkowych ochronników przepięciowych (MOV) V10E300P i jednego iskiernika gazowego (GDT) CG33.0LTR jest w stanie sprostać próbie przeciążeniowej wskazanej przy powyższym opisie obwodu ochronnego z chronionym termicznie warystorem metalowo-tlenkowym (TMOV).

Podsumowanie

Norma IEC 62368-1 wprowadza jeden standard ochrony obwodów w produktach zasilanych napięciem do 600V, gdzie wcześniej obowiązywały oddzielne normy dla urządzeń informacyjnych i komunikacyjnych (ICT) oraz audiowizualnych (AV). Formalizuje ona również ochronę obwodów dla produktów nieobjętych starymi normami, takich jak urządzenia Internetu rzeczy (IoT) i urządzenia z zasilaniem bateryjnym. Chociaż inżynierowie zaznajomieni ze starymi normami będą musieli zmienić swoje podejście do projektowania, norma IEEE 62368-1 upraszcza aspekty techniczne ochrony obwodów i umożliwia osiągnięcie wyższego poziomu bezpieczeństwa i elastyczności projektowania. Ponadto producenci komponentów ochronnych, tacy jak Littelfuse, oferują urządzenia i porady, które ułatwiają projektowanie obwodów zgodnych z nową normą.

Źródło ©: www.digikey.pl

Kontakt w Polsce

Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl