Concevoir des circuits de protection conformes à la nouvelle norme AV/TIC CEI 62368-1

Par Steven Keeping

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Au fil du temps, les frontières entre l'audiovisuel (AV) et les technologies de l'information et de la communication (TIC) sont devenues de plus en plus floues (les produits multimédias domestiques tels que les téléviseurs intelligents en sont un exemple). De plus, les ingénieurs ont adopté une approche d'ingénierie de la sécurité basée sur les risques (HBSE) lors de la conception de systèmes de protection pour les produits électriques. Ces tendances ont eu un impact sur les normes conçues pour protéger les personnes qui installent, entretiennent et utilisent ces équipements, les rendant obsolètes, tout comme une grande partie du matériel d'ingénierie utilisé pour garantir la conformité des produits AV et TIC.

Anticipant cette éventualité, la CEI a développé une nouvelle norme unique, CEI 62368-1 (Équipements des technologies de l'audio/vidéo, de l'information et de la communication - Partie 1 : Exigences de sécurité). Cette nouvelle norme remplace deux anciennes normes (CEI 60950-1 et CEI 60065) par une seule qui couvre à la fois les équipements TIC et AV, ainsi que des produits tels que les dispositifs Internet des objets (IoT) et les appareils électroniques alimentés par batterie, fonctionnant jusqu'à 600 volts (V). La norme a été mise en œuvre en décembre 2020 et adopte une approche HBSE.

Cet article présente la norme CEI 62368-1 et montre que, même si elle peut sembler plus complexe que les normes distinctes précédentes, elle simplifie les choses et permet des niveaux de sécurité et de flexibilité de conception plus élevés. L'article présente et décrit également l'utilisation des produits de protection électrique de Littelfuse disponibles dans le commerce, qui peuvent être utilisés pour faciliter la conception de produits et de sous-systèmes répondant aux exigences de surtension et de transitoires pour chaque catégorie couverte par la norme CEI 62368-1.

Présentation de la norme CEI 62368-1

La norme CEI 62368-1 a été adoptée pour remplacer les anciennes normes par une seule qui définit la protection des circuits pour la sécurité des équipements TIC, AV et IoT électriques et électroniques dont la tension nominale ne dépasse pas 600 V (Figure 1). Conçue pour protéger les personnes qui installent, entretiennent et utilisent ces équipements, la norme reflète également l'approche HBSE que les ingénieurs adoptent désormais en matière d'ingénierie de la sécurité. L'ingénierie HBSE remplace l'ancienne approche technique prescriptive — qui définissait un ensemble de règles auxquelles les circuits de protection devaient se conformer — par une approche qui tient compte des dangers auxquels un produit est susceptible d'être exposé. Il en résulte des circuits de sécurité qui protègent l'utilisateur même si le produit tombe en panne lorsqu'il est soumis à l'un des dangers identifiés.

Schéma de la norme CEI 62368-1 qui remplace les anciennes normes de sécurité CEI 60951-1 et CEI 60065 (cliquez pour agrandir)Figure 1 : La norme CEI 62368-1 remplace les anciennes normes de sécurité CEI 60951-1 et CEI 60065 par une norme qui couvre les produits TIC, AV et autres, tels que les dispositifs électroniques alimentés par batterie et IoT. (Source de l'image : Littelfuse)

La norme CEI 62368-1 s'applique non seulement au produit de l'utilisateur final mais également aux composants et sous-systèmes (tels que les alimentations) dont il est constitué. Pour une période non spécifiée, la nouvelle norme autorise temporairement la réutilisation des conceptions et des sous-assemblages qui étaient conformes aux anciennes normes. Les ingénieurs devraient adopter la nouvelle norme pour les marchés clés tels que l'Amérique du Nord, le Royaume-Uni, le Japon et l'Australie/la Nouvelle-Zélande.

