La fuente de alimentación adecuada es esencial para cumplir con el nuevo requerimiento de seguridad IEC-62368 del IEC/UL para productos de consumo.

Los diseñadores de productos de consumo deben cumplir una serie de requisitos relacionados con la seguridad, además de muchos objetivos funcionales y de rendimiento, así como los requerimientos de EMI (eficiencia e interferencia electromagnética). Estas demandas regulatorias son complejas, pero un nuevo estándar, el estándar de seguridad IEC 62368-1 para equipos de TIC (tecnología de la información y comunicación) y A/V (audio/video), ayudará a los diseñadores, pero solo si comprenden el propósito y los requisitos.

En la actualidad existen dos estándares de uso generalizado que cubren estas áreas: el IEC 60950-1, seguridad de equipos de tecnología de la información, y el IEC 60065, requisitos de seguridad de audio, video y aparatos electrónicos similares El 20 de diciembre de 2020, estos se retirarán y reemplazarán por el estándar único IEC 62368-1.

Las ventajas del nuevo estándar superan la mera eliminación de las diferencias y las superposiciones entre las dos clases de productos de los estándares anteriores. El estándar transforma la perspectiva de seguridad de una evaluación "basada en incidentes" a una evaluación "basada en riesgos", con el correspondiente cambio en los requisitos para contemplar las tecnologías existentes sin restringir los avances emergentes.

Este artículo aborda el papel y los aspectos más destacados del IEC 62368-1 y su impacto en los diseños. Luego analiza las funciones y los subsistemas, específicamente las fuentes de energía, que juegan un papel importante en el cumplimiento del nuevo estándar. Finalmente, presenta soluciones de fuentes de potencia de CUI Inc. que cumplen con los requerimientos del estándar para que los productos de los ingenieros se aprueben con mayor facilidad y comercialicen más rápidamente.

IEC 62368-1: Por qué y para qué productos

Hace solo un par de décadas, había claras diferencias entre los productos de A/V y tecnología de la información (TI); es decir, los productos informáticos. Como resultado, cada una de estas clases de productos tradicionales tenía su propio estándar de seguridad asociado. Sin embargo, los avances y los cambios en la tecnología y los productos desdibujaron los límites entre estos dos grupos, y la superposición creció considerablemente. Es por esto que se necesitaba un nuevo estándar de seguridad unificado para reemplazar los individuales.

La IEC (Comisión Electrotécnica Internacional), uno de los organismos normativos más antiguos del mundo, desarrolló la versión original del IEC 62368-1. Para hacerlo, la IEC creó el TC (Comité Técnico) 108, compuesto por expertos, académicos y funcionarios gubernamentales, con el objetivo de desarrollar un nuevo estándar que reemplace el IEC 60065 y el IEC 60950-1 en lugar de solo revisar y actualizar cada estándar individual (Figura 1). La IEC adoptó formalmente el estándar desarrollado por la TC 108, y muchos países y regiones "se armonizaron" con este estándar, incluido Estados Unidos.

Figura 1: El IEC 62368-1 es un estándar de seguridad completamente nuevo con un enfoque reciente que cubre una amplia gama de productos para el consumidor y la oficina, pero tiene cierta historia y contexto evolutivo. (Fuente de la imagen: Power Systems Design)

Las múltiples clases de productos cubiertas por el IEC 62368-1 incluyen, entre otras, las siguientes:

• Productos de computación y redes (servidores, PC, enrutadores, computadoras portátiles, tabletas y sus fuentes de energía)
• Componentes electrónicos del consumidor (amplificadores, sistemas de home theater, cámaras digitales y reproductores personales de música)
• Pantallas y unidades de visualización (monitores, TV, proyectores digitales)
• Productos de telecomunicaciones (equipos de infraestructura de red, teléfonos inalámbricos y celulares y dispositivos de comunicación similares, incluidos dispositivos a batería)
• Aparatos de oficina (fotocopiadoras, trituradoras de documentos)
• Varios otros tipos de equipos de A/V y TIC usados en hogares, escuelas e instituciones y entornos similares

El estándar IEC 62368-1 no es solo una simple revisión que actualiza y combina sus dos predecesores. Además, usa un enfoque basado en riesgos, llamado formalmente HBSE (ingeniería de seguridad basada en riesgos), para cubrir problemas de seguridad relacionados tanto con equipos electrónicos como con la TIC. En lugar de analizar y definir descripciones detalladas de los requisitos de seguridad, el nuevo enfoque enfatiza los riesgos que se pueden producir y, al mismo tiempo, proporciona a los fabricantes la libertad de decidir cómo diseñar la protección contra estos riesgos. Por lo tanto, pone más énfasis en evaluar la seguridad de un producto durante la etapa de diseño. Usando los principios de HBSE, el estándar IEC 62368-1 cuenta con los siguientes atributos:

• Se orienta más al rendimiento, pero también permite (por ahora) construcciones aceptadas si previamente se demostró que son seguras (por ejemplo, en el IEC 60065 o el IEC 60950-1).
• Es independiente de la tecnología (dentro de límites definidos) y permite una mayor libertad de diseño.
• Se aplica a una gama más amplia de productos electrónicos existentes, pero también admite la introducción de nuevas tecnologías en el mercado global.

