새로운 AV/ICT 표준 IEC 62368-1을 준수하는 보호 회로를 설계하는 방법

최근 오디오 비주얼(AV) 기술과 정보 통신 기술(ICT) 간의 경계가 점점 더 모호해지고 있습니다(예를 들어 스마트 TV와 같은 홈 멀티미디어 제품). 또한 엔지니어는 전자 제품의 보호 설계를 위해 위험 기반 안전 엔지니어링(HBSE) 방식을 더욱 활용하는 경향을 보이고 있습니다. 이러한 경향은 해당 장비를 설치하고 유지보수하며 사용하는 사람을 보호하기 위해 설계된 표준에 영향을 줌으로써 이제 그러한 표준이 소용 없게 되었으며, 이와 함께 AV 및 ICT 제품의 준수를 보장하기 위해 사용되던 많은 엔지니어링 하드웨어도 단종되었습니다.

이러한 결과를 예상하며 IEC는 새로운 단일 표준인 IEC 62368-1(정보 및 통신 기술 장비 - 1부: 안전 요구 사항)을 마련했습니다. 두 개의 이전 표준(IEC 60950-1 및 IEC 60065)을 대체하는 새로운 하나의 표준이 ICT 및 AV 장비 모두를 정의하며, 또한 사물 인터넷(IoT) 장치 및 배터리 구동 전자 제품과 같은 제품(최대 600V)도 정의합니다. 이 표준은 2020년 12월 실행이 시작되었으며 HBSE 방식을 활용합니다.

이 기사에서는 IEC 62368-1을 소개하고, 이 표준이 이전의 분리된 표준들보다 더 복잡해 보이나 실제로는 작업을 더욱 단순화하고 더 높은 수준의 안전 및 설계 유연성을 제공하는 표준인 이유를 설명합니다. 또한 Littelfuse에서 제공하는 상업용 전자 보호 제품을 소개하고 그 사용법에 대해서도 설명하는데, 이들 제품은 IEC 62368-1에 포함된 각 카테고리의 고전압 및 서지 요구 사항을 충족하는 설계 제품과 서브 시스템을 더 간편하게 설계하는 데 사용할 수 있습니다.

IEC 62368-1이란 무엇인가요?

IEC 62368-1은 정격 전압이 600V를 초과하지 않는 전기 및 전자 ICT, AV, IoT 장비의 안전을 위한 회로 보호를 정의하는 기존 표준을 대체하기 위해 채택되었습니다(그림 1). 이러한 장비를 설치, 유지보수 및 사용하는 사람을 보호하기 위해 설계된 이 표준은, 최근 안전한 엔지니어링을 위해 각광받고 있는 HBSE 방식을 반영합니다. HBSE는 기존의 규범적 엔지니어링 방식(보호 회로가 준수해야 하는 일련의 규칙을 제시)을 대체하는, 제품이 노출될 수 있는 위험을 고려하는 방식입니다. 따라서 미리 고려된 위험 중 하나로 인해 제품이 고장나더라도 사용자를 보호하는 안전 회로의 설계가 가능합니다.

그림 1: IEC 62368-1은 기존 IEC 60951-1 및 IEC 60065 안전 표준을 대체하므로, 이 하나의 표준이 ICT, AV 및 IoT와 배터리 구동 장치와 같은 기타 제품도 정의합니다. (이미지 출처: Littelfuse)

IEC 62368-1은 최종 사용자 제품에만 적용되는 것이 아니라 그러한 제품을 만들기 위한 부품 및 서브 시스템(전원 공급 장치 등)에도 적용됩니다. 일정 기간 동안은, 새 표준이 적용된다 해도 기존 표준을 준수하는 설계와 하부 조립품의 재사용이 당분간은 허용합니다. 북미, 영국, 일본 및 호주/뉴질랜드와 같은 주요 시장에서는 새 표준의 사용을 엔지니어에게 권장합니다.

