家電製品やIoTデバイスのIEC 60335電源要件を満たす方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-10-27
マルツ掲載日：2022-02-14
家庭内でのスマート家電やIoT接続デバイスの普及に伴い、新しい安全規格IEC 60335が発表されたことで、設計者には新たな電源の課題が生じています。近年発表されたこの規格では、AC/DC電源の絶縁電圧、沿面距離、クリアランス距離、およびリーク電流に関する厳しい要件が定められています。
数多くの要件を満たす小型でコスト効率の良いAC/DC電源を設計することは難しく、必要な試験や承認プロセスを経ることでコストが増え、市場投入までの時間が遅くなります。
さらに、多くの家庭用電化製品は、湿気や水のある環境で使用されることが予想されるため、設計上の課題があります。AC/DC電源回路には高電圧の電源レールが内蔵されているため、湿潤環境下での使用に適したパッケージングを設計することは困難です。
このような課題に対処しつつ厳しい納期と予算に対応するために、すでにIEC/EN/UL 62368-1認証を取得し、家庭用アプリケーションのIEC/EN/UL 61558/60335要件を満たすように設計された、カプセル封止されたAC/DC電源を使用することができます。
この記事では、IEC 60335-1の基礎的な要求事項を確認し、IEC 60335で要求されている複数の同時故障に対する試験のコンセプトを紹介し、IEC 60335のパート2について簡単に考察します。その上で、IEC 60335規格に準拠したスマート家電やIoT接続デバイス、さらには商用の情報処理装置(ITE)の設計をスピードアップするために、設計者が利用できるCUIのAC/DC電源をいくつか紹介していきます。
IEC 60335の基礎的な要求事項とは
IEC 60335は、「家庭用および類似の電気機器の安全性」について規定しており、電圧定格は単相で250Vまで、多相で480Vまでとなっています。IEC 60335-1には、すべての家庭用電化製品に求められる基礎的な要求事項が含まれています。
設計者が直面する課題の1つは、IEC 60335-1とそれ以前に制定されたITEの安全規格であるIEC 60950-1との違いを理解することです。最大リーク電流レベル、絶縁電圧、沿面・クリアランス距離については、相違点と類似点があります。
通常の動作では、グランド接続されていると、シャーシや保護アースの導体にリーク電流が流れます。なんらかの理由でグランド接続が切れた場合、リーク電流が機器を操作する人の体を介して流れ、危険な状態になる可能性があります。
IEC 60335-1では、ポータブル機器と据置型機器の2つのカテゴリを識別しています。IEC 60950-1には、ハンドヘルド、可動型、据置型の3つの機器カテゴリがあります。IEC 60335のポータブルデバイスは、IEC 60950-1のハンドヘルドデバイスと同様に、0.75mAのリーク電流に制限されています。可動型や据置型のデバイスは、IEC 60950-1では3.5mAのリーク電流に制限されており、これはIEC 60335-1で据置型デバイスに規定されているレベルと同じです。
また、絶縁電圧の要件は、2つの規格間で定義が異なります。必要な絶縁レベルは、回路内の場所(入力から出力、出力からグランド、入力からグランド)によって異なります。IEC 60950-1では、入力から出力の絶縁が3kVなど、固定値が示されているだけです。
IEC 60335-1では、動作電圧に応じて入出力間絶縁の要件が異なり、2.4kV+動作電圧の2.4倍と規定されています。出力からグランドの絶縁については、IEC 60335-1では要求されていませんが、IEC 60950-1では500Vの絶縁が規定されています。
また、沿面距離とクリアランス距離の取り方にも違いがあります。両規格とも、沿面距離・クリアランスの定義は動作電圧と絶縁タイプ(基礎または強化)に依存していますが、IEC 60950-1とIEC 60335-1を比較すると、要求事項が同じ場合、より厳格な場合、より軽い場合があります。