Protection des circuits pour les personnes

La conformité à la norme CEI 62383-1 exige que l'ingénieur emploie une méthodologie HBSE. Cela implique :

  • Identifier les sources d'énergie (ES) utilisées par le produit
  • Mesurer les niveaux d'énergie produits par ces sources
  • Déterminer si l'énergie provenant des sources est dangereuse
  • Classifier le niveau de danger
  • Identifier si le danger peut causer des blessures ou un incendie
  • Déterminer les plans de sauvegarde appropriés pour :
    • Protéger les personnes contre les blessures causées par les dangers classifiés
    • Réduire la probabilité de blessures ou de dommages matériels dus à un incendie causé par une défaillance de l'équipement
  • Mesurer l'efficacité de ces mesures de protection

La norme détaille trois classes de sources d'énergie. Une source d'énergie de classe 1 (ES1) reste dans les limites de la classe 1 dans des conditions normales de fonctionnement, dans des conditions anormales ou en présence d'un défaut unique. L'énergie présente pourrait être détectée par une personne mais ne serait pas douloureuse et serait insuffisante pour provoquer une inflammation. Aucune mesure de protection n'est requise pour protéger les utilisateurs ordinaires contre les sources d'énergie de classe 1.

Les niveaux d'énergie de classe 2 (ES2) dépassent les limites de la classe 1 mais restent inférieurs aux limites de la classe 2 dans des conditions normales de fonctionnement, dans des conditions anormales ou en présence d'un défaut unique. L'énergie présente peut être suffisante pour provoquer une douleur mais il est peu probable qu'elle provoque une blessure. L'énergie présente pourrait être suffisante pour provoquer une inflammation dans certaines conditions. Au moins une mesure de protection est requise pour protéger les utilisateurs ordinaires contre les sources d'énergie de classe 2.

La source d'énergie de classe 3 (ES3) est la plus dangereuse. Son énergie dépasse la limite maximum de la classe 2 dans des conditions normales de fonctionnement, dans des conditions anormales ou en présence d'un défaut unique, et peut provoquer des blessures, ou l'inflammation et la propagation d'un incendie. Le type de blessure causé par une ES3 peut aller jusqu'à la fibrillation, l'arrêt cardiaque/respiratoire ou des brûlures de la peau et/ou des organes internes. Une protection double ou renforcée est requise pour protéger les utilisateurs ordinaires contre un événement ES3.

Plus précisément, la nouvelle norme détermine les seuils de résistance aux surtensions et les exigences en matière de protection contre les transitoires pour les différentes catégories, couvrant différents types de produits et les lieux où ils sont utilisés.

Il est important pour le concepteur de comprendre que les limites réelles de courant et de tension applicables à ES1, ES2 et ES3 varient. Par exemple, les exigences de limite de tension sont influencées par la fréquence de fonctionnement de l'alimentation. Pour les tensions provenant d'une alimentation fonctionnant en dessous de 1 kilohertz (kHz), la limite ES1 est de 30 Vrms, 42,4 Vpk et 60 VCC. La limite ES2 est de 50 Vrms, 70,7 Vpk et 120 VCC.

L'équipement doit respecter la limite de tension ou la limite de courant spécifiée dans la classe d'énergie applicable, mais n'a pas à respecter les deux. Les limites varient également en fonction d'un fonctionnement normal ou anormal, ou d'une condition de défaut unique. Ces limites sont détaillées dans la clause 5 de la norme. Il existe également des sous-clauses, qui couvrent des aspects tels que les limites des formes d'onde d'impulsion, en fonction du temps d'arrêt.

Protection des circuits pour les équipements

Si la protection des personnes est la première préoccupation de tout fabricant d'équipement, la protection du produit final contre les dommages causés par les pointes de tension et de courant est également une considération majeure. La norme CEI 62368-1 s'appuie sur les deux normes précédentes et spécifie les valeurs de tenue minimum des équipements pour garantir l'immunité contre les surintensités et les surtensions transitoires.

