如何設計符合 AV/ICT 新標準 IEC 62368-1 的防護電路

影音 (AV) 以及資通訊技術 (UCT) 之間的界線隨著時間演進而逐漸模糊，智慧型電視等家用多媒體產品就是一個例證。除此之外，工程師也在設計電氣產品的防護措施時，逐漸採用防止潛在危險的安全工程 (HBSE) 作法。這些趨勢會影響原本設計用來保護安裝、維護與使用這類設備之人員的標準，導致這些標準遭到淘汰，連帶影響絕大多數用來確保 AV 及 ICT 產品合規的工程硬體。

在預期此最終結果下，IEC 擬定一套獨立的新標準 IEC 62368-1 (資訊與通訊技術設備 - 第一篇：安全要求)。此新標準取代兩套舊標準 (IEC 60950-1 和 IEC 60065)，用單一標準涵蓋 ICT 與 AV 設備，以及相關產品，例如工作電壓最高達 600 V 的物聯網 (IoT) 裝置及電池供電式電器。此標準在 2020 年 12 月開始實施，並採用 HBSE 做法。

本文將介紹 IEC 62368-1，並說明即便此新標準看起來可能比之前分開的標準更複雜，但其實是簡化相關事項，並達到更高的安全與設計靈活性。本文也會介紹並說明如何使用 Littelfuse 的市售電氣防護產品，以便更輕鬆設計產品與子系統，以符合 IEC 62368-1 針對各類別所制訂的過壓與突波要求。

何謂 IEC 62368-1？

IEC 62368-1 的採用會取代舊有標準，用單一標準來規範電路防護，以便針對額定電壓不超過 600 V 的電氣與電子 ICT、AV 與 IoT 設備確保其安全性 (圖 1)。此標準的用意是針對安裝、維護與使用這類設備的人員提供防護，此外也納入工程師目前在安全工程領域所採納的 HBSE 作法。HBSE 會取代之前的規範性工程作法 (針對防護電路制訂一套需遵守的規定)，然後採用一套將產品可能會暴露到的危險納入考量的新作法。如此一來，即便產品遭受其中一個已識別的危險而故障時，安全電路也可繼續保護使用者。

圖 1：IEC 62368-1 會取代舊版 IEIEC 60950-1 和 IEC 60065 安全標準，用單一標準涵蓋 ICT、AV 與其他產品，例如物聯網與電池供電式電子裝置。(圖片來源： Littelfuse)

IEC 62368-1 不僅適用於使用者產品，也適用於構成產品的元件與子系統 (例如電源供應器)。新版標準目前暫時允許符合舊版標準的設計與子組件可再次使用，且目前尚未決定期限。預計工程人員將在主要市場採用新標準，例如北美、英國、日本與紐澳。

針對人員的電路防護

要符合 IEC 62383-1，工程師就要採用 HBSE 作法。這表示：

• 辨別產品所用的能量來源 (ES)
• 測量這些能量來源產生的能量位準
• 判定這些能量來源的能量是否有危險
• 依據危險程度分類
• 辨別危險是否會導致受傷或失火
• 判定適合的安全防護機制，以便達到下列：
  • 保護人員以免在遭遇已分類危險時引發疼痛或受傷
  • 在設備內部故障而起火時，降低受傷或財物受損的機率
• 測量防護措施的有效性

新標準有詳細說明三大類能量來源。第一級能量來源 (ES1) 在正常操作、異常情況或出現單一故障時，皆可維持在第一類的限制下。散發的能量可由人員偵測到，但不會引發疼痛，也不足以起火。無需防護措施即可保護 ES1 的一般使用者。

第二級能量來源 (ES2) 的能量位準超過第一類的限制，但在產品正常、異常操作或單一故障情況下，仍可維持在第二類限制下。散發的能量可能足以引發疼痛，但不太可能會導致受傷。散發的能量在某些情況下，足以導致起火。至少需要一項防護措施來保護 ES2 的一般使用者。

第三級能量來源 (ES3) 最為危險。在正常、異常操作或單一故障情況下的能量皆超過第二級的最大限制，且會導致受傷或起火，並且導致火勢擴散。ES3 所引起的傷害類型可能擴及心房顫動、心搏／呼吸停止、皮膚和／或內臟灼傷。需要雙重或增強的防護措施來保護 ES3 一般使用者。

新標準還特別針對不同類別，規定過壓耐受門檻以及突波防護要求，涵蓋不同的產品類型及其所用之處。

重要的是，設計人員要瞭解 ES1、ES2 和 ES3 適用的實際電流與電壓限制有所差異。舉例而言，電壓限制要求會受到電源供應器工作頻率的影響。若是電源供應器工作頻率低於 1 kHz 的電壓，ES1 的限制為 30 V_rms、42.4 V_peak、60 VDC。ES2 的限制為 50 V_rms、70.7 V_peak、120 VDC。

