Comment répondre aux exigences CEI 60335 en matière d'alimentation pour les appareils électroménagers et les dispositifs IoT

La publication de la nouvelle norme de sécurité CEI 60335 en réponse à l'utilisation croissante d'appareils électroménagers intelligents et de dispositifs connectés à l'Internet des objets (IoT) dans les foyers a entraîné de nouveaux défis en matière d'alimentation électrique pour les concepteurs. La norme récemment publiée comporte des exigences strictes en matière de tensions d'isolement, de ligne de fuite et de dégagement, et de courants de fuite dans les alimentations CA/CC. Il est difficile de concevoir des alimentations CA/CC compactes et rentables qui répondent aux nombreuses exigences, et les processus de test et d'approbation requis augmentent les coûts et ralentissent la mise sur le marché.

De plus, de nombreux appareils électroménagers sont destinés à une utilisation en environnements exposés à l'humidité ou à l'eau. Les circuits d'alimentation CA/CC incluent des rails d'alimentation haute tension internes, ce qui rend difficile la conception d'un boîtier adapté à une utilisation en environnements humides ou mouillés.

Pour relever ces défis tout en respectant des délais et des budgets serrés, les concepteurs peuvent utiliser des alimentations CA/CC encapsulées qui sont déjà certifiées CEI/EN/UL 62368-1 et qui sont conçues pour répondre aux exigences CEI/EN/UL 61558/60335 pour les applications domestiques.

Cet article passe en revue les exigences de base de la norme CEI 60335-1, présente le concept de test pour les défaillances multiples simultanées tel que requis par la norme CEI 60335, et examine brièvement la partie 2 de la norme CEI 60335. Il présente ensuite plusieurs alimentations CA/CC de CUI que les concepteurs peuvent utiliser pour accélérer la conception d'équipements de traitement de l'information (ITE), d'appareils électroménagers intelligents et de dispositifs connectés IoT qualifiés CEI 60335.

Exigences de base de la norme CEI 60335

La norme CEI 60335 couvre la « sécurité des appareils électrodomestiques et analogues », avec des tensions nominales allant jusqu'à 250 volts (V) pour les appareils monophasés et jusqu'à 480 V pour les appareils multiphasés. La norme CEI 60335-1 inclut les exigences de base imposées à tous les appareils ménagers. L'un des défis pour les concepteurs est de comprendre comment la norme CEI 60335-1 se compare à la norme de sécurité CEI 60950-1 précédemment établie pour les équipements ITE. Il existe des différences et des similitudes en ce qui concerne les niveaux de courant de fuite maximum, les tensions d'isolement, la ligne de fuite et le dégagement.

En fonctionnement normal, avec une connexion à la terre, un courant de fuite circule dans le châssis ou le conducteur de terre de protection. Si la connexion à la terre est interrompue pour une raison quelconque, le courant de fuite peut traverser le corps de toute personne utilisant l'équipement, ce qui constitue un danger potentiel. La norme CEI 60335-1 reconnaît deux catégories d'équipements : portables et fixes. La norme CEI 60950-1 comprend trois catégories d'équipements : portables, mobiles et fixes. Les appareils portables dans la norme CEI 60335 sont limités à 0,75 milliampère (mA) de courant de fuite, comme les appareils portables de la norme CEI 60950-1. Les appareils mobiles et fixes sont limités à 3,5 mA de courant de fuite dans la norme CEI 60950-1, soit le même niveau que celui stipulé pour les appareils fixes dans la norme CEI 60335-1.

Les exigences en matière de tension d'isolement font également l'objet de définitions différentes entre les deux normes. Le niveau d'isolement requis dépend de l'emplacement dans le circuit : entrée-sortie, sortie-terre, ou entrée-terre. La norme CEI 60950-1 inclut simplement des valeurs fixes telles qu'un isolement de 3 kilovolts (kV) entre l'entrée et la sortie. La norme CEI 60335-1 fait varier l'exigence d'isolement entrée-sortie en fonction de la tension de fonctionnement : elle est spécifiée comme étant de 2,4 kV plus 2,4 fois la tension de fonctionnement. Dans le cas d'un isolement sortie-terre, la norme CEI 60335-1 n'impose aucune exigence, tandis que la norme CEI 60950-1 spécifie un isolement de 500 V.

Les variations sont également évidentes dans la façon dont les deux normes traitent la ligne de fuite et le dégagement. Bien que les deux normes se basent sur la tension de fonctionnement et le type d'isolement (basique ou renforcé) pour définir la ligne de fuite et le dégagement, les exigences peuvent être identiques, plus strictes ou plus souples si l'on compare les normes CEI 60950-1 et CEI 60335-1.

