如何设计符合新的 IEC 62368-1 AV/ICT 标准的保护电路

随着时间的推移，视听 (AV) 与信息和通信技术 (ICT) 之间的界限变得越来越模糊，例如智能电视等家用多媒体产品。此外，工程师们在进行电气产品设计的保护时，已经转向了基于危险的安全工程法 (HBSE) 。在这些趋势的冲击下，针对此类设备的安装、维护和使用人员保护的标准已经过时，受到同样冲击的还有大量用于确保 AV 和 ICT 产品合规所需的工程硬件。

IEC 预测到这种情况，制定了单一新标准，即 IEC 62368-1（信息和通信技术设备 - 第一部分：安全要求）。该标准取代了之前的两个标准（IEC 60950-1 和 IEC 60065），涵盖 ICT 和 AV 设备，以及诸如物联网 (IoT) 设备和电池供电型电子电器等运行电压可达 600 V 的产品。该标准于 2020 年 12 月实施，采用了 HBSE 法。

本文将介绍 IEC 62368-1 标准，并说明虽然该标准看起来比以前的独立标准更复杂，但实际上简化了问题，可实现更高的安全水平和设计灵活性。本文还将介绍和描述 Littelfuse 的市售电气保护产品的使用情况，这些产品有助于更轻松地设计产品和子系统，以满足 IEC 62368-1 中涵盖的每个类别的过压和浪涌要求。

什么是 IEC 62368-1 标准？

采用 IEC 62368-1 标准是为了取代旧标准，新标准规定了额定电压不超过 600 V 的电气和电子 ICT、AV 和物联网设备的电路安全保护（图 1）。该标准旨在保护安装、维护和使用此类设备的人员，也反映了工程师们现在针对安全工程采用的 HBSE 方法。HBSE 取代了之前的规范性工程方法，前者考虑的是产品可能面临的各种危险，而后者则是规定了一套保护电路应遵守的规则。这样的结果是催生了安全电路，即使产品在遭受已确定的某个危险时发生了故障，这种电路也能保护用户的安全。

图 1：IEC 62368-1 取代了旧的 IEC 60951-1 和 IEC 60065 安全标准，内容涵盖 ICT、AV 以及诸如物联网和电池供电型电子设备等其他产品。（图片来源：Littelfuse）

IEC 62368-1 不仅适用于最终用户的产品，而且也适用于组成该产品的部件和子系统（如电源）。在一个未指定的期限内，新标准暂时允许重复使用符合旧标准的设计和子组件。预计工程师们将针对北美、英国、日本和澳大利亚/新西兰等主要市场采用新标准。

针对人员的电路保护

工程师们采用 HBSE 方法才能符合 IEC 62383-1 标准要求。这意味着：

• 识别产品使用的能量源 (ES)
• 测量能量源产生的能量等级
• 判定能量源的能量是否有危险
• 对危险程度进行分类
• 识别危险是否会造成伤害或火灾
• 确定适当的保障计划，以做到：
  • 保护人员免受分类危险带来的痛苦和伤害
  • 降低因设备内部故障引起的火灾而造成的伤害或财产损失的可能性
• 衡量所用保障措施的有效性

该标准详细规定了三类 ES。1 类 ES (ES1) 在正常、异常或单故障条件下，仍处于 1 类限值之下。存在的能量可由人员检测到，但不会有疼痛感，也不足以引起燃烧。不需要任何保障措施来保护普通用户免受 1 类 ES 的影响。

2 级 ES (ES2) 能量等级超过 1 类限值，但在产品正常、异常或单故障运行条件下，仍低于 2 类限值。存在的能量可能足以引起疼痛，但不太可能造成伤害。在某些情况下，所存在的能量可能足以导致燃烧。至少需要一项保障措施来保护普通用户免受 2 类能量源的影响。

3 类 ES (ES3) 最危险。其能量在正常、异常或单故障条件下都超过了 2 类的最大限值，可能会造成伤害或引起燃烧并蔓延。ES3 造成的伤害类型可能扩展到颤抖、心脏/呼吸停止或皮肤和/或内部器官烧伤。为了保护普通用户不受 ES3 危害的影响，需要采取双重或强化保障措施。

新标准特别规定了不同的产品类型、不同使用场所条件下，不同类别的过电压耐受阈值和浪涌保护要求。

设计者必须了解，适用于 ES1、ES2 和 ES3 的实际电流和电压限值是不同的。例如，电源工作频率会影响电压的限值要求。对于工作频率低于 1 千赫兹 (kHz) 的电源提供的电压，ES1 的限值是 30 V_rms、42.4 V_峰值 和 60 VDC。ES2 的限值是 50 V_rms，70.7 V_峰值、120 VDC。