사람을 위한 회로 보호

엔지니어가 IEC 62383-1을 준수하려면 HBSE 방식을 채택해야 하며, 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 제품이 사용하는 에너지원(ES) 파악
• 해당 에너지원에서 생산되는 에너지 레벨 측정
• 해당 에너지원의 에너지가 위험한지 여부
• 위험 수준 분류
• 해당 위험이 부상 또는 화재를 발생시킬 가능성이 있는지 여부 파악
• 다음 목적으로 적절한 안전 계획 결정
  • 분류된 위험에 의해 초래되는 통증 및 부상으로부터 사람을 보호
  • 장비의 고장으로 발생하는 화재로 인한 부상 또는 재산 손실의 가능성 감소
• 해당 안전 조치의 효과 측정

이 표준은 세 등급의 ES를 구체적으로 명시합니다. 클래스 1 ES(ES1)는 정상 작동 조건, 비정상 조건 중에 또는 단일 고장이 발생한 경우 클래스 1의 한도 내에 있습니다. 사람이 에너지의 존재는 감지할 수도 있지만, 통증을 일으키거나 화재를 유발할 정도의 수준은 아닙니다. 클래스 1 ES를 일상적으로 사용하는 사람을 위한 보호 장비는 필요하지 않습니다.

클래스 2 ES(ES2) 에너지 수준은 정상, 비정상 또는 단일 고장 제품 작동 조건에서 클래스 1의 한도는 벗어나지만 클래스 2의 한도 내에 있습니다. 에너지의 존재로 통증이 발생할 수 있지만 부상을 유발할 가능성은 낮은 수준입니다. 특정 조건이 충족될 경우 화재가 유발될 수도 있습니다. 클래스 2 에너지원을 일상적으로 사용하는 사람을 보호하려면 최소한 한 개의 보호 장비가 필요합니다.

클래스 3 ES(ES3)는 가장 위험합니다. 정상, 비정상 또는 단일 고장 조건에서 에너지 수준이 클래스 2의 최대 한도를 벗어나며, 부상 또는 화재를 유발할 수 있습니다. ES3으로 인해 발생되는 부상은 섬유화, 심호흡 정지 또는 피부 및/또는 내부 장기 화상 등으로 확장될 수 있습니다. ES3을 일상적으로 사용하는 사람을 보호하기 위해서는 이중 또는 강화된 보호 장비가 필요합니다.

특히 새로운 표준은 다양한 제품 유형 및 사용 장소를 포함한 다양한 범위에 대한 과전압 내성 임계값 및 서지 보호 요구 사항을 결정합니다.

설계자가 ES1, ES2 및 ES3에 적용할 수 있는 실제 전류 및 전압의 한도가 다르다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어 전압 제한 요구 사항은 전원 공급 장치 작동 빈도에 의해 영향을 받습니다. 1kHz 미만에서 작동하는 전원 공급 장치의 전압의 경우 ES1 한도는 30V_rms, 42.4V_peak 및 60VDC입니다. ES2 제한은 50V_rms, 70.7V_peak 및 120VDC입니다.

장비는 해당 에너지 등급에 지정된 전압 한도 또는 전류 한도 중 하나를 준수하되, 둘 다 준수할 필요는 없습니다. 또한 이 한도는 정상/비정상 작동 또는 단일 고장 조건에 따라 달라집니다. 이러한 한도는 해당 표준의 5번째 조항에 자세히 설명되어 있습니다. 또한 오프 타임에 따른 펄스 파형의 한도와 같은 사항을 정의하는 하위 조항도 있습니다.

장비를 위한 회로 보호

모든 장비 설계자가 최우선으로 고려해야 하는 점이 사람에 대한 보호이지만, 전압 및 전류 스파이크로 인한 손상으로부터 최종 제품을 보호하는 일도 매우 중요합니다. IEC 62368-1은 2개의 기존 표준으로 기반으로 설계되었으며, 장비가 과도한 과전압 및 과전류에 대한 내성을 갖추도록 최소 내성 등급을 규정합니다.