表面に沿った2つの導電性部品間の最短距離が沿面距離と定義されます(図1)。動作電圧が250～300Vの場合、IEC 60335-1ではより厳しく、強化型絶縁のために8.0mmの沿面距離を必要とし、IEC 60950-1では6.4mmの沿面を必要としています。動作電圧が200～250Vの場合、両規格とも5.0mmの沿面距離が必要です。
図1：沿面距離は、絶縁体の表面で測定されます。(画像提供：CUI)
空気を介した2つの導電性部品の間の距離をクリアランス距離といいます(図2)。IEC 60335-1のクリアランス要件はわずか3.5mmですが、IEC 60950-1ではさらに厳しく、強化型絶縁と150～300Vの動作電圧を考慮すると4.0mmが必要となります。
図2：クリアランス距離は、空気を介して測定されます。(画像提供：CUI)
また、IEC 60335では、機器がIEC 60529で定義されている侵入保護等級(IP定格)を満たすことも要求されています。IP定格は、その機器が使用される環境に基づいています。多くの家庭用電化製品は、湿気や水のある環境で安全に動作することが求められます。IEC 60529では、機器の分類に応じて必要な保護レベルを定めています。
基礎の先
現在のスマートホームを構成するスマート家電やIoT接続デバイスは、従来の家電よりもはるかに高機能です。これらの製品には、タッチスクリーンディスプレイ、ソフトウェアインターフェース、デジタル制御、無線または有線のインターネットプロトコル(IP)コネクティビティなどの機能が含まれています(図3)。
このような複雑さがあるため、IEC 60335では、1点の故障だけでなく、2つの故障が同時に発生する可能性もカバーしています。これは、単一の故障が発生した場合にのみ安全な動作を求める安全規格IEC 60950-1とは対照的です。
図3：スマート家電の例としては、高解像度のディスプレイとIPコネクティビティ機能を備えた冷蔵庫(左)や、液晶タッチスクリーンで操作できるトースタ(右)などが挙げられます。(画像提供：CUI)
IEC 60335-1では、2つのハードウェアの故障の組み合わせ、またはハードウェアとソフトウェアの故障の組み合わせを考慮しています。これらの試験は、なんらかのデジタル制御やモニタリングを含むことが多いパワーエレクトロニクスデバイスでは特に重要です。
多くの設計には、IEC 60335-1で「保護電子回路」(PEC)と呼ばれるものが含まれています。IEC 60335におけるPECの概念は、ハードウェアにとどまらず、故障検出ソフトウェアなどのさまざまなソフトウェア機能を含んでいます。
この規格では、基礎絶縁不良などの他の故障の後にPEC故障が発生した場合と、他の故障の前にPEC故障が発生した場合に、機器が安全な動作を維持することを要求しています。システムの安全を維持する必要があります。
多重故障の要件には、電磁両立性(EMC)の仕様も含まれています。IEC 60335では、PECを故障させた後にEMC試験を実施することが求められています。たとえば、AC入力のサージアレスタが切断されます。この試験には内部電源も含まれており、PECの故障に伴う電磁妨害(EMI)によって内部電源が安全でない動作状態に陥らないことを確認します。
IEC 60355では、PECの故障のような単一の故障条件下でEMIが印加されても、ファームウェアやソフトウェアの制御が安全に動作することを要求しています。この要件は、システム制御に加えて、個々のAC/DC電源、DC/DCコンバータ、およびデジタル制御のモータドライバにも適用されます。この要件を満たすためには、これらのデバイスをシステムでテストする必要があります。
IEC 60355のパート2
IEC 60950とは異なり、IEC 60335は2部に分かれています。パート2(IEC 60335-2)には、機器固有の要求事項が含まれており、トースタから空調システムまで、100種類以上の機器をカバーしています。設計者は、特定の機器の設計に適用されるパート2に精通している必要があります。規定されている場合は、パート2の要求事項がパート1の基礎的な要求事項に優先します。
米国と欧州では、パート1とパート2の扱いが異なります。米国のUL 60335-1はIEC 60335-1に整合していますが、UL規格はパート2の規格をすべて認めているわけではありません。欧州でIEC 60335-1に整合しているのはEN 60335-1です。これは、UL規格とは異なり、EN規格では特定の製品に対するパート2規格のほぼすべてを認めています。