设备必须符合适用能量源等级中规定的电压限值或电流限值，但不必同时符合。限值也会根据正常或异常运行或单故障情况而变化。新标准的第 5 条详细介绍了这些限值。还有一些子条款，涵盖了诸如根据关闭时间确定的脉冲波形的限值。

设备的电路保护

虽然人员保护是任何设备制造商的首要关注点，但保护最终产品免受电压和电流尖峰的损害也不能忽略。IEC 62368-1 标准以两个旧标准为基础制定，规定了设备的最低耐受等级，以确保其可以抵御瞬态过电压和过电流。

该标准为电表居民侧的设备定义了“三类过电压”（I 类、II 类和 III 类）。电表配电侧的设备被划分为 IV 类过电压设备。

具体来说，I 类适用于未连接电源的设备（如电池供电型便携设备），而 II 类适用于连接到建筑线路的可插拔 ICT 和 AV 设备。III 类适用于构成建筑基础设施一部分的系统，如配电盘、断路器、电线、接线盒、开关、插座和工业设备。

II 类设备通常包括基于 120 V 或 230 V AC 电源的设备设计，或适用于诸如 100 V 至 250 V 等范围的 AC 电源。新标准规定，此类设备必须具有最低的瞬态峰值电压耐受水平，采用 120 V AC 电源时为 1.5 kV，采用 230 V AC 电源时为 2.5 kV（图 2）。

图 2：IEC 62368-1 规定了不同的过电压类别，具体取决于最终产品的使用地点。I、II、III 类适用于电表居民侧产品，而 IV 类则适用于配电侧产品。（图片来源：Littelfuse）

电路设计符合 IEC 62368-1 标准的浪涌保护要求

实际上，设计符合新标准规定的过电压和过电流事件保护要求的电路并不太困难。关键是通过提供一个替代传导路径，将瞬态尖峰从敏感设备转移。根据电源是否使用差分模式，或差分和共模方案，推荐两种技术（图 3A 和 3B）。

图 3：IEC 62368-1 标准 II 类瞬态电压和电流保护包括差分模式（A，上），或差分和共模方案（B，下）。（图片来源：Littelfuse）

在差分模式方案 (3A) 中，通过保险丝 (I) 实现保护，以防过流，同时还有一个热保护金属氧化物变阻器 (TMOV) (II)。TMOV 由两个元件组成，一个是热激活器件，用于在异常过电压导致的过热情况下断开，另一个是 MOV。正常工作情况下，MOV 的电阻非常高，允许正常的工作电流通过电路。在较高的电压下，如瞬时尖峰，MOV 表现出低电阻，使电流无法流向最终产品。

差分和共模方案也利用了熔断器和 TMOV 横跨火线和中性线，但增加了两个 MOV 和一个气体放电管 (GDT)。如图 3B 所示，MOV 被加在火线和地线，以及中性线和地线之间，并与 GDT 串联。在正常运行情况下，GDT 的特点是高绝缘电阻以及低电容、低泄露。然而，当暴露在高电压瞬态下时，封闭的气体会变成等离子体，将电压从最终产品中向外耗散。

虽然推荐使用 TMOV 选项（因为它具有热保护、低能量泄放和钳位电压的特点），但在符合标准的前提下，也可以考虑其他形式的差分模式保护方案。这方面的例子包括 MOV、保护晶闸管加 MOV（特别适用于调制解调器等产品）或 TVS 二极管。对于共模保护，MOV 加 GDT 保护是唯一允许的解决方案。

对工程师来说，在部件选择期间事情会变得有点棘手。器件必须满足 IEC 62368-1 规定的保护条件，以使最终产品符合该标准。

保险丝 (I) 用于防止在过流事件中损坏敏感电路（并帮助最终产品通过故障测试）。在考虑熔断器时，设计者需要考虑这样一个部件：

• 避免误跳闸
  • 例如，熔断器不能在正常工作或者浪涌脉测试期间断开。
• 具有高于系统正常工作电压的额定电压
• 安全地中断最大故障电流
• 满足安装空间要求
• 符合所需的第三方认证（如 IEC 和 UL 认证）。

8 A 0215008.MRET1SPP 或 12 A 0215012.MRET1P 器件是 240 VAC II 类产品的良好选择 ，这两款产品均属于 Littelfuse 的 215 系列。215 系列是一种浪涌承受能力强的 20×5 mm 延迟型陶瓷体盒式保险丝，其设计符合 IEC 规范，可用于为部件或内部电路提供单独保护。