設備必須符合適用之能源等級所指定的電壓限制或電流限制，但不必同時符合兩者。此限制亦會隨著正常或異常操作，或單一故障情況而所有不同。這些限制的詳細說明請參見標準的第 5 條規定。還有一些細則，涵蓋諸多事項，例如根據非導通時間的脈衝波形限制等。

針對設備的電路防護

保護人員是任何設備製造商的首要考量，但保護最終產品以免在電壓與電流尖波時受損也是主要考量之一。IEC 62368-1 以兩個舊版標準為基礎，針對設備規定了最低耐受額定值，以確保具有暫態過壓與過電流的耐受能力。

此標準針對家用端電表設備制訂三大過壓類別 (I、II、III)。配電端電表設備則制訂過壓類別 IV。

明確來說，類別 I 適用於未連接主電源的設備 (如電池供電的可攜式裝置)，類別 II 則用於連接大樓接線的可插拔 ICT 與 AV 設備。類別 III 適用於構成一部份大樓基礎架構的系統，例如配電板、斷路器、接線、接線盒、開關、插槽插座，以及產業設備。

類別 II 一般涵蓋以 120 或 230 VAC 主電源操作的設備設計，或以 100 至 250 VAC 等電源範圍進行操作設計。此標準規定，這類設備在 120 VAC 電源下的最小暫態峰值電壓耐受位準為 1.5 kV，在 230 VAC 電源下則為 2.5 kV (圖 2)。

圖 2：IEC 62368-1 依據最終產品的應用之處制訂不同的過壓類別。類別 I、II、III 適用於家用端的電表，類別 IV 則用於配電端的產品。(圖片來源：Littelfuse)

符合 IEC 62368-1 突波防護要求的電路設計

設計符合標準要求，以在暫態過壓與過電流事件下提供防護的電路其實不會太困難。關鍵在於引導暫態尖波遠離敏感設備，方法就是提供替代傳導路徑。有兩個建議的方法，視電源供應器使用差動模式，或是差模與共模機制而定 (圖 3A 與圖 B)。

圖 3：IEC 62368-1 類別 II 的暫態電壓與電流防護包括差動模式機制 (圖 A 頂端)，或差模與共模機制 (圖 B 底部)。(圖片來源：Littelfuse)

在差動模式機制 (3A) 中，可用保險絲 (I) 來防範過電流事件，並搭配熱防護金氧變阻器 (TMOV) (II) 來達到防護。TMOV 包含兩個元件，在異常過壓導致過熱時會開啟的熱啟動裝置，以及 MOV。在正常操作下，MOV 有超高電阻，能讓正常工作電壓流通電路。在更高電壓下，如暫態尖波時，MOV 會呈現低電阻，因此會讓電流短路，以免流到最終產品。

差模與共模機制也會在火線與中性線上使用保險絲與 TMOV，但額外添加兩個 MOV 合一個氣體放電管 (GDT)。如圖 3B 所示，火線與接地線，以及中性線與接地線上皆有添加 MOV，也有跟 GDT 串聯。在正常操作下，GDT 具有高絕緣電阻，以及低電容值和漏電流。但在暴露到高壓暫態時，封閉的氣體會轉變成電漿，然後將電壓從最終產品耗散。

雖然建議採用 TMOV 選項 (因為具有熱防護、低允通能量與箝位電壓)，但只要符合標準，也可考慮其他型式的差模防護。範例包括 MOV、防護閘流管加上 MOV (特別適合數據機等產品)，或 TVS 二極體。針對共模防護，MOV 搭配 GDT 防護是唯一許可的解決方案。

對工程師來說，較為棘手的其實是元件挑選過程。裝置必須符合 IEC 62368-1 制訂的防護條件，以便最終產品符合標準。

保險絲 (I) 可避免敏感電路在過電流事件中受損 (並協助最終產品通過故障測試)。考慮保險絲時，設計人員需要考量下列條件：

• 避免擾人的跳路
  • 舉例而言，不可在正常操作時開路，或在突波脈衝測試時開路。
• 額定電壓高於系統的正常工作電壓
• 安全中斷最大故障電流
• 適合可用空間大小
• 符合必要的第三方認證 (如 IEC 與 UL)

針對 240 VAC 類別 II 的產品，0215008.MRET1SPP 8 A 裝置，或是 0215012.MRET1P 12 A 款式都是不錯的選擇，兩者皆屬 Littelfuse 的 215 系列產品。215 系列是 20 x 5 mm 時滯、突波耐受、陶瓷主體管狀保險絲，不僅符合 IEC 規範，同時還可針對元件或內部電路提供個別防護。

