가전 제품 및 IoT 장치를 위한 IEC 60335 전원 공급 장치 요구 사항을 충족하는 방법

가정 내 스마트 가전 제품 및 사물 인터넷(IoT) 연결 장치 사용 증가에 대응하여 새로운 IEC 60335 안전 표준이 발표됨에 따라 새로운 전원 공급 장치가 설계자들에게 문제로 등장했습니다. 최근에 발표된 표준에서는 AC-DC 전원 공급 장치의 분리 전압, 연면거리, 공간거리 및 누설 전류에 대한 요구 사항을 강화했습니다. 다양한 요구 사항을 충족하는 비용 효율적인 콤팩트 AC-DC 전원 공급 장치를 설계하는 것은 어려우며 필요한 테스트 및 승인 프로세스를 진행하려면 추가적인 비용이 소요되고 출시 시간이 지연됩니다.

설계 문제 외에도 대부분의 가전 제품은 수분이나 물이 존재하는 환경에서 사용됩니다. AC-DC 전원 공급 장치 회로에는 내부 고전압 전력 레일이 포함되어 있어서, 눅눅하거나 습한 환경에서 사용하는 데 적합한 패키지를 설계하는 것을 어렵게 만듭니다.

엄격한 기한 및 예산 요건을 충족하면서 이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 이미 IEC/EN/UL 62368-1 인증을 받고 가전 응용 제품을 위한 IEC/EN/UL 61558/60335 요구 사항을 충족하도록 설계된 캡슐화된 AC-DC 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 기본 요구 사항 IEC 60335-1을 검토하고, IEC 60335에 요구된 동시에 발생하는 여러 오류를 테스트하는 개념을 소개하고, IEC 60335의 2부를 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 설계자가 IEC 60335 규격 스마트 가전 제품, IoT 연결 장치 및 상업용 정보 기술 장비(ITE) 설계 시간을 단축하기 위해 사용할 수 있는 CUI의 다양한 AC-DC 전원 공급 장치를 소개합니다.

IEC 60335의 기본 요구 사항은?

IEC 60335는 정격 전압이 최대 250V(단상) 및 480V(다중 위상)인 '가전 및 유사 전자 기기 안전'을 포함합니다. IEC 60335-1은 모든 가전 제품에 적용되는 기본 요구 사항을 포함합니다. 설계자는 IEC 60335-1이 이전에 설정된 ITE용 IEC 60950-1 안전 표준과 비교하여 어떤 차이점이 있는지 이해하는 데 어려움이 있습니다. 최대 누설 전류 레벨, 분리 전압, 연면거리 및 공간거리와 관련한 차이점과 유사점이 있습니다.

정상 작동 중에 접지 연결이 있는 경우 누설 전류가 섀시 또는 보호 접지 컨덕터로 유입됩니다. 어떤 이유로 인해 접지 연결이 끊어진 경우 누설 전류가 장비를 운영하는 사람의 신체를 통과하여 잠재적 위험을 야기할 수 있습니다. IEC 60335-1은 이동형 장비와 고정형 장비의 두 범주를 인식합니다. IEC 60950-1은 핸드헬드, 이동형, 고정식의 세 가지 장비 범주를 포함합니다. IEC 60335에서 이동식 장치의 누설 전류는 0.75mA로 제한됩니다. 이는 IEC 60950-1에서 핸드헬드 장치와 동일합니다. IEC 60950-1에서 이동식 장치와 고정 장치의 누설 전류는 3.5mA로 제한되며, 이는 IEC 60335-1의 고정식 가전 제품에 대해 규정된 수준과 동일합니다.

또한 두 표준 간에 적용되는 분리 전압 요구 사항이 다르게 정의됩니다. 필요한 분리 전압 레벨은 회로 내 위치(입력-출력, 출력-접지, 입력-접지)에 따라 달라집니다. IEC 60950-1은 고정 값을 포함합니다(예: 입력-출력 사이의 분리 전압 3kV). IEC 60335-1에서는 작동 전압에 따라 입력-출력 분리 전압 요구 사항이 달라지며, 2.4kV + 작동 전압의 2.4배로 지정됩니다. 출력-접지 분리의 경우 IEC 60335-1에는 요구 사항이 없고, IEC 60950-1에서는 500V 분리 전압을 규정합니다.

두 표준은 연면거리와 공간거리를 처리하는 방법에서도 차이가 분명합니다. 두 표준은 작동 전압과 분리 유형(기본 또는 강화)에 따라 연면거리와 공간거리를 정의하지만, IEC 60950-1 및 IEC 60335-1과 비교할 때 요구 사항이 동일하거나, 더 엄격하거나, 더 느슨할 수 있습니다.

표면을 따라 두 전도성 부품 간의 최단 거리는 연면거리로 정의됩니다(그림 1). 작동 전압이 250V ~ 300V 사이일 경우 IEC 60335-1이 더 제한적이며 강화된 상황에 대해 8.0mm의 연면거리를 요구하고, IEC 60950-1은 6.4mm의 연면거리를 요구합니다. 작동 전압이 200V ~ 250V 사이일 경우 두 표준은 모두 5.0mm의 연면거리를 규정합니다.