El 20 de diciembre de 2020, el IEC/UL/CSA 60950-1 y el IEC/UL/CSA 60065 retirarán formalmente. Después de esa fecha, los fabricantes deberán cumplir con IEC/UL 62368 para garantizar el cumplimiento si desean ofrecer productos al mercado.

Tenga en cuenta que existe una disposición importante pero temporal que permite a las empresas continuar usando su inventario de las piezas 60950-1 o 60065 en productos certificados para 62368-1, lo que, en efecto, “exime” al inventario en ciertas circunstancias y geografías. Específicamente, la subcláusula 4.1.1 indica lo siguiente: “Los componentes y los subconjuntos que cumplan con el IEC 60950-1 o el IEC 60065 se aceptan como parte del equipo cubierto por este estándar sin evaluación adicional más allá que la de considerar el uso apropiado del componente o subconjunto del producto final”. Para una fuente de potencia enumerada, por ejemplo, esta “consideración” puede ser tan simple como asegurar que el producto solo se utiliza dentro de las clasificaciones eléctricas establecidas.

HBSE: Qué significa

La HBSE exige a los fabricantes de productos demostrar que se consideraron los riesgos conocidos y que el producto se diseñó para un uso seguro en el contexto esperado. En otras palabras, en lugar de simplemente decir: "Debe proteger al usuario contra esta situación específica, como un punto de alto voltaje conocido que posiblemente pueda estar expuesto", dice: "Debe evaluar los diversos riesgos y ocuparse de ellos adecuadamente, en función de cada tipo y nivel de riesgo".

Al hacerlo, los fabricantes ya no se ven obligados a demostrar solo que se cumplieron las especificaciones ordenadas. Tenga en cuenta que este estándar no requiere un análisis de riesgos, mientras que otros estándares todavía lo requieren, como el IEC 60601-1 - Equipo eléctrico médico: Parte 1-2: Requisitos generales para la seguridad básica y el rendimiento esencial. Estándar colateral: Perturbaciones electromagnéticas: Requisitos y pruebas.

La HBSE establece el objetivo de proteger a los usuarios de equipos exigiendo a los fabricantes que identifiquen cualquier fuente de energía potencialmente riesgosa junto con los mecanismos por los cuales esa energía podría transferirse a un usuario. Luego se deben proponer e implementar formas apropiadas para evitar que esas transferencias sucedan, tanto en condiciones normales de funcionamiento como de fallas. Los dispositivos de seguridad se implementan para brindar protección contra el dolor o las lesiones causadas directamente por la energía eléctrica (descarga eléctrica) o las lesiones por quemaduras térmicas. También se implementan para prevenir incendios causados eléctricamente que podrían provocar dolor, lesiones, la muerte o daños a la propiedad. Finalmente, la HBSE también evalúa la efectividad de los dispositivos de seguridad.

El modelo de la HBSE consta de tres bloques: fuente de energía, mecanismo de transferencia y parte del cuerpo (Figura 2). La "solución" al riesgo que representa la fuente de energía como peligro se expresa como un modelo similar de tres bloques, pero con un dispositivo de seguridad en lugar del mecanismo de transferencia de energía.

Figura 2: La estrategia del IEC 62368-1 es identificar fuentes de energía riesgosas y sus posibles rutas para el usuario, y luego proporcionar protecciones contra esa ruta y flujo de energía. (Fuente de la imagen: InComplianceMag.com)

El IEC 62368-1 también requiere que el fabricante considere los niveles de protección necesarios con respecto a los diferentes tipos de usuarios y fuentes de energía, con tres categorías para cada uno. Para los usuarios, estos tres son "Persona calificada", "Persona instruida" y "Persona común". Las fuentes de energía se clasifican según una tabla, cuya versión simplificada que se muestra en la Figura 3.

Figura 3: El IEC 62368-1 reconoce tres clasificaciones de riesgos para las fuentes de energía y luego define en qué medida, si corresponde, se deben proporcionar protecciones para cada una. (Fuente de la imagen: CUI)

Las dos escalas de nivel de usuario y fuente de energía se combinan en una matriz (Figura 4).

Figura 4: Para establecer el nivel y el tipo de protección que se necesita para cada fuente de energía, el estándar IEC 62368-1 combina el riesgo de la fuente de energía con el nivel de habilidad y experiencia del usuario. (Fuente de la imagen: SGS SA)

Los usuarios corren menos riesgos a medida que se desciende desde las filas de una persona común hasta las de una persona calificada, mientras que las fuentes de energía se vuelven más peligrosas a medida que aumenta la clase de energía, desplazándose a través de las filas de izquierda a derecha. Por lo tanto, según el estándar, una persona común que usa un producto de Clase 3 (fuente de energía 3 o ES3) requeriría una protección adicional o reforzada, como un aislamiento doble o un blindaje especial, mientras que una persona calificada que usa un producto ES3 no requeriría el mismo nivel de protección.