此應用的保險絲有個關鍵的要求，就是其中斷額定值必須符合甚至超過電路的最大故障電流。否則裝置將無法正常運作，也有可能在保險絲開路時，讓有害電流持續流入電路中。215 系列保險絲在 250 VAC 時具有 1.5 kV 的高中斷額定值。

挑選 TMOV (II) 時 (如圖 3A 與圖 B 的電路所示)，設計人員應考量以下準則：

• TMOV 必須符合變阻器元件標準，如 IEC 61051-1 或 IEC 61643-331。
• 最大連續工作電壓 (MCOV) 為 ≥ 1.25 x 設備額定電壓
  • 舉例來說，若是 240 VAC 電源供應器，元件的 MCOV 至少要有 300 V
• TMOV 應可耐受多次電擊 (如 IEC 61051-2 第 2.3.6 條規定或 IEC 61643-331 第 8.1.1 條規定)
  • 舉例而言，若是 240 VAC 電源供應器，TMOV 應可耐受 2.5 kV/1.25 kA 組合波、1.2/50 μs 電壓與 8/20 μs 電流的 10 次脈衝。
• 此元件必須通過標準的變阻器過載測試。
  • 舉例而言，若是 240 VAC 電源供應器，測試應施加 2 x 額定電壓 (480 V)，搭配一個 3.84 kΩ 串聯電阻 (R) (在後續測試中，R 值需減半直到電流開路) (圖 4)。

圖 4：過載測試線路圖。防護元件應受到 2 x 額定電壓的過載，測試需在 R1 值逐次減半下重複進行，直到電路開路為止。(圖片來源：Littelfuse)

Littelfuse 的 TMOV14RP300EL2T7 裝置是此應用的良好選擇。此裝置的 MCOV 為 300 V (符合 240 VAC 電源的元件標準要求)，直徑為 14 mm，此主體尺寸足以符合多次電擊要求。此外，因為 TMOV14RP300EL2T7 具有熱防護，其 300 V 的 MCOV 足以通過變阻器過載測試。為了額外提升安全性，無熱防護的 MOV 應具有 420 V 以上的 MCOV。TMOV 可耐受的單次事件峰值突波電流 (<20 µs) 高達 6 kA。圖 5 指出持續突波的耐受能力與突波持續時間。

圖 5：Littelfuse 的 14 mm MOV 持續突波耐受能力示意圖。此裝置可耐受的單次事件峰值突波電流 (<20 µs) 高達 6 kA。(圖片來源：Littelfuse)

針對共模防護所用的 MOV 與 GDT，IEC 61051-1 或 IEC 61643-331 元件標準亦有相關規定。遵守此標準，即可讓合規元件打造的子組件進而符合 IEC 62368-1。在此情況下，MOV 必須符合相同的 MCOV 及突波要求，如同上述的 TMOV，但因為這兩個裝置會搭配 GDT 使用，過載測試會在合併的防護電路上進行，而非單獨的 MOV。

Littelfuse 的 V10E300P MOV 符合條件。此元件的 MCOV 為 300 V，直徑為 10 mm，因此足以符合標準規定的多次電擊要求。可耐受的峰值突波電流高達 3.5 kA。為了符合標準要求，GDT 必須通過 2.5 kV 耐受電壓的電子強度測試，並且符合間隔與沿面距離的規定。

Littelfuse 的 CG33.0LTR GDT 是此應用的良好選擇之一。此雙電極、高電壓裝置針對突波防護與高隔離能力應用而設計。此 GDT 在 100 V 時具有10 GΩ 的絕緣電阻，電容量 <1.5 pf。崩潰電壓為 4.6 kV，可耐受的最大突波電流為 10 kA。

兩個 V10E300P MOV 搭配一個 CG33.0LTR GDT 即可通過上述 TMOV 防護電路說明中的過載測試。

結論

IEC 62368-1 針對以最高達 600 V 電源工作的產品制訂單一套電路防護標準，在之前則分別針對 ICT 與 AV 設備制訂不同標準。此外也針對未涵蓋在舊版標準內的產品規定相關電路防護，例如 IoT 與電池供電式裝置。雖然熟悉舊版標準的工程師需要更改其設計作法，但 IEEE 62368-1 其實簡化了電路防護工程，並可促成更高階的安全與設計靈活性。除此之外，防護元件製造商，例如 Littelfuse 等也都有提供對應的裝置與建議，能更輕鬆設計符合新標準的電路。