La norme définit trois catégories de surtension (I, II et III) pour les équipements situés du côté domestique du compteur électrique. L'équipement du côté distribution du compteur est en catégorie de surtension IV.

Plus précisément, la catégorie I concerne les équipements non connectés au secteur (tels que les appareils portables alimentés par batterie), tandis que la catégorie II concerne les équipements TIC et AV enfichables connectés au câblage du bâtiment. La catégorie III concerne les systèmes faisant partie de l'infrastructure des bâtiments tels que les tableaux de distribution, les disjoncteurs, le câblage, les boîtes de jonction, les commutateurs, les prises de courant et les équipements pour l'industrie.

La catégorie II couvre généralement les conceptions d'équipement basées sur secteur de 120 VCA ou 230 VCA, ou pour une plage comme les alimentations de 100 VCA à 250 VCA. La norme définit que de tels équipements doivent afficher des niveaux minimum de résistance aux tensions transitoires de crête de 1,5 kilovolt (kV) pour une alimentation de 120 VCA, et de 2,5 kV pour une alimentation de 230 VCA (Figure 2).

Schéma de la norme CEI 62368-1 spécifiant les différentes catégories de surtensionFigure 2 : La norme CEI 62368-1 spécifie différentes catégories de surtension en fonction de l'utilisation prévue du produit final. Les catégories I, II et III concernent les produits utilisés du côté domestique du compteur électrique, tandis que la catégorie IV couvre les produits utilisés du côté distribution. (Source de l'image : Littelfuse)

Conception de circuit pour répondre aux exigences CEI 62368-1 en matière de protection contre les transitoires

Il n'est pas très difficile de concevoir des circuits conformes aux exigences de la norme pour la protection contre les surintensités et les surtensions transitoires. La clé est de détourner le pic transitoire de l'équipement sensible en fournissant un chemin de conduction alternatif. Il existe deux techniques recommandées selon que l'alimentation utilise un schéma de mode différentiel ou de mode différentiel et commun (Figure 3A/B).

Schéma de la protection contre les courants et les tensions transitoires pour la catégorie II de la norme CEI 62368-1Figure 3 : La protection contre les courants et les tensions transitoires pour la catégorie II de la norme CEI 62368-1 comprend des schémas de mode différentiel (A, haut) ou de mode différentiel et commun (B, bas). (Source de l'image : Littelfuse)

Dans le schéma de mode différentiel (3A), la protection est assurée par un fusible (I) pour protéger contre les événements de surintensité, avec une varistance à oxyde métallique thermiquement protégée (TMOV) (II). La varistance TMOV est composée de deux éléments, un dispositif à activation thermique conçu pour s'ouvrir en cas de surchauffe due à une surtension anormale, et une varistance à oxyde métallique (MOV). En fonctionnement normal, la varistance MOV a une résistance très élevée, permettant aux tensions de fonctionnement normales de circuler dans le circuit. À plus hautes tensions, comme une pointe transitoire, la varistance MOV présente une faible résistance, empêchant le courant de circuler jusqu'au produit final.

Le schéma de mode différentiel et commun utilise également le fusible et la varistance TMOV sur les lignes de phase et de neutre, mais ajoute deux varistances MOV supplémentaires et un tube à décharge gazeuse (GDT). Comme illustré dans la figure 3B, les varistances MOV sont ajoutées sur la ligne de phase et la ligne de terre, et sur la ligne de neutre et la ligne de terre, en série avec le GDT. En fonctionnement normal, les GDT présentent une résistance d'isolement élevée ainsi qu'une basse capacité et de faibles fuites. Cependant, lorsqu'il est exposé à des transitoires haute tension, le gaz enfermé se transforme en plasma et dissipe la tension loin du produit final.