이 표준은 전력량계의 내부에 배치되는 장비에 대해 "과전압 카테고리"(I, II 및 III)를 정의합니다. 계량기의 분배 위치에 배치되는 장비는 과전압 카테고리 IV에 있습니다.

구체적으로 카테고리 I은 본선에 연결되지 않는 장비(배터리 구동 휴대용 장치 등)에 해당되고, 카테고리 II는 건물 배선에 연결되는 플러그형 ICT 및 AV 장치에 해당됩니다. 카테고리 III은 배전판, 회로 차단기, 배선, 접합 박스, 스위치, 소켓 아웃렛 및 산업용 장비 등과 같은 건물 인프라의 부분을 구성하는 시스템에 해당됩니다.

카테고리 II에는 일반적으로 120VAC 또는 230VAC 본선 또는 100VAC ~ 250VAC 전원 공급 장치와 같은 범위를 기반으로 하는 장비 설계가 포함됩니다. 이 표준은 그러한 장치가 120VAC 공급 장치에서는 1.5kV, 230VAC 공급 장치에서는 2.5kV의 최소 과도 피크 전압 내성 수준을 갖춰야 함을 정의합니다.

그림 2: IEC 62368-1은 최종 제품이 사용되는 위치에 따라 다양한 고전압 카테고리를 규정합니다. 카테고리 I, II, III은 전류량계의 내부에서 사용되는 제품에 관한 내용이고, 카테고리 IV는 분배 위치에서 사용되는 제품에 해당합니다. (이미지 출처: Littelfuse)

IEC 62368-1 서지 보호 요구 사항을 충족하는 회로 설계

과도 과전압 및 과전류 이벤트로부터의 보호를 위한 표준을 준수하는 회로를 설계하는 것은 크게 어렵진 않습니다. 중요한 것은 다른 전도 경로를 제공하여 과도 스파이크가 민감한 장비로부터 멀리 돌아가도록 하는 것입니다. 전원 공급 장치가 차동 모드를 사용하는지 아니면 차동 및 공통 모드 계획을 사용하는지에 따라 두 가지 권장되는 기술이 있습니다(그림 3A 및 B).

그림 3: IEC 62368-1 카테고리 II를 위한 과도 전압 및 전류 보호는 차동 모드(A, 상단) 또는 차동 및 공통 모드 계획(B, 하단)을 포함합니다. (이미지 출처: Littelfuse)

차동 모드 계획(3A)에서는 열 보호된 금속 산화물 배리스터(TMOV)와 함께 퓨즈(I)를 통해 과전류 이벤트로부터의 보호가 달성됩니다. TMOV는 비정상적 과전압으로 인한 과열 발생 시 개방되도록 설계된 열 활성화 장치와 MOV의 두 가지 요소로 구성됩니다. 정상적인 작동 하에서 MOV는 매우 높은 저항을 갖춰 정상 작동 전압이 회로를 흐르도록 합니다. 과도 스파이크와 같이 더 높은 전압에서는 MOV가 낮은 저항을 보유하여 최종 제품으로 흐르는 전류를 단락시킵니다.

또한 차동 및 공통 모드 계획에서는 활선 및 중성선에 걸쳐 퓨즈 및 TMOV가 사용되지만, 두 개의 MOV와 가스 방출 튜브(GDT)가 추가됩니다. 그림 3B에서 볼 수 있듯이 MOV는 GDT와 직렬로 활선 및 접지선, 중성선 및 접지선에 추가됩니다. 정상적인 작동 하에서 GDT는 높은 절연 저항과 낮은 정전 용량 및 누설을 특징으로 합니다. 그러나 높은 전압 과도에 노출되는 경우 밀폐된 가스가 플라즈마로 변하고 최종 제품으로부터 전압을 소모하게 됩니다.