在这种应用中，保险丝必须满足一个关键要求，即其额定分断电流必须达到或超过被保护电路的最大故障电流。否则，设备将无法正常工作，而且在保险丝应该断开时，存在破坏性电流仍流经电路的风险。215 系列保险丝在 250 VAC 时具有 1.5 V 的高额定分断电压。

当选择 TMOV (II) 时（如 3A 和 3 B 的电路所示），设计者应考虑以下准则。

• TMOV 应符合变阻器部件标准，如 IEC 61051-1 或 IEC 61643-331 标准
• 最大连续工作电压 (MCOV) 大于等于设备额定电压的 1.25 倍
  • 例如，对于一个 240 VAC 电源，部件的 MCOV 必须至少为 300 V。
• TMOV 应能承受多次冲击（如 IEC 61051-2 的第 2.3.6 条或 IEC 61643-331 的第 8.1.1 的规定）。
  • 例如，对于 240 VAC 电源，TMOV 应能承受 10 个 1.2/50 微秒 (μs) 电压和 8/20μs 电流的 2.5 kV/1.25 kA 组合波脉冲。
• 该部件必须通过标准的压敏电阻器过载测试
  • 例如，对于 240 VAC 电源，测试时应施加 2 倍额定电压 (480V)，其串联电阻 (R) 为 3.84 kΩ（对于随后的测试，取 R 值的一半直到电路断开）（图 4）。

图 4：过载测试原理图。保护部件必须承受 2 倍额定电压的过载，并采用将 R1 值逐次减半的方式进行重复测试，直到电路断开。（图片来源：Littelfuse）

Littelfuse 的 TMOV14RP300EL2T7 是这种应用很好的候选器件。该器件的 MCOV 为 300 V（满足 240 VAC 电源的部件标准要求），直径为 14 mm，足够大的尺寸使其满足承受多次脉冲冲击的要求。此外，由于 TMOV14RP300EL2T7 具有有热保护功能，因此其 300 V MCOV 足以通过压敏电阻过载测试。为了增加安全系数，非热保护型 MOV 的 MCOV 应达到 420 V 或更高。TMOV 可以承受高达 6 kA 的单事件峰值浪涌电流 (<20 µs)。图 5 说明了针对重复浪涌和浪涌持续时间的浪涌能力。

图 5：Littelfuse 的 14 mm MOV 的重复浪涌能力 。该器件可以承受高达 6 kA 的单事件峰值浪涌电流 (<20 µs)。（图片来源：Littelfuse）

共模保护的 MOV 和 GDT 要求也是由 IEC 61051-1 或 IEC 61643-331 部件标准的规定。遵守该标准可使得由符合标准的部件构成的子部件也满足 IEC 62368-1 标准的要求。在这种情况下，MOV 需要满足与上述 TMOV 相同的 MCOV 和浪涌要求，但由于这两个器件与 GDT 一起使用，过载测试在组合保护电路上进行，而不是单独的 MOV。

Littelfuse 的 V10E300P MOV 符合这一要求。该部件的 MCOV 为 300 V，直径为 10 mm，使其足够坚固，能满足标准的多次脉冲冲击。该部件可以承受高达 3.5 kA 的峰值浪涌电流。为了符合标准要求，GDT 必须通过 2.5 kV 耐压电气强度测试，并满足间隙和爬电的要求。

Littelfuse 的 CG33.0LTR GDT 可用于这种应用。这是一个双电极的高压器件，用于浪涌保护和高隔离应用。该 GDT 在 100 V 时的绝缘电阻为 10 千兆欧 (GΩ)，电容小于 <1.5 皮法拉 (pf)。其击穿电压为 4.6 kV，可承受 10 kA 最大冲击电流。

两个 V10E300P MOV 和一个 CG33.0LTR GDT 组合后，能够满足上文描述 TMOV 保护电路时介绍的过载测试要求。

结论

IEC 62368-1 为工作电压低于 600 V 产品的电路保护引入了统一标准，而以前 ICT 和 AV 适用的标准是分开的。该标准正式确定了旧标准未涵盖产品的电路保护，如物联网和电池供电型设备。尽管熟悉旧标准的工程师需要改变他们的设计方法，但 IEEE 62368-1 简化了电路保护设计，实现了更高的安全水平和设计灵活性。此外，Littelfuse 等保护部件制造商还提供器件和建议，简化了符合新标准的电路设计。