如何滿足 IEC 60335 家電和 IoT 裝置電源供應器要求

由於家中智慧電器與物聯網 (IoT) 連線裝置的使用不斷增加，業界發佈了新的 IEC 60335 安全標準，這在電源供應器方面給設計人員帶來全新的挑戰。最近發佈的標準對 AC-DC 電源供應器的隔離電壓、沿面距離和間隙距離及漏電流，都有嚴格的要求。設計出可滿足眾多要求，且符合成本效益的小型 AC-DC 電源供應器相當不易，而且完成所需測試和核准流程會增加成本並拖緩上市時間。

除了設計上的挑戰，許多家用電器都是在潮濕或有水的環境中使用。AC-DC 電源供應器電路包括內部高壓電軌，因此很難設計出適合在潮溼環境中使用的封裝。

為了解決這些挑戰，同時還能滿足緊迫的期限和預算，設計人員可以使用已通過 IEC/EN/UL 62368-1 認證，且設計符合 IEC/EN/UL 61558/60335 家庭應用要求的密封式 AC-DC 電源供應器。

本文將檢視 IEC 60335-1 的基本要求，介紹 IEC 60335 所要求的多重同時故障測試概念，並簡要說明 IEC 60335 的第 2 部分。然後介紹 CUI 的幾款 AC-DC 電源供應器，設計人員可以使用這些產品更快地設計出符合 IEC 60335 的智慧電器、IoT 連線裝置，以及商務資訊技術設備 (ITE)。

IEC 60335 的基本要求是什麼？

IEC 60335 涵蓋單相額定電壓不超過 250 V、多相額定電壓不超過 480 V 的「家用和類似電器的安全性」。IEC 60335-1 包括對所有家用電器的基本要求。設計人員目前面臨的挑戰之一是，瞭解 IEC 60335-1 與先前制訂的 IEC 60950-1 ITE 安全標準有何區別。在最大漏電流等級、隔離電壓以及沿面距離和間隙距離方面，這兩種標準有差異和相似之處。

在正常運作時，如果有接地連接，漏電流會流入機殼或保護性接地導體。如果接地連接因任何原因而斷開，漏電流可能會流經設備操作人員的身體，進而造成潛在危險。IEC 60335-1 將設備分為兩類：可攜式設備和固定式設備。IEC 60950-1 則將設備分為三類：手持式設備、移動式設備和固定式設備。IEC 60335 中的可攜式設備漏電流限制為 0.75 mA，與 IEC 60950-1 中的手持式設備相同。IEC 60950-1 中的移動式和固定式設備漏電流限制為 3.5 mA，與 IEC 60335-1 中針對固定式設備規定的漏電流等級相同。

隔離電壓要求在兩個標準中也有不同的定義。所需的隔離等級取決於電路內的位置，亦即輸入到輸出、輸出到接地，或輸入到接地。IEC 60950-1 僅包括固定數值，例如輸入到輸出之間的隔離電壓為 3 kV。IEC 60335-1 中的輸入到輸出隔離要求，則會根據工作電壓改變：規定的隔離電壓為 2.4 kV 加上 2.4 倍的工作電壓。在輸出到接地隔離方面，IEC 60335-1 並未規定相關要求，而 IEC 60950-1 則規定了 500 V 的隔離電壓。

兩種標準對沿面距離和間隙距離的規定也有明顯的差異。雖然兩種標準都根據工作電壓和絕緣類型 (基本型或強化型) 來定義沿面距離和間隙距離，但在比較 IEC 60950-1 和 IEC 60335-1 之後會發現，相關要求可能相同、更嚴格或更寬鬆。

沿面距離的定義是兩個導電零件間沿著表面的最短距離 (圖 1)。當工作電壓介於 250 至 300 V 時，IEC 60335-1 更加嚴格，針對強化絕緣規定的沿面距離為 8.0 mm，而 IEC 60950-1 規定的沿面距離則為 6.4 mm。如果工作電壓在 200 至 250 V 之間，則兩種標準規定的沿面距離都為 5.0 mm。

圖 1：在絕緣表面測量沿面距離。(圖片來源：CUI)

間隙距離是兩個導電零件之間在空氣中的距離 (圖 2)。如果為強化絕緣且工作電壓在 150 至 300 V 之間，IEC 60335-1 的間隙距離要求僅為 3.5 mm，而 IEC 60950-1 則更嚴格，要求達到 4.0 mm。

圖 2：在空氣中測量間隙距離。(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 等級是根據電器使用環境而訂定。許多家用電器需要在潮濕或有水的環境中安全運作。IEC 60529 根據電器的分類定義了所需的特定防護等級。

基本要求之外

智慧家電和 IoT 連線裝置打造了現今的智慧家庭，這類電器遠比傳統電器複雜，通常包括觸控螢幕顯示器、軟體介面、數位控制、無線和／或有線網際網路協定 (IP) 連線，以及其他功能 (圖 3)。由於複雜性增加，IEC 60335 涵蓋了兩個故障同時發生的可能性，而不僅僅是單點故障而已。這與 IEC 60950-1 安全標準形成鮮明對比，後者僅考慮發生單一故障後的安全運作。

圖 3：智慧家電的範例包括具備高解析度螢幕及 IP 連線能力的冰箱 (左)，以及具備 LCD 觸控螢幕控制功能的烤麵包機 (右)。(圖片來源：CUI)