Bien que l'option TMOV soit recommandée (parce qu'elle offre une protection thermique, une faible énergie passante et une faible tension de blocage), d'autres formes de protection de mode différentiel peuvent être envisagées tout en restant conformes à la norme. Les exemples incluent une varistance MOV, un thyristor de protection plus une varistance MOV (en particulier pour les produits tels que les modems) ou une diode TVS. Pour la protection de mode commun, les varistances MOV plus la protection GDT sont la seule solution autorisée.

C'est lors de la sélection des composants que les choses se compliquent un peu pour l'ingénieur. Les dispositifs doivent répondre aux critères de protection définis dans la norme CEI 62368-1 pour que le produit final soit conforme à la norme.

Le fusible (I) est utilisé pour éviter d'endommager les circuits sensibles en cas d'événements de surintensité (et pour aider le produit final à réussir les tests de défaillance). Lors du choix du fusible, le concepteur doit se tourner vers un composant qui :

  • Évite les déclenchements intempestifs
    • Par exemple, il ne doit pas s'ouvrir pendant le fonctionnement normal ni s'ouvrir pendant les tests d'impulsions transitoires
  • A une tension nominale supérieure à celle de la tension de fonctionnement normale du système
  • Interrompt en toute sécurité le courant de défaut maximum
  • S'adapte à l'espace disponible
  • Répond aux certifications tierces requises (par exemple, CEI et UL)

Le 0215008.MRET1SPP, un dispositif de 8 ampères (A) et le 0215012.MRET1P, un modèle de 12 A, tous les deux appartenant à la série 215 de Littelfuse, constituent de bonnes options pour un produit de catégorie II de 240 VCA. La série 215 présente des fusibles à cartouche à action retardée, à corps en céramique de 20 millimètres (mm) par 5 mm, résistants aux transitoires, conçus pour être conformes aux spécifications CEI tout en fournissant une protection individuelle pour les composants ou les circuits internes.

Une exigence clé pour un fusible dans cette application est que son pouvoir de coupure nominal doit être égal ou supérieur au courant de défaut maximum du circuit. Sinon, le dispositif ne fonctionnera pas correctement et il y a un risque qu'un courant dommageable continue à circuler dans le circuit alors que le fusible aurait dû s'ouvrir. Les fusibles de la série 215 ont un pouvoir de coupure nominal élevé de 1,5 kV à 250 VCA.

Lors de la sélection de la varistance TMOV (II) (illustrée dans les circuits des Figures 3A et B), le concepteur doit tenir compte des directives suivantes :

  • La varistance TMOV doit être conforme à une norme de composant de varistance telle que CEI 61051-1 ou CEI 61643-331
  • La tension de service en régime permanent maximum (MCOV) est ≥ 1,25 x la tension nominale de l'équipement
    • Par exemple, pour une alimentation de 240 VCA, la tension MCOV du composant doit être au minimum de 300 V
  • La varistance TMOV doit résister à des impulsions multiples (comme défini par le point 2.3.6 de la norme CEI 61051-2 ou le point 8.1.1 de la norme CEI 61643-331)
    • Par exemple, pour une alimentation de 240 VCA, la varistance TMOV doit résister à 10 impulsions de 2,5 kV/1,25 kiloampères (kA) d'onde combinée de 1,2/50 microsecondes (μs) de tension et de 8/20 μs de courant
  • Le composant doit réussir le test de surcharge de varistance de la norme
    • Par exemple, pour une alimentation de 240 VCA, les tests doivent appliquer 2 fois la tension nominale (480 V) avec une résistance en série (R) de 3,84 kilohms (kΩ) (pour les tests suivants, la valeur de R est divisée par deux jusqu'à ce que le circuit s'ouvre) (Figure 4)).

