符合IEC60335的智能电器和物联网的电源设计

　　针对家庭中智能电器和物联网 （IoT） 连接设备的不断增加，业界发布了新的 IEC 60335 安全标准，这给设计人员带来了新的电源挑战。最近发布的标准对交直流电源的隔离电压、爬电和间隙距离以及漏电电流有严格要求。要设计符合众多要求、紧凑而高性价比的交直流电源，这会非常困难，而走完所需的测试和批准流程会增加更多成本，拖慢上市时间。

　　除了设计上的挑战，许多家电都会在潮湿或有水的环境中使用。交直流电源电路内含高压电源轨，因此很难设计出适合在潮湿环境中使用的封装。

　　为了应对这些挑战，同时仍然满足紧迫的时限和预算要求，设计人员可以采用已经通过 IEC/EN/UL 62368-1 认证、其设计符合 IEC/EN/UL 61558/60335 家庭应用要求的封装型交直流电源。

　　本文回顾了 IEC 60335-1 的基本要求，介绍了 IEC 60335 要求的多重同时故障测试的概念，并简要说明了 IEC 60335 第 2 部分。本文随后介绍了 CUI 的几种交直流电源，设计人员可以使用这些电源来加快设计符合 IEC 60335 标准的智能电器和物联网连接设备，以及商业信息技术设备 （ITE）。

　　IEC 60335 的基本要求有哪些？

　　IEC 60335 涵盖“家用和类似电器的安全”，单相额定电压最高为 250 V，多相额定电压最高为 480 V。IEC 60335-1 包括对所有家电的基本要求。设计人员面临的挑战之一是了解 IEC 60335-1 与之前制定的 ITE 安全标准 IEC 60950-1 的区别。在最大漏电电流水平、隔离电压、爬电和间隙距离方面，二者存在着不同和相似之处。

　　正常工作时，如有接地连接，漏电电流会流入机箱或保护接地导体。如果接地连接因任何原因断开，漏电电流可能会流经设备操作者的身体，造成潜在的危险。IEC 60335-1 认可两类设备：便携式和固定式。IEC 60950-1 包括三种设备类别：手持式、可移动式和固定式。IEC 60335 中的便携式设备漏电电流限制为 0.75 mA，与 IEC 60950-1 中的手持式设备相同。IEC 60950-1 规定可移动和固定设备的漏电电流限制为 3.5 mA，这与 IEC 60335-1 中对固定式家电规定的水平相同。

　　两个标准对隔离电压要求也有不同的定义。所需的隔离电平取决于电路中的位置：输入到输出、输出到地或输入到地。IEC 60950-1 仅包括固定值，如输入与输出之间为 3 kV 隔离。IEC 60335-1 的输入到输出隔离要求依据工作电压而变，规定为 2.4 kV 加上 2.4 倍的工作电压。在输出到地的隔离方面，IEC 60335-1 没有要求，而 IEC 60950-1 规定了 500 V 的隔离。

　　两个标准对爬电距离和间隙距离的规定也有明显不同。虽然两个标准都根据工作电压和绝缘类型（基本型或强化型）来定义爬电和间隙距离，但在比较时，IEC 60950-1 和 IEC 60335-1 的要求可能相同、更严格或更宽松。

　　两个导电部件之间沿表面的最短距离被定义为爬电距离（图 1）。当工作电压在 250 V 至 300 V 之间时，IEC 60335-1 更加严格，对于强化绝缘要求 8.0 mm 的爬电距离，而 IEC 60950-1 要求 6.4 mm 的爬电距离。如果工作电压在 200 V 至 250 V 之间，两个标准都规定爬电距离为 5.0 mm。

 

 

图 1：在绝缘体表面测量爬电距离。（图片来源：CUI）

　　两个导电部件之间的空中距离就是间隙距离（图 2）。当考虑强化绝缘且工作电压在 150 V 至 300 V 之间时，IEC 60335-1 的间隙距离要求只有 3.5 mm，而 IEC 60950-1 更加严格，要求 4.0 mm。

 

 

图 2：空中测量间隙距离。（图片来源：CUI）

　　IEC 60335 还要求电器符合 IEC 60529 中定义的侵入防护 （IP） 等级。IP 等级取决于电器的使用环境。许多家电需要能在潮湿或有水的情况下安全运行。IEC 60529 根据电器分类规定了所需的具体保护级别。

　　基础之外

　　构成当今智能家居的智能电器和物联网连接设备远比传统电器复杂，通常包括触摸屏显示器、软件接口、数字控制、无线和/或有线互联网协议 （IP） 连接，以及其他功能（图 3）。由于复杂性增加，IEC 60335 涵盖了两个故障同时发生的可能性，而不仅是单点故障。这与 IEC 60950-1 安全标准形成鲜明对比，后者仅追求单一故障后的安全运行。

 

 