그림 1: 연면거리는 분리 표면에서 측정됩니다. (이미지 출처: CUI)

공중에서 두 전도성 부품 사이의 거리는 공간거리입니다(그림 2). IEC 60335-1의 공간거리 요구 사항은 3.5mm에 불과하고, IEC 60950-1은 강화된 분리와 150V ~ 300V 사이의 작동 전압을 고려할 때 4.0mm를 요구하여 더 제한적입니다.

그림 2: 공간거리는 공중에서 측정됩니다. (이미지 출처: CUI)

IEC 60335에서는 가전 제품이 IEC 60529에 정의된 침투 보호(IP) 등급을 충족하도록 요구합니다. IP 등급은 가전 제품이 사용되는 환경에 따라 다릅니다. 대부분의 가전 제품은 습도 또는 물이 존재하는 환경에서 안전하게 작동해야 합니다. IEC 60529에서는 가전 제품의 분류에 따라 필요한 보호 레벨을 구체적으로 정의합니다.

기본 사항 이외 추가 정보

오늘날의 스마트 홈을 구성하는 스마트 가전 제품 및 IoT 연결 장치는 기존 가전 제품보다 훨씬 더 정교하며, 터치 스크린 디스플레이, 소프트웨어 인터페이스, 디지털 제어, 무선 및/또는 유선 인터넷 프로토콜(IP) 연결 및 기타 기능을 포함하는 경우도 있습니다(그림 3). 이 추가된 복잡성으로 인해 IEC 60335는 단순한 단일 지점 결함이 아닌 두 결함이 동시에 발생하는 경우를 포함합니다. 이 표준은 단일 결함에 대해서만 이후 안전 작동을 모색하는 IEC 60950-1 안전 표준과 대조됩니다.

그림 3: 스마트 가전 제품의 예로는 고화질 디스플레이와 IP 연결을 지원하는 냉장고(왼쪽)와 LCD 터치 스크린 제어를 지원하는 토스터(오른쪽)가 있습니다. (이미지 출처: CUI)

IEC 60335-1에서는 두 하드웨어 결함의 조합된 경우나 하드웨어 결함과 소프트웨어 결함이 조합된 경우를 고려합니다. 이러한 테스트는 일부 형태의 디지털 제어 또는 모니터링을 포함하는 전력 전자 장치에 특히 중요할 수 있습니다. 대부분의 설계는 IEC 60335-1에서 '보호 전자 회로'(PEC)라고 하는 회로를 포함합니다. IEC 60335의 PEC 개념은 하드웨어뿐 아니라 오류 감지 소프트웨어와 같은 다양한 소프트웨어 기능을 포함합니다. 이 표준에서는 기본 분리 오류와 같은 다른 결함에 이어 PEC 결함이 발생하는 경우와 다른 결함이 발생하기 이전에 PEC 결함이 발생하는 경우에도 장비는 안전한 작동을 유지해야 한다고 규정합니다. 시스템은 안전한 상태로 유지되어야 합니다.

또한 다중 오류 요구 사항은 전자파 적합성(EMC) 사양을 포함합니다. IEC 60335에서는 PEC로 인해 오류가 발생한 이후에 EMC 테스트를 수행하도록 요구합니다. 예를 들어 AC 입력의 서지 피뢰기가 분리됩니다. 이 테스트에서는 PEC 오류 이후에 전자파 장해(EMI)에 대응하여 불안정한 작동 조건으로 전환되지 않도록 내부 전원 공급 장치를 포함합니다.

IEC 60355에서는 PEC 오류와 같은 단일 결함 후 EMI가 적용된 상황에서 펌웨어 또는 소프트웨어 제어가 안전하게 작동해야 한다고 규정합니다. 시스템 제어 이외에 이 요구 사항은 개별 AC-DC 전원 공급 장치, DC-DC 컨버터, 디지털 제어를 지원하는 모터 구동기에도 적용됩니다. 시스템에서 이러한 장치가 이 요구 사항을 충족하는지 테스트해야 합니다.

IEC 60355의 2부

IEC 60950과 달리 IEC 60335는 두 부분으로 구성되어 있습니다. 2부(IEC 60335-2)에는 토스터, 에어컨을 비롯한 100가지 이상의 가전 제품을 포괄하는 가전 제품별 요구 사항이 포함되어 있습니다. 설계자는 특정 가전 제품 설계에 적용되는 2부를 숙지해야 합니다. 지정된 경우 2부의 요구 사항은 1부의 기본 요구 사항보다 우선합니다.