TMOV 옵션이 권장(열 보호 및 낮은 에너지 통과 허용과 클램핑 전압을 제공하므로)되는 한편, 표준에 부합하는 한 다른 유형의 차동 모드 보호도 고려할 수 있습니다. 그 예로는 MOV, 보호 사이리스터와 MOV의 조합(특히 모뎀과 같은 제품에서) 또는 TVS 다이오드 등이 있습니다. 공통 모드 보호에서는 MOV와 GDT의 조합의 보호만이 유일하게 허용되는 솔루션입니다.

엔지니어의 부품 선택 과정에는 다소 어려움이 따릅니다. 최종 제품이 해당 표준에 부합하려면 장치가 IEC 62368-1에 정의된 보호 관련 규정을 충족해야 합니다.

과전류 이벤트로부터 민감한 회로가 손상되는 것을 막기 위해(그리고 최종 제품이 고장 테스트를 통과하도록 하기 위해) 퓨즈(I)가 사용됩니다. 엔지니어가 퓨즈에 대해 고려할 때, 부품의 다음과 같은 면을 고려해야 합니다.

• 불필요한 트립을 하지 않음
  • 예를 들어 정상 작동 중 또는 서지 펄스 테스트 중에 열리지 않아야 함
• 전압 등급이 시스템의 정상 작동 전압의 등급보다 높음
• 최대 고장 전류를 안전하게 차단
• 크기가 사용 가능한 공간에 잘 맞음
• 타사의 인증 요구 사항(예: IEC 및 UL)을 충족

240VAC 카테고리 II 제품을 위해 좋은 옵션은 0215008.MRET1SPP(8A 장치) 또는 0215012.MRET1P(12A 모델)로, 모두 Littelfuse의 215 계열입니다. 215 계열은 부품 또는 내부 회로를 위해 개별 보호를 제공하면서 IEC 사양을 준수하도록 설계된 20mm x 5mm 시간 지연 서지 내성 세라믹 바디 카트리지 퓨즈입니다.

이 응용 제품의 퓨즈에 대한 주요 요구 사항은 퓨즈의 차단 정격이 회로의 최대 고장 전류와 같거나 초과해야 한다는 것입니다. 그렇지 않으면 장치가 제대로 작동하지 않게 되며, 퓨즈가 열리는 경우 회로 내에서 손상을 유발하는 전류가 계속 흐를 수 있어 위험합니다. 215 계열 퓨즈는 250VAC에서 1.5kV의 높은 차단 정격을 제공합니다.

설계자는 TMOV(II)(그림 3A 및 B에 그려진 회로에서 표시됨)를 선택할 때 다음 가이드라인을 고려해야 합니다.

• TMOV는 IEC 61051-1 또는 IEC 61643-331과 같은 배리스터 부품 표준을 준수해야 함
• 최대 연속 작동 전압(MCOV)이 1.25 x 장비 정격 전압과 같거나 커야 함
  • 예를 들어 240VAC 전원 공급 장치의 경우 부품 MCOV는 최소 300V여야 함
• TMOV는 반복적인 충돌을 견뎌야 함(IEC 61051-2의 2.3.6 또는 IEC 61643-331의 8.1.1에 정의된 대로)
  • 예를 들어 240VAC 전원 공급 장치의 경우 TMOV는 2.5kV/1.25kA (1.2/50μs) 전압 및 8/20μs 전류의 조합파의 10 펄스를 견뎌야 함
• 부품이 해당 표준의 배리스터 과부하 테스트를 통과해야 함
  • 예를 들어 240VAC 전원 공급 장치에서는 2배의 정격 전압(480V)과 3.84kΩ의 직렬 저항(R)이 적용되어야 함(후속 테스트에서는 회로가 열릴 때까지 R값의 절반을 적용함)

그림 4: 과부하 테스트 회로도. 보호 부품은 2배의 정격 전압 과부하를 받아야 하며, 회로가 열릴 때까지 R1 값을 점진적으로 반감하여 테스트를 반복합니다. (이미지 출처: Littelfuse)

