Per soddisfare il nuovo dettame dello standard IEC/UL IEC-62368 sulla sicurezza dei prodotti consumer è indispensabile scegliere l'alimentatore giusto.

I progettisti di prodotti consumer devono rispettare una serie di requisiti che riguardano la sicurezza, numerosi obiettivi funzionali/prestazionali, oltre a obblighi di efficienza e relativi alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Queste esigenze normative sono complesse, ma un nuovo standard - lo standard di sicurezza IEC 62368-1 per la tecnologia dell'informazione e della comunicazione (ICT) e le apparecchiature audio/video (A/V) - aiuterà i progettisti a condizione che ne capiscano lo scopo e i requisiti.

Al momento della stesura del presente documento, due sono gli standard di uso comune che attualmente coprono queste aree: IEC 60950‑1, Information technology equipment – Safety e IEC 60065, Audio, video and similar electronic apparatus ‑ Safety requirements. Il 20 dicembre 2020 verranno entrambi ritirati e sostituiti da un unico standard: IEC 62368-1.

Il nuovo standard non si limita a eliminare le differenze e le sovrapposizioni tra le due classi di prodotti presenti negli standard precedenti. Trasforma la prospettiva della sicurezza da una valutazione "basata sull'incidente" in una valutazione "basata sul rischio", con un corrispondente spostamento dei requisiti per tenere conto delle tecnologie esistenti, ma senza limitare i progressi emergenti.

Questo articolo tratta del ruolo e dei punti salienti di IEC 62368-1 e del suo impatto sui progetti. Esamina quindi le funzioni e i sottosistemi - in particolare gli alimentatori - che svolgono un ruolo importante nel soddisfare il nuovo standard. Infine, presenta soluzioni di alimentazione elettrica di CUI Inc. che soddisfano i suoi dettami, così che gli ingegneri possano ottenere più facilmente l'approvazione dei prodotti e commercializzarli più rapidamente.

IEC 62368-1: perché e per quali prodotti

Solo pochi decenni fa esistevano differenze nette tra i prodotti A/V e l'Information Technology (IT), cioè i prodotti informatici. Di conseguenza, a ognuna di queste classi di prodotti tradizionali era associato un proprio standard di sicurezza. Tuttavia, i progressi e i cambiamenti che hanno interessato la tecnologia e i prodotti hanno confuso il confine tra questi due gruppi, che sono così andati sovrapponendosi sempre più. Si è reso pertanto necessario un nuovo standard di sicurezza comune che sostituisse quelli individuali.

La versione originale di IEC 62368-1 è stata concepita dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), uno dei più antichi enti normativi al mondo. A tale fine, IEC aveva istituito il Technical Committee (TC) 108, composto da esperti, accademici e funzionari governativi, che aveva il compito di sviluppare un nuovo standard che sostituisse quelli IEC 60065 e IEC 60950-1 piuttosto che limitarsi a rivedere e aggiornare ogni singolo standard (Figura 1). Lo standard risultante sviluppato da TC 108 è stato poi formalmente adottato da IEC ed è stato recepito da molti paesi e regioni, compresi gli Stati Uniti.

Figura 1: IEC 62368-1 è uno standard di sicurezza completamente nuovo, con un approccio innovativo che copre un'ampia gamma di prodotti di consumo e per l'ufficio, ma la sua storia e il suo contesto sono in costante evoluzione. (Immagine per gentile concessione di Power Systems Design)

Le numerose classi di prodotti coperte da IEC 62368-1 includono, tra l'altro, quanto segue:

• Prodotti informatici e per applicazioni di rete (server, PC, router, notebook/laptop, tablet e relativi alimentatori)
• Prodotti elettronici consumer (amplificatori, sistemi home theater, videocamere digitali e lettori musicali personali)
• Display e unità di visualizzazione (monitor, TV e proiettori digitali)
• Prodotti per le telecomunicazioni (attrezzature per infrastrutture di rete, telefoni cellulari e cordless e dispositivi di comunicazione simili, inclusi quelli alimentati a batteria)
• Attrezzature per ufficio (copiatrici e distruggidocumenti)
• Vari altri tipi di attrezzature audio/video, informatiche e per le comunicazioni usate in ambito domestico, negli istituti scolastici e in istituzioni e ambienti simili