60335を満たす設計
60335の要件を満たしながら電源部の設計を簡素化するために、スマート家電、IoT接続デバイス、商用ITEの設計者は、プリパッケージされたモジュールを使用することができます。
たとえば、CUIのカプセル封止AC/DC電源のPSKシリーズは、IEC/EN/UL 62368-1認証を取得しており、家庭用アプリケーションのIEC/EN/UL 61558/60335に適合するように設計されています。これらの電源は、最大90%の効率で2～60Wの電力レベルを提供し、基板実装、シャーシ実装、DINレールなど、さまざまな取り付けスタイルに対応しています(図4)。
図4：CUIのPSKシリーズ カプセル封止AC/DC電源には、基板(右下)、シャーシ(左下)、DINレール(上)の取り付けスタイルがあります。(画像提供：CUI)
PSKシリーズの電源の例は、以下のとおりです。
・PSK-10D-12-Tは、AC85～305VまたはDC100～430Vの広い入力範囲で動作し、DC12V(最大10W)出力をシャーシ実装パッケージで実現しています。
・PSK-S2C-24は、入力電圧範囲がAC85～305VまたはDC120～430Vで、最大出力がDC24Vで2Wとなる基板実装パッケージです。
・PSK-20D-12-DINは、DC12Vで20Wの出力を持ち、入力範囲はAC85～305VまたはDC100～430Vで、DINレールパッケージを採用しています。
PSKシリーズのAC/DC電源は、AC4kVの入出力間絶縁、広い入力電圧範囲、－40℃～+70℃の広い動作温度範囲(一部のモデルは＋85℃まで)を特徴としています。また、このシリーズの単一出力電圧はDC3.3、5、9、12、15、24Vとなっており、過電流保護、過電圧保護、連続短絡保護機能を備えています。
モジュールを使用する際には、いくつかの注意点があります。保護やフィルタリングのために、また電磁両立性(EMC)要件を満たすために、いくつかの外付け部品が必要です。これらの情報の多くは、付属のデータシートに記載されています。
たとえば、CUIのPSK-10D-12-Tアプリケーション設計リファレンスでは、2A/300Vのスローブローヒューズが、酸化金属バリスタ(MOV)とともに前もって用意されています(図5)。
図5：PSK-10D-12-Tのリファレンス設計で、入力保護と出力フィルタリングの部品配置(上)とそれぞれの値(下)を示しています。(画像提供：CUI)
出力フィルタリングには、高周波数用の電解コンデンサ(C2)とセラミックコンデンサ(C1)を使用しています。C2は等価直列抵抗(ESR)が低く、定格出力電圧に対して少なくとも20%のマージンがあることが重要です。負荷の直前に過渡電圧抑制(TVS)ダイオードを配置することで、万が一コンバータが故障した場合でも、下流の電子機器を保護することができます。
EMCに準拠するために、CUIはモジュールのAC入力の直前に6.8Ω、3Wの抵抗器(R1)を追加することを提案しています(図6)。
図6：EMC保護のため、図のようにAC入力ラインにR1を追加する必要があります。(画像提供：CUI)
まとめ
スマートホームデバイスやIoT接続デバイスが増え続ける中、設計者は安全規格IEC 60335の意味やIEC 60950との関係を理解する必要があります。この規格は、これらのアプリケーションのための電源の設計と適格性に直接影響し、特定の設計上の制約および幾重もの複雑さを生み出します。
これらの複雑な問題に対処するために、設計者はIEC 60335準拠のソリューションをサポートするカプセル封止されたAC/DC電源を利用することができます。この高効率・高電力密度のデバイスは、シャーシ実装、基板実装、DINレールなど、さまざまなパッケージングで提供されます。このように、基礎的な優れた設計プラクティスに従うことで、これらのデバイスの開発コストと市場投入までの時間を大幅に削減することができます。
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