Littelfuse의 TMOV14RP300EL2T7 장치는 이 응용 제품을 위한 좋은 선택이 됩니다. 이 장치의 MCOV는 300V(240VAC에 대한 부품 표준 요구 사항 충족)이며, 14mm의 지름과 반복 충돌 요구 사항을 충족하기에 충분한 본체 크기를 갖추고 있습니다. 또한 TMOV14RP300EL2T7은 열 보호되므로, 300V의 MCOV는 배리스터 과부하 테스트를 통과하기에 충분합니다. 안전을 위한 추가 사항으로, 열 보호되지 않은 MOV는 MCOV가 420V 이상이어야 합니다. TMOV는 최대 6kA의 단일 이벤트 피크 서지 전류(<20µs)를 견딜 수 있습니다. 그림 5는 반복되는 서지 및 서지 기간에 대한 서지 용량을 표시합니다.

그림 5: 반복 서지 용량(Littelfuse의 14mm MOV). 이 장치는 최대 6kA의 단일 이벤트 피크 서지 전류(<20µs)를 견딜 수 있습니다. (이미지 출처: Littelfuse)

공통 모드 보호에 사용되는 MOV 및 GDT에 대한 요구 사항도 IEC 61051-1 또는 IEC 61643-331 부품 표준에 의해 결정됩니다. 이 표준을 준수하는 부품으로 설계된 하위 조립품은 자연히 IEC 62368-1를 준수하게 됩니다. 이 경우에는 MOV가 위에서 TMOV에 대해 표시된 동일한 MCOV 및 서지 요구 사항을 충족해야 하지만, 두 장치가 GDT와 함께 사용되고 있으므로 과부하 테스트는 MOV에서만이 아닌 결합된 보호 회로에서 이루어지게 됩니다.

Littelfuse의 V10E300P MOV가 이에 적합합니다. 이 부품은 MCOV가 300V이고 지름이 10mm이므로, 이 표준의 다중 충돌 요구 사항을 충족하기에 충분히 견고합니다. 최대 3.5kA 의 피크 서지 전류를 견딜 수 있습니다. 이 표준의 요구 사항을 충족하기 위해서는 GDT가 2.5kV 내성 전압의 전력 테스트를 통과해야 하며, 공간거리 및 연면거리를 준수해야 합니다.

Littelfuse의 CG33.0LTR GDT가 이 응용 제품을 위한 옵션 중 하나입니다. 이 제품은 서지 보호 및 고분리 응용 제품용으로 설계된 2전극 고전압 장치입니다. GDT는 100V에서 10GΩ의 절연 저항, 1.5pf 미만의 정전 용량을 지닙니다. 항복 전압은 4.6kV이고 10kA의 최대 서지 전류를 견딜 수 있습니다.

2개의 V10E300P MOV와 단일 CG33.0LTR GDT의 조합은 위의 TMOV 보호 회로를 설명할 때 언급된 과부하 테스트를 충족할 수 있습니다.

결론

IEC 62368-1은 최대 600V 공급에서 작동하는 제품에서의 회로 보호에 대한 단일 표준을 제공합니다(이전에는 제품에 적용되는 ICT와 AV에 대해 별도의 표준이 있었음). 또한 이 표준은 IoT 및 배터리 구동 장치와 같이 이전의 표준에는 포함되지 않았던 제품에 대한 회로 보호도 규정합니다. 이전 표준에 익숙한 엔지니어가 이제는 설계 방식을 바꿔야 한다는 점은 있지만, IEEE 62368-1은 회로 보호 엔지니어링을 단순화하고 더 높은 수준의 안전 및 설계 유연성을 제공합니다. 또한 Littelfuse와 같은 보호 부품 제조업체는 새 표준을 준수하는 회로의 설계를 더욱 단순화하는 장치 및 이와 관련된 지원을 제공합니다.