IEC 62368-1 non è solo una semplice revisione che aggiorna e fonde i due standard precedenti. Utilizza un approccio basato sul rischio, formalmente chiamato Hazard-Based Safety Engineering (HBSE), per coprire le questioni di sicurezza relative sia alle apparecchiature elettroniche che alla tecnologia IT/delle comunicazioni. Invece di esaminare e definire descrizioni dettagliate dei requisiti di sicurezza, il nuovo approccio sottolinea i rischi che possono verificarsi e, allo stesso tempo, lascia ai produttori la libertà di decidere come progettare la protezione contro tali rischi. Pone quindi maggiormente l'accento sulla valutazione di un prodotto per la sicurezza durante la fase di sviluppo. IEC 62368-1 attinge ai principi HBSE e si caratterizza per le seguenti peculiarità:

• È più orientato alle prestazioni, ma consente anche (per ora) costruzioni accettate se in precedenza si sono rivelate sicure (ad esempio, in IEC 60065 e/o IEC 60950-1)
• È indipendente dalla tecnologia (entro limiti specifici) e consente una maggiore libertà di progettazione
• È applicabile a una gamma più ampia di prodotti elettronici esistenti, ma supporta anche l'introduzione di nuove tecnologie sul mercato globale.

Il 20 dicembre 2020, IEC/UL/CSA 60950‐1 e IEC/UL/CSA 60065 verranno formalmente ritirati. Dopo tale data, i produttori dovranno soddisfare la norma IEC/UL 62368 per garantire la conformità dei prodotti che desiderano commercializzare.

Tenere presente che esiste una disposizione importante ma temporanea che consente alle aziende di continuare a utilizzare il loro inventario di componenti 60950-1 o 60065 nei prodotti certificati 62368-1, applicando di fatto la clausola di anteriorità in determinate circostanze e aree geografiche. In particolare, la sottoclausola 4.1.1 afferma: "I componenti e i sottoassiemi che sono conformi a IEC 60950-1 o a IEC 60065 sono accettabili come parte di un'apparecchiatura coperta da questa norma senza ulteriori valutazioni se non per prendere in considerazione l'uso appropriato del componente o del sottoassieme nel prodotto finale". Per un alimentatore elencato, ad esempio, questa "considerazione" può limitarsi alla garanzia che il prodotto venga utilizzato solo entro i valori elettrici stabiliti.

HBSE: cosa significa

HBSE richiede che i produttori dimostrino di aver tenuto conto dei rischi noti e che il prodotto è stato progettato per essere utilizzato in modo sicuro nel contesto previsto. In altre parole, invece di dire semplicemente: "È necessario proteggere l'utente da questa situazione specifica, come un punto di alta tensione conosciuto che potrebbe essere esposto", si dice: "È necessario valutare i vari rischi e affrontarli in modo appropriato, sulla base di ogni tipo e livello di rischio".

I produttori non devono quindi solo dimostrare che le specifiche prescritte sono state rispettate. Tenere presente che non viene chiesta un'analisi dei rischi, a differenza di quanto continuano a pretendere altri standard ad esempio IEC 60601-1 - Medical electrical equipment - Part 1-2: General requirements for basic safety and essential performance - Collateral Standard: Electromagnetic disturbances - Requirements and tests.

HBSE stabilisce l'obiettivo di proteggere gli utenti delle apparecchiature richiedendo che i produttori individuino le fonti di energia potenzialmente pericolose e i meccanismi con cui tale energia potrebbe venire trasferita a un utente. Poi, devono proporre e attuare modalità adeguate per evitare che tali trasferimenti si verifichino, sia in condizioni di funzionamento normali che in condizioni di guasto. Le protezioni vengono messe in atto per proteggere da dolore o lesioni causate direttamente dall'energia elettrica (scossa elettrica) o da ustioni termiche e/o per prevenire incendi causati elettricamente che potrebbero provocare dolore, lesioni, morte o danni materiali. Infine, HBSE valuta anche l'efficacia delle protezioni.

Il modello HBSE comprende tre blocchi: fonte di energia, meccanismo di trasferimento e parte del corpo (Figura 2). La "soluzione" al rischio posto dalla fonte di energia come pericolo è espressa in modo simile a un modello a tre blocchi, ma con un sistema di salvaguardia al posto del meccanismo di trasferimento dell'energia.

Figura 2: La strategia di IEC 62368-1 è quella di identificare le fonti di energia pericolose e i possibili percorsi fino all'utente, e fornire poi delle protezioni contro quei percorsi e il flusso. (Immagine per gentile concessione di InComplianceMag.com)

IEC 62368-1 impone inoltre che il produttore prenda in considerazione i livelli di salvaguardia necessari riguardo ai diversi tipi di utenti e fonti di energia, con tre categorie per ciascuno di essi. I tre tipi di utenti sono "Esperto", "Formato" e "Normale". Le fonti di energia sono classificate secondo una tabella; nella Figura 3 viene mostrata una versione semplificata.