La distance la plus courte entre deux composants conducteurs le long d'une surface est définie comme la ligne de fuite (Figure 1). Lorsque la tension de fonctionnement est comprise entre 250 V et 300 V, la norme CEI 60335-1 est plus restrictive et exige une ligne de fuite de 8,0 millimètres (mm) pour l'isolement renforcé, tandis que la norme CEI 60950-1 exige une ligne de fuite de 6,4 mm. Si la tension de fonctionnement est comprise entre 200 V et 250 V, les deux normes imposent une ligne de fuite de 5,0 mm.

Figure 1 : La ligne de fuite est mesurée sur la surface d'isolement. (Source de l'image : CUI)

La distance entre deux composants conducteurs dans l'air est la distance de dégagement (Figure 2). L'exigence de dégagement dans la norme CEI 60335-1 n'est que de 3,5 mm, tandis que la norme CEI 60950-1 est plus restrictive, exigeant 4,0 mm en cas d'isolement renforcé et de tension de fonctionnement comprise entre 150 V et 300 V.

Figure 2 : La distance de dégagement est mesurée dans l'air. (Source de l'image : CUI)

La norme CEI 60335 exige également que les appareils répondent à l'indice de protection (IP) tel que défini dans la norme CEI 60529. L'indice IP est basé sur l'environnement dans lequel l'appareil est utilisé. De nombreux appareils électroménagers sont prévus pour fonctionner en toute sécurité en présence d'humidité ou d'eau. La norme CEI 60529 définit les niveaux de protection spécifiques nécessaires en fonction de la classification de l'appareil.

Au-delà des principes de base

Les appareils électroménagers intelligents et les dispositifs connectés IoT qui composent la maison intelligente d'aujourd'hui sont beaucoup plus sophistiqués que les appareils ménagers traditionnels. Ils comprennent souvent des écrans tactiles, des interfaces logicielles, des commandes numériques, une connectivité IP (protocole Internet) sans fil et/ou filaire, et d'autres fonctionnalités (Figure 3). En raison de cette complexité supplémentaire, la norme CEI 60335 couvre la possibilité que deux défaillances se produisent simultanément, et pas seulement des défaillances localisées. Cela contraste avec la norme de sécurité CEI 60950-1, qui ne prévoit un fonctionnement sûr qu'après une défaillance unique.

Figure 3 : Les exemples d'appareils électroménagers intelligents incluent les réfrigérateurs dotés d'écrans haute définition et d'une connectivité IP (à gauche), et les grille-pain avec écran tactile LCD (à droite). (Source de l'image : CUI)

La norme CEI 60335-1 prend en compte les combinaisons de deux défaillances matérielles ou une combinaison de défaillances matérielles et logicielles. Ces tests peuvent être particulièrement importants pour les dispositifs d'électronique de puissance qui comportent souvent une forme de contrôle ou de surveillance numérique. De nombreuses conceptions incluent ce que la norme CEI 60335-1 appelle des circuits électroniques de protection (PEC). Le concept d'un circuit PEC dans la norme CEI 60335 s'étend au-delà du matériel et inclut diverses fonctionnalités logicielles telles qu'un logiciel de détection de défaillances. La norme exige que l'équipement maintienne un fonctionnement sûr lorsqu'une défaillance PEC se produit après une autre défaillance telle qu'une défaillance de l'isolement de base, et lorsqu'une défaillance PEC se produit avant une autre défaillance. Le système doit rester sûr.

L'exigence de défaillances multiples inclut également des spécifications de compatibilité électromagnétique (CEM). La norme CEI 60335 exige que des tests CEM soient effectués après une défaillance PEC. Par exemple, les parasurtenseurs sur l'entrée CA sont déconnectés. Ce test inclut l'alimentation interne pour s'assurer qu'elle n'entre pas dans une condition de fonctionnement dangereuse en réponse aux interférences électromagnétiques (EMI) suite à la défaillance du circuit PEC.

La norme CEI 60355 exige que les commandes micrologicielles ou logicielles fonctionnent en toute sécurité avec des EMI appliquées dans des conditions de défaillance unique, comme une défaillance PEC. En plus des commandes du système, cette exigence s'applique aux alimentations CA/CC individuelles, aux convertisseurs CC/CC et aux variateurs moteurs avec commandes numériques. Ces dispositifs doivent être testés dans le système pour répondre à cette exigence.

Deuxième partie de la norme CEI 60355

Contrairement à la norme CEI 60950, la norme CEI 60335 comporte deux parties. La partie 2 (CEI 60335-2) inclut des exigences spécifiques aux appareils électroménagers, couvrant plus de 100 types d'appareils différents s'étendant des grille-pain aux systèmes de climatisation. Les concepteurs doivent se familiariser avec la partie 2 dans la mesure où elle s'applique à la conception d'appareils électroménagers spécifiques. Lorsqu'elles sont spécifiées, les exigences de la partie 2 ont la priorité sur les exigences de base de la partie 1.