IEC 60335-1 考慮兩個硬體故障或硬體和軟體故障的組合。這些測試對於電力電子裝置尤其重要，這類裝置通常包括某種形式的數位控制或監控功能。許多設計納入了 IEC 60335-1 中所述的「保護性電子電路」(PEC)。IEC 60335 中有關 PEC 的概念超出了硬體層面，包括故障檢測軟體等各種軟體功能。此標準規定，當 PEC 故障出現在另一個故障 (如基本絕緣故障) 之後，以及 PEC 故障出現在另一個故障之前時，設備必須能保持安全運作。系統必須保持安全。

多重故障要求還包括電磁相容性 (EMC) 規格。IEC 60335 要求在造成 PEC 故障後執行 EMC 測試。例如，AC 輸入端的避雷器被斷開。此測試項目包括內部電源供應器，以確保在出現 PEC 故障後，不會因為電磁干擾 (EMI) 而進入不安全的工作狀態。

在單一故障狀況 (如 PEC 故障) 且有 EMI 的情況下，IEC 60355 要求韌體或軟體控制功能都能安全運作。除了系統控制功能外，此要求還適用於具備數位控制的個別 AC-DC 電源供應器、DC-DC 轉換器和馬達驅動器。這些裝置必須在系統中測試，以滿足此要求。

IEC 60355 的第 2 部分

與 IEC 60950 不同的是，IEC 60335 有兩個部分。第 2 部分 (IEC 60335-2) 包含電器特定的要求，涵蓋從烤麵包機到空調系統的 100 多種不同家電類型。設計人員應熟悉第 2 部分，因為它適用於特定電器的設計。若有指定，第 2 部分要求優先於第 1 部分的基本要求。

第 1 部分和第 2 部分在美國和歐洲的處理方式不同。UL 60335-1 在美國已經過協調以符合 IEC 60335-1，但 UL 標準並不認可第 2 部分的所有標準。在歐洲，EN 60335-1 也已經過協調以符合 IEC 60335-1，而與 UL 標準不同的是，EN 標準認可第 2 部分關於特定產品的幾乎所有標準。

設計符合 60335 標準的產品

為了簡化電源供應器部分的設計，同時還要符合 60335 的要求，設計智慧電器、IoT 連線裝置和商用 ITE 的人員可以使用預先封裝的模組。比如說，CUI 的 PSK 系列密封式 AC/DC 電源供應器通過了 IEC/EN/UL 62368-1 認證，其設計符合 IEC/EN/UL 61558/60335 家庭應用要求。這些電源供應器可提供 2 至 60 W 的功率位準，效率可達 90%，並提供多種安裝類型，包括板式安裝、底盤安裝或 DIN 導軌安裝 (圖 4)。

圖 4：CUI 的 PSK 系列密封式 AC-DC 電源供應器，提供板式 (右下)、底盤式 (左下) 和 DIN 軌道 (上) 安裝類型。(圖片來源：CUI)

PSK 系列電源供應器的範例包括：

• PSK-10D-12-T，其具備寬廣的輸入範圍：85 至 305 V AC 或 100 至 430 V DC，輸出 12 V DC，功率最高可達 10 W，採用底盤安裝封裝。
• PSK-S2C-24，其輸入範圍為 85 至 305 V AC 或 120 至 430 V DC，在 24 V DC 下提供高達 2 W 的功率，採用板式安裝封裝。
• PSK-20D-12-DIN，在 12 V DC 下可提供 20 W 的功率，輸入範圍為 85 至 305 V AC 或 100 至 430 V DC，採用 DIN 軌道封裝。

PSK 系列 AC-DC 電源供應器的輸入到輸出隔離電壓為 4 kV AC，具備寬廣的輸入電壓範圍，以及從 -40 至 +70°C 的廣泛工作溫度範圍，部分型號的額定溫度最高可達 85°C。此系列還提供 3.3、5、9、12、15 與 24 V DC 單一輸出電壓，以及過電流、過電壓與連續短路保護。

在使用這些模組時，需要記住一些重點。為了提供保護和濾波，以及幫助滿足電磁相容性 (EMC) 要求，需要使用某些外部元件。這些資訊絕大部分都提供於產品隨附的規格書中。

例如，在 CUI 的 PSK-10D-12-T 應用公版設計中，會預先提供 2 A/300 V 慢速熔斷保險絲，以及金氧變阻器 (MOV) (圖 5)。

圖 5：PSK-10D-12-T 的公版設計顯示輸入保護和輸出濾波元件的放置 (頂部) 及其各自的數值 (底部)。(圖片來源：CUI)

輸出濾波透過高頻電解電容 (C2) 和陶瓷電容 (C1) 實現。C2 必須具有較低的等效串聯電阻 (ESR)，額定輸出電壓必須有至少 20% 的餘裕。在負載之前放置暫態電壓抑制 (TV) 二極管，將有助於在轉換器故障 (不太可能發生) 時保護下游電子元件。

為了符合 EMC 標準，CUI 建議就在模組的交流輸入之前，加入 6.8 Ω、3 W 的電阻 (R1) (圖 6)。

圖 6：為了實現 EMC 防護，應將 R1 加至 AC 輸入線路，如圖所示。(圖片來源：CUI)

結論

隨著智慧家用裝置與 IoT 連線裝置的數量與日俱增，設計人員必須瞭解 IEC 60335 安全標準的內容，以及此標準與 IEC 60950 的關係。此標準會直接影響電源供應器在相關應用中的設計及認證方式，從而增加某些設計限制和複雜程度。

為了解決這些複雜度問題，設計人員可以考慮使用密封式 AC-DC 電源供應器，以支援符合 IEC 60335 標準的解決方案。這些高效率、高功率密度元件有多種封裝類型，包括底盤安裝、板式安裝和 DIN 導軌安裝。如本文所述，這些元件遵循一些基本的優良設計實務，可以大幅降低開發成本和加快上市速度。

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