Figura 3: IEC 62368-1 riconosce tre classi di pericolo per le fonti di energia e definisce le eventuali protezioni per ognuna di esse. (Immagine per gentile concessione di CUI)

I gradi relativi al livello utente e alla fonte di energia si combinano in una matrice (Figura 4).

Figura 4: Per stabilire il livello e il tipo di protezione necessaria per ciascuna fonte di energia, lo standard IEC 62368-1 combina il rischio della fonte di energia con il livello di competenza ed esperienza dell'utente. (Immagine per gentile concessione di SGS SA)

Gli utenti sono a rischio decrescente via via che passano dal livello "normale" a quello "esperto", mentre le fonti di energia diventano più pericolose man mano che la loro classe sale, spostandosi da sinistra a destra. Pertanto, ai sensi dello standard, una persona comune che utilizza un prodotto di Classe 3 (Fonte di energia 3, o ES3) richiederebbe una protezione aggiuntiva o rinforzata, come un doppio isolamento o una schermatura speciale, mentre una persona esperta che utilizza un prodotto ES3 non richiederebbe lo stesso livello di protezione.

IEC 62368-1 usa un processo in quattro fasi:

• In primo luogo, identificare le fonti di energia
• In secondo luogo, caratterizzarle come Classe 1, 2 o 3
• In terzo luogo, individuare misure di protezione appropriate
• E, infine, misurare l'efficacia delle protezioni scelte.

Le protezioni sono suddivise in due gruppi - approcci e livelli - dove gli "approcci" specificano il metodo o i metodi di protezione, mentre i "livelli" caratterizzano la robustezza della protezione (Figura 5).

Figura 5: IEC 62368-1 identifica il livello idoneo di protezione richiesta e analizza poi gli approcci all'implementazione. (Immagine per gentile concessione di SGS SA)

Diamo prima di tutto uno sguardo all'energia

I livelli di energia, insieme a tensione e corrente, sono fondamentali per la conformità. Se il livello di energia è basso (ES1), non c'è da preoccuparsi. Tenere presente che i limiti specifici di corrente e tensione corrispondenti a ES1, ES2 ed ES3 variano e possono anche essere determinati dalla frequenza. Ad esempio, al di sotto di 1 kilohertz (kHz), il limite ES1 è di 30 V rms, 42,4 V di picco e 60 V c.c., mentre il limite ES2 è di 50 V rms, 70,7 V di picco e 120 V c.c.

A complicare la situazione, l'apparecchiatura deve rispettare il limite di tensione o di corrente specificato dalla classe energetica applicabile, ma non deve necessariamente rispettarli entrambi. Inoltre, i limiti definiti dagli standard variano anche a seconda del funzionamento normale o anomalo, o di una singola condizione di guasto. Esistono anche sottosezioni che specificano dettagliatamente i limiti per le forme d'onda pulsata e i loro tempi di spegnimento (Figura 6 e Figura 7).

Figura 6: Poiché gli incendi di derivazione elettrica sono causati da una combinazione di energia e tempo, lo standard IEC 62368-1 esamina la relazione tra questi due parametri chiave. (Immagine per gentile concessione di CUI)

Figura 7: Lo standard caratterizza anche i livelli di energia che possono causare un incendio di derivazione elettrica. (Immagine per gentile concessione di CUI)

Cosa dovrebbe fare un progettista?

I progettisti che pensano di capire il nuovo standard e quindi possono facilmente conformarvisi, rientrano in uno dei due gruppi seguenti:

1. Il gruppo di chi ha seguito corsi sugli standard, ha frequentato corsi di formazione, ha già lavorato con gli standard IEC esistenti ed è stato personalmente coinvolto nel processo di approvazione.
2. Il gruppo degli ingenui e/o irresponsabili. Questo perché lo standard presenta una serie complicata di requisiti talvolta poco chiari. Inoltre, identificare le opzioni di protezione comporta scegliere da un lungo elenco. Sapere quale usare dove e come non è né ovvio né banale.

Le possibilità di protezione da prendere in considerazione includono, ma non solo, la messa a terra di protezione (messa a terra effettiva), quadri elettrici, armadi resistenti al fuoco e isolamento. Esistono anche protezioni installate come il collegamento con una messa a terra esterna e protezioni a livello di istruzioni, compresa la marcatura di sicurezza. Infine, occorre progettare delle protezioni precauzionali per i casi in cui gli utenti "normali" sono istruiti da persone qualificate, e anche cosiddette protezioni "basate sulle competenze" che consentono di fare affidamento sulla capacità di un operatore qualificato di proteggersi dai rischi presentati dalle fonti di energia di Classe 2 e Classe 3.