Schéma du test de surchargeFigure 4 : Schéma du test de surcharge. Le composant de protection doit être soumis à une surcharge de 2 fois la tension nominale, et le test doit être répété avec des valeurs de R1 divisées par deux jusqu'à ce que le circuit s'ouvre. (Source de l'image : Littelfuse)

Le dispositif TMOV14RP300EL2T7 de Littelfuse est un bon candidat pour cette application. Le dispositif a une tension MCOV de 300 V (répondant à l'exigence de norme de composant pour une alimentation de 240 VCA) avec un diamètre de 14 mm, une taille de corps suffisante pour répondre à l'exigence d'impulsions multiples. De plus, comme le TMOV14RP300EL2T7 est thermiquement protégé, sa tension MCOV de 300 V est suffisante pour réussir le test de surcharge de varistance. Pour un facteur de sécurité supplémentaire, une varistance MOV non protégée thermiquement doit avoir une tension MCOV de 420 V ou plus. La varistance TMOV peut supporter un courant de surcharge de crête unique (< 20 µs) jusqu'à 6 kA. La Figure 5 illustre la capacité de surcharge pour des transitoires répétés et la durée des transitoires.

Graphique de la capacité de transitoires répétitifs pour la varistance MOV de 14 mm de LittelfuseFigure 5 : Capacité de transitoires répétitifs pour la varistance MOV de 14 mm de Littelfuse. Le dispositif peut résister à un courant de surcharge de crête unique (< 20 µs) jusqu'à 6 kA. (Source de l'image : Littelfuse)

Les exigences relatives aux varistances MOV et aux GDT utilisés pour la protection de mode commun sont également dictées par la norme de composant CEI 61051-1 ou CEI 61643-331. Le respect de cette norme permet aux sous-assemblages construits à partir de composants conformes d'être à leur tour conformes à la norme CEI 62368-1. Dans ce cas, la varistance MOV doit répondre aux mêmes exigences de tension MCOV et de transitoires que celles indiquées pour la varistance TMOV ci-dessus, mais comme les deux dispositifs sont utilisés conjointement avec un GDT, les tests de surcharge sont effectués sur le circuit de protection combiné plutôt que sur la varistance MOV seule.

La varistance MOV V10E300P de Littelfuse répond à ces exigences. Ce composant a une tension MCOV de 300 V et un diamètre de 10 mm, ce qui le rend suffisamment robuste pour répondre à l'exigence d'impulsions multiples de la norme. Il peut supporter un courant de surcharge de crête jusqu'à 3,5 kA. Pour répondre aux exigences de la norme, le GDT doit réussir un test de rigidité diélectrique de 2,5 kV de tension de tenue, et respecter la conformité en matière de dégagement et de fuite en surface.

Le GDT CG33.0LTR de Littelfuse est une option pour cette application. Il s'agit d'un dispositif haute tension à deux électrodes, conçu pour les applications à isolement élevé et la protection contre les transitoires. Le GDT a une résistance d'isolement de 10 gigaohms (GΩ) à 100 V, et une capacité < 1,5 picofarad (pf). Il a une tension de claquage de 4,6 kV et peut supporter un courant de surcharge maximum de 10 kA.

La combinaison de deux varistances MOV V10E300P et d'un seul GDT CG33.0LTR permet de satisfaire au test de surcharge défini dans la description du circuit de protection TMOV ci-dessus.

Conclusion

La norme CEI 62368-1 introduit une norme unique pour la protection des circuits des produits fonctionnant sur une alimentation jusqu'à 600 V, alors que des normes distinctes pour l'audiovisuel et les technologies de l'information et de la communication s'appliquaient auparavant. Elle formalise également la protection des circuits pour les produits non couverts par l'ancienne norme, tels que les dispositifs IoT et alimentés par batterie. Même si les ingénieurs familiarisés avec les anciennes normes doivent modifier leur approche de conception, la norme IEEE 62368-1 simplifie l'ingénierie de protection des circuits et permet des niveaux de sécurité et de flexibilité de conception plus élevés. De plus, les fabricants de composants de protection tels que Littelfuse proposent des dispositifs et des conseils qui simplifient la conception de circuits conformes à la nouvelle norme.

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À propos de l'auteur

Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at Digi-Key Electronics. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key