图 3：智能电器的例子包括带有高清显示屏和 IP 连接的冰箱（左）和带有 LCD 触摸屏控制的烤面包机（右）。（图片来源：CUI）

　　IEC 60335-1 考虑了两个硬件故障的组合或硬件和软件故障的组合。这些测试对于通常包括某种形式的数字控制或监测的电力电子设备来说可能特别重要。许多设计包括 IEC 60335-1 中规定的“保护性电子线路 （PEC）”。IEC 60335 中的 PEC 概念超出了硬件的范围，包括各种软件功能，如故障检测软件。该标准要求，当 PEC 故障发生在另一故障（如基本绝缘故障）之后，以及 PEC 故障发生在另一故障之前时，设备应保持安全运行。系统必须保持安全。

　　多重故障要求还包括电磁兼容性 （EMC） 规范。IEC 60335 要求在引发 PEC 故障后进行 EMC 测试。例如，交流输入端的浪涌放电器被断开。该测试包括内部电源，以确保它在 PEC 故障后不会因电磁干扰 （EMI） 而进入不安全的工作状态。

　　在单一故障条件下（如 PEC 故障），IEC 60355 要求固件或软件控制能在施加 EMI 的情况下安全运行。除了系统控制之外，此要求还适用于单独的交直流电源、DC-DC 转换器以及带有数字控制的电机驱动器。为了符合该要求，这些设备必须在系统中进行测试。

　　IEC 60355 第 2 部分

　　与 IEC 60950 不同，IEC 60335 有两个部分。第 2 部分 （IEC 60335-2） 包括具体电器要求，涵盖了从烤面包机到空调系统的 100 多种电器类型。设计人员应该熟悉第 2 部分，因为它适用于具体电器的设计。如有指定，第 2 部分的要求优先于第 1 部分的基本要求。

　　美国和欧洲以不同方式对待第 1 部分和第 2 部分。美国的 UL 60335-1 与 IEC 60335-1 一致，但 UL 标准并不认可第 2 部分的全部标准。在欧洲，EN 60335-1 也被协调为与 IEC 60335-1 一致，但与 UL 标准不同的是，EN 标准认可第 2 部分的几乎所有关于特定产品的标准。

　　满足 60335 标准的设计

　　为了简化电源部分的设计，同时符合 60335 要求，智能电器、物联网连接设备和商业 ITE 的设计人员可以使用预封装模块。例如，CUI 的 PSK 系列封装型交/直流电源通过了 IEC/EN/UL 62368-1 认证，其设计符合 IEC/EN/UL 61558/60335 关于家庭应用的要求。这些电源的功率水平从 2 W 至 60 W，效率高达 90%，有多种安装方式，包括板安装、底座安装或 DIN 导轨。

　　PSK 系列电源的例子包括：

　　PSK-10D-12-T 在 85 V 至 305 V AC 或 100 V 至 430 V DC 的宽输入范围内工作，输出 12 V DC 和高达 10 W 的功率，采用底座安装封装。

　　PSK-S2C-24 输入范围为 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，采用板安装封装。

　　PSK-20D-12-DIN 以 12 V DC 提供 20 W 功率，输入范围为 85 V 至 305 V AC 或 100 V 至 430 V DC，采用 DIN 导轨封装。

　　PSK 系列交直流电源具有 4 kV AC 输入到输出隔离、宽输入电压范围，以及从 -40°C 至 +70°C 的宽工作温度范围，一些型号的额定温度高达 85°C。该系列还提供 3.3、5、9、12、15 和 24 V DC 的单一输出电压，以及过流、过压和连续短路保护。

　　在使用这些模块时，要记住以下几点。为了保护和滤波目的，以及为了帮助符合电磁兼容性 （EMC） 要求，需要一些外部元器件。这些信息大部分都在随附的规格书中提供。

　　例如，在 CUI 的 PSK-10D-12-T 应用设计参考中，预先提供了 2 A/300 V 慢融保险丝，以及金属氧化物压敏电阻 （MOV）（图 5）。

 

 

图 5：PSK-10D-12-T 参考设计显示了输入保护和输出滤波元器件的放置（顶部）及对应的值（底部）。（图片来源：CUI）

　　输出滤波通过高频电解电容器 （C2） 和陶瓷电容器 （C1） 实现。C2 须有较低的等效串联电阻 （ESR），并且在额定输出电压上至少有 20% 的裕量。在负载之前放置瞬态电压抑制 （TVS） 二极管有助于在（不太可能发生的）转换器故障时保护下游电子设备。

　　为了符合 EMC 要求，CUI 建议在模块的交流输入前添加一个 6.8 Ω、3 W 的电阻器 （R1）（图 6）。

 

 

图 6：为实现 EMC 保护，应在交流输入线路增加 R1，如图所示。（图片来源：CUI）

　　结语

　　随着智能家居设备和物联网连接设备的数量不断增加，设计人员需要了解 IEC 60335 安全标准的含义，以及它与 IEC 60950 的关系。该标准直接影响这些应用的电源设计和认证，带来了一些设计限制和复杂性。

　　为了应对这些复杂性，设计人员可以选择支持 IEC 60335 兼容解决方案的封装型交直流电源。这些高效率、高功率密度的器件有多种封装方式，包括底座安装、板安装和 DIN 导轨。如本文所示，这些器件遵循一些基本的良好设计实践，可以大大降低开发成本并缩短上市时间。