Occupiamoci prima di tutto dell'alimentazione

La prima domanda che un progettista deve porsi è: qual è la fonte primaria di energia che mette questo progetto nell'area a rischio? Per molti dei prodotti coperti da questo standard, la risposta è ovvia: si tratta dell'alimentazione c.a. Per questo motivo, se si sceglie un'alimentazione conforme allo standard e poi la si distribuisce correttamente, gran parte del problema di conformità scompare e la sfida progettuale si riduce notevolmente.

Fortunatamente, fornitori come CUI stanno studiando e analizzando il nuovo standard in vista della scadenza di dicembre 2020 e stanno già offrendo una gamma di alimentatori in corrente alternata che superano i requisiti. Questi alimentatori vanno da unità di potenza relativamente bassa (sotto i 10 W), a unità di fascia media, fino ad alimentatori più grandi con potenze a tre cifre. Tre esempi illustrano la gamma e la capacità di questi alimentatori.

SWI6-9-N-P5 di CUI è un adattatore da 9 V, 6 W c.a./c.c. per montaggio a parete che fa parte di una famiglia di adattatori con uscite da 3,3 V a 15 V (Figura 8). Opera da 90 a 264 V c.a. ed è conforme al livello VI di efficienza del Department of Energy (DoE) con un assorbimento di potenza in assenza di carico inferiore a 0,1 W. Include protezione dalle sovracorrenti, protezione dalle sovratensioni e protezione dai cortocircuiti in un contenitore compatto del peso di 78 grammi e che misura 56 × 28 × 42 mm.

Figura 8: SWI6-9-N-P5 di CUI Inc. è un adattatore da 9 V, 6 W c.a./c.c. per montaggio a parete totalmente conforme a IEC 62368-1 per uso in esterno. (Immagine per gentile concessione di CUI)

Per tensioni e potenze nominali superiori, SMI18-24-V-P5 di CUI è un adattatore da 24 V, 18 W per montaggio a parete con adattatori per spina multi-lamelle, che fa parte della famiglia di unità tra 5 e 24 V (Figura 9). Questa unità soddisfa i livelli di efficienza DoE Livello VI, CoC Tier 2 con un assorbimento di potenza in assenza di carico inferiore a 0,075 W e una protezione simile a quella dell'unità da 6 W. Una caratteristica unica di questo alimentatore universale del peso di 170 grammi, di 75 × 35,8 × 65,6 mm è che viene fornito con lamelle c.a. intercambiabili per uso globale (Nord America, Europa, Regno Unito, Australia e Cina).

Figura 9: Adattatore SMI18-24-V-P5 da 24 V, 18 W per montaggio a parete conforme a IEC 62368-1 corredato di una serie di adattatori per spina multi-lamelle, che ne consentono l'uso in tutto il mondo. (Immagine per gentile concessione di CUI)

Ovviamente, molte applicazioni hanno bisogno di potenze nominali ancora più elevate, come quelle offerte dall'adattatore da banco c.a./c.c. SDI120-12-U-P51 di CUI. Ha una capacità nominale di 12 V, 120 W e fa parte di una famiglia da 12 a 48 V con questa potenza nominale (Figura 10). L'alimentatore classificato IEC 62368-1 è conforme al livello di efficienza DoE Livello VI (il suo assorbimento di potenza in assenza di carico a 230 V c.a. è di 0,21 W) e ha un fattore di potenza superiore a 0,9. Pesa 580 grammi e misura 168,1 × 65,9 × 39 mm; è dotato di un cavo c.a. ma può essere ordinato con un cavo con lamelle e una configurazione idonea per l'uscita in c.a. locale.

Figura 10: Per le situazioni di potenza superiore in cui un adattatore per il montaggio a parete non è appropriato o auspicabile, è disponibile l'adattatore c.a./c.c. da banco esterno SDI120-12-U-P51; il cavo di alimentazione c.a. appropriato viene scelto separatamente. (Immagine per gentile concessione di CUI)

Conclusione

Lo standard IEC/UL IEC-62368-1 per prodotti consumer e correlati entra in vigore a una data specifica di dicembre 2020. È uno standard complesso e molto diverso dagli standard precedenti; utilizza infatti un approccio basato sui rischi che valuta i potenziali problemi di sicurezza e la relativa protezione. Il compito del team di progettazione risulta molto più semplice e il rischio di non approvazione del prodotto finale è ridotto al minimo scegliendo un alimentatore c.a./c.c. che supera i requisiti di questo standard.

Riferimenti CUI

1. "IEC 62368-1: Presentazione del nuovo standard di sicurezza per le apparecchiature ICT e AV"
2. "Le ultime notizie su IEC 62368-1: Più tempo per adeguarsi, ma scadenza più impegnativa"