1부와 2부는 미국과 유럽에서 다르게 처리됩니다. 미국의 UL 60335-1은 IEC 60335-1과 유사하지만, UL 표준에서는 모든 2부 표준을 인식하지 않습니다. 유럽의 EN 60335-1은 IEC 60335-1과 유사하지만, UL 표준과 달리 EN 표준은 특정 제품에 대해 거의 모든 2부 표준을 인식합니다.

60335를 준수하도록 설계

60335 요구 사항을 충족하면서 전원 공급 장치 설계 섹션을 간소화하기 위해 스마트 가전 제품, IoT 연결 장치 및 상업용 ITE 설계자는 사전 패키징된 모듈을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 CUI의 PSK 계열 캡슐화된 AC/DC 전원 공급 장치는 IEC/EN/UL 62368-1 인증을 받았으며 가전 제품을 위한 IEC/EN/UL 61558/60335를 충족하도록 설계되었습니다. 이러한 전원 공급 장치는 2W ~ 60W 전력 레벨과 최대 90% 효율성을 지원하며, 기판 실장, 섀시 실장, DIN 레일 등 다양한 실장 유형으로 제공됩니다(그림 4).

그림 4: CUI의 PSK 계열 캡슐화된 AC-DC 전원 공급 장치는 기판(오른쪽 아래), 섀시(왼쪽 아래) 및 DIN 레일(위쪽) 실장 유형으로 제공됩니다. (이미지 출처: CUI)

PSK 계열 전원 공급 장치의 예:

• PSK-10D-12-T: 섀시 실장 패키지에서 85V ~ 305V AC 또는 100V ~ 430V DC의 광범위한 입력 범위에서 작동하며, 최대 10W에서 12V DC 전압을 출력합니다.
• PSK-S2C-24: 기판 실장 패키지에서 85V ~ 305V AC 또는 120V ~ 430V DC 입력 범위를 지원하고, 24V DC에서 최대 2W를 제공합니다.
• PSK-20D-12-DIN: DIN 레일 패키지에서 12V DC에서 20W를 제공하고, 85V ~ 305V AC 또는 100V ~ 430V DC 입력 범위를 지원합니다.

PSK 계열 AC-DC 전원 공급 장치는 4kV AC 입력-출력 분리, 넓은 입력 전압 범위, -40°C ~ +70°C의 폭넓은 작동 온도 범위를 지원하며 일부 모델의 경우 정격 작동 온도가 최대 85°C에 이릅니다. 또한 이 계열에서는 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V, 24V DC의 단일 출력 전압을 제공하고, 과전류, 과전압 및 연속 단락 회로 방지를 지원합니다.

모듈로 작업할 때 유의해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 일부 내부 부품의 경우 보호 및 필터링이 필요하며, 전자파 적합성(EMC) 요구 사항을 충족해야 합니다. 대부분의 정보는 해당 규격서에 제공됩니다.

예를 들어 CUI의 PSK-10D-12-T 응용 제품 설계를 참조하여 금속 산화물 배리스터(MOV)와 함께 2A/300V 지연형 퓨즈가 미리 제공됩니다(그림 5).

그림 5: PSK-10D-12-T용 참조 설계에서는 입력 보호 및 출력 필터링 부품 위치(위쪽)와 해당 값(아래쪽)을 보여줍니다. (이미지 출처: CUI)

출력 필터링은 고주파 전해 커패시터(C2) 및 세라믹 커패시터(C1)를 사용하여 수행됩니다. C2에서는 등가 직렬 저항(ESR)이 작고, 정격 출력 전압에 최소 20%의 여유가 있어야 합니다. 과도 전압 억제(TVS) 다이오드를 부하 바로 앞에 배치하여 (예기치 않은) 컨버터 오류 시 다운스트림 전자 기기를 보호할 수 있습니다.

EMC 준수를 위해 6.8Ω, 3W 저항기(R1)를 모듈에 대한 AC 입력 바로 앞에 추가하는 것이 좋습니다(그림 6).

그림 6: EMC 보호를 위해 AC 입력 라인에 R1을 그림과 같이 추가해야 합니다. (이미지 출처: CUI)

결론

스마트 홈 장치와 IoT 연결 장치의 수가 지속적으로 증가함에 따라 설계자는 IEC 60335 안전 표준의 영향과 IEC 60950과의 관계를 이해해야 합니다. 표준은 설계 제약 조건을 특정하고 복잡성을 높여서 이러한 응용 분야에 대해 전원 공급 장치를 설계하고 인증하는 방법에 직접적인 영향을 줍니다.

이러한 복잡성을 해결하기 위해 설계자는 IEC 60335 규격 솔루션을 지원하는 캡슐화된 AC-DC 전원 공급 장치로 전환할 수 있습니다. 이러한 고효율 고전력 밀도 장치는 섀시 실장, 기판 실장, DIN 레일 등 다양한 패키징 스타일로 제공됩니다. 위에서 살펴본 바와 같이 일부 기본적이고 올바른 설계 관행에 따라 이러한 장치의 개발 비용과 출시 시간을 크게 개선할 수 있습니다.

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