Les parties 1 et 2 sont traitées différemment aux États-Unis et en Europe. Aux États-Unis, la norme UL 60335-1 est harmonisée avec la norme CEI 60335-1, mais la norme UL ne reconnaît pas toutes les normes de la partie 2. En Europe, la norme EN 60335-1 a également été harmonisée avec la norme CEI 60335-1 et, contrairement à la norme UL, la norme EN reconnaît presque toutes les normes de la partie 2 pour des produits spécifiques.

Concevoir pour répondre à la norme 60335

Pour simplifier la conception de la section d'alimentation tout en respectant les exigences 60335, les concepteurs d'appareils électroménagers intelligents, d'appareils connectés IoT et d'équipements ITE commerciaux peuvent utiliser des modules pré-conditionnés. Par exemple, la série PSK d'alimentations CA/CC encapsulées de CUI est certifiée CEI/EN/UL 62368-1 et conçue pour répondre à CEI/EN/UL 61558/60335 pour les applications domestiques. Ces alimentations sont proposées dans des niveaux de puissance s'étendant de 2 watts (W) à 60 W avec un rendement atteignant 90 %, et elles sont disponibles dans une variété de styles de montage, y compris le montage sur carte, le montage sur châssis et le montage sur rail DIN (Figure 4).

Figure 4 : Les alimentations CA/CC encapsulées série PSK de CUI sont disponibles en versions à montage sur carte (en bas à droite), sur châssis (en bas à gauche) et sur rail DIN (en haut). (Source de l'image : CUI)

Exemples d'alimentations série PSK :

• Le PSK-10D-12-T fonctionne sur une vaste plage d'entrée de 85 à 305 VCA ou de 100 à 430 VCC, et fournit 12 VCC à une puissance maximale de 10 W dans un boîtier à montage sur châssis.
• Le PSK-S2C-24 a une plage d'entrée de 85 à 305 VCA ou de 120 à 430 VCC, et fournit jusqu'à 2 W à 24 VCC dans un boîtier à montage sur carte.
• Le PSK-20D-12-DIN délivre 20 W à 12 VCC, et a une plage d'entrée de 85 à 305 VCA ou de 100 à 430 VCC dans un boîtier à rail DIN.

Les alimentations CA/CC série PSK présentent un isolement entrée-sortie de 4 kVCA, de larges plages de tension d'entrée et une vaste plage de températures de fonctionnement de -40°C à +70°C, certains modèles pouvant atteindre 85°C. La série offre également des tensions de sortie simple de 3,3, 5, 9, 12, 15 et 24 VCC, ainsi qu'une protection contre les surintensités, les surtensions et les courts-circuits continus.

Plusieurs éléments doivent être pris en compte lorsque vous travaillez avec des modules. Certains composants externes sont requis pour la protection et le filtrage, ainsi que pour aider à répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique (CEM). La plupart de ces informations sont fournies dans les fiches techniques jointes.

Par exemple, avec la conception de référence d'application PSK-10D-12-T de CUI, un fusible à action retardée de 2 A/300 V est fourni à l'avance, ainsi qu'une varistance à oxyde métallique (MOV) (Figure 5).

Figure 5 : Une conception de référence pour le PSK-10D-12-T montre le placement des composants de protection d'entrée et de filtrage de sortie (en haut) et leurs valeurs respectives (en bas). (Source de l'image : CUI)

Le filtrage de sortie est réalisé à l'aide d'un condensateur électrolytique haute fréquence (C2) et d'un condensateur céramique (C1). Il est important que C2 ait une faible résistance série équivalente (ESR) et une marge d'au moins 20 % sur la tension de sortie nominale. Le placement d'une diode de suppression de tension transitoire (TVS) juste avant la charge aidera à protéger l'électronique en aval dans le cas (peu probable) d'une défaillance du convertisseur.

Pour la conformité CEM, CUI suggère d'ajouter une résistance de 6,8 ohms (Ω) et 3 W (R1) juste avant l'entrée CA du module (Figure 6).

Figure 6 : Pour la protection CEM, il faut ajouter R1 à la ligne d'entrée CA comme illustré. (Source de l'image : CUI)

Conclusion

Alors que le nombre d'appareils domestiques intelligents et de dispositifs connectés IoT continue d'augmenter, les concepteurs doivent comprendre les implications de la norme de sécurité CEI 60335, ainsi que sa relation avec la norme CEI 60950. La norme affecte directement la manière dont les alimentations sont conçues et qualifiées pour ces applications, ce qui entraîne certaines contraintes de conception et une complexité accrue.

Pour faire face à ces complexités, les concepteurs peuvent se tourner vers des alimentations CA/CC encapsulées qui prennent en charge les solutions conformes à la norme CEI 60335. Ces dispositifs haut rendement à haute densité de puissance sont disponibles dans une variété de styles de conditionnement, y compris le montage sur châssis, le montage sur carte et le montage sur rail DIN. Comme illustré, en suivant quelques bonnes pratiques de conception de base, ces dispositifs peuvent réduire considérablement les coûts de développement et les délais de mise sur le marché.

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