El IEC 62368-1 utiliza un proceso de cuatro pasos:

• Primero, identificar las fuentes de energía.
• Segundo, caracterizarlas como clase 1, 2 o 3.
• Tercero, identificar las protecciones apropiadas.
• Y, finalmente, medir la efectividad de las protecciones elegidas.

Las protecciones se dividen en dos grupos: enfoques y niveles, donde los "enfoques" especifican los métodos por los cuales funciona la protección, mientras que los "niveles" caracterizan la fuerza de dicha protección (Figura 5).

Figura 5: El IEC 62368-1 identifica el nivel adecuado de protección necesario y luego analiza los enfoques de implementación. (Fuente de la imagen: SGS SA)

Considere primero la energía

Los niveles de energía, junto con el voltaje y la corriente, son la clave del cumplimiento. Si el nivel de energía es bajo (ES1), hay poco o nada de qué preocuparse. Tenga en cuenta que los límites de corriente y voltaje específicos correspondientes a ES1, ES2 y ES3 varían y también se pueden determinar por frecuencia. Por ejemplo, por debajo de 1 kilohercio (kHz), el límite de ES1 es 30 voltios rms, 42.4 voltios pico y 60 voltios CC; mientras que el límite de ES2 es 50 voltios rms, 70.7 voltios pico y 120 voltios CC.

Para complicar la situación, el equipo debe cumplir con el límite de voltaje o con el límite de corriente especificado en la clase de energía aplicable, pero no tiene que cumplir con ambos. Además, los límites definidos por los estándares también varían según el funcionamiento normal o anormal, o por una condición de falla única. Algunas subsecciones incluso detallan los límites de las formas de onda pulsadas y sus tiempos de apagado (Figura 6 y Figura 7).

Figura 6: Dado que los incendios eléctricos son causados por una combinación de potencia y tiempo, el estándar IEC 62368-1 analiza la relación entre esos dos parámetros clave. (Fuente de la imagen: CUI)

Figura 7: El estándar también caracteriza los niveles de energía que pueden causar incendios eléctricos. (Fuente de la imagen: CUI)

¿Qué debe hacer un ingeniero de diseño?

Los diseñadores que piensan que entienden el nuevo estándar y que, por lo tanto, pueden cumplirlo fácilmente, encajan en uno de dos grupos:

1. Alguien que ha tomado cursos relacionados con los estándares, que ha recibido capacitación, que ya trabajó con los estándares IEC existentes y que personalmente ha pasado por el proceso de aprobación.
2. Alguien que es ingenuo o insensato. Esto se debe a que el estándar presenta un conjunto complicado de requisitos que pueden ser confusos. Además, identificar las opciones de protección implica tomar decisiones a partir de una larga lista. Saber cuál usar, dónde y cómo no es obvio o trivial.

Las posibilidades de protección a considerar incluyen, pero no se limitan a, tierra de protección (la verdadera "puesta a tierra" en Tierra), gabinetes eléctricos, gabinetes resistentes al fuego y aislamiento. También hay protecciones instaladas, como la conexión a tierra externa y protecciones instructivas, incluidas las marcas de seguridad. Por último, existen protecciones de precaución que deben diseñarse para casos en los que los usuarios comunes son instruidos por personas calificadas, e incluso las llamadas protecciones "basadas en habilidades" que permiten confiar en la capacidad de un profesional calificado para protegerse contra los riesgos presentados por fuentes de energía de clase 2 y clase 3.

Primero, concéntrese en el suministro

La primera pregunta que debe hacerse un diseñador es: ¿cuál es la fuente principal de energía que pone a este diseño en el área de riesgo? Para muchos de los productos contemplados por este estándar, la respuesta es obvia: es la fuente de alimentación de CA. Por esta razón, si se selecciona un suministro que cumple con los estándares y luego se implementa de manera adecuada, gran parte del problema en el cumplimiento desaparece y el desafío de diseño se reduce en gran medida.

Afortunadamente, los proveedores de suministros como CUI han estado estudiando y analizando el nuevo estándar en preparación para la fecha límite de diciembre de 2020, y ya están ofreciendo una gama de suministros de CA que superan los requisitos. Estos suministros van desde unidades de potencia relativamente baja (menos de 10 vatios), hasta unidades de rango medio, e incluso hasta suministros más grandes en vatios de tres dígitos. Tres ejemplos ilustran el alcance y la capacidad de estos suministros.

El CUI SWI6-9-N-P5 es un adaptador de CA/CC para montar en pared de 9 voltios y 6 vatios que forma parte de una familia de adaptadores con salidas de 3.3 voltios a 15 voltios (Figura 8). Funciona entre los 90 y los 264 voltios CA y cumple con la eficiencia de Nivel VI del DoE (Departamento de Energía) con un consumo de energía sin carga inferior a los 0.1 vatios. Incluye protección contra sobrecorriente, protección contra sobretensión y protección contra cortocircuitos en una caja compacta que pesa 78 gramos (2.75 oz) y mide 56 milímetros (mm) × 28 mm × 42 mm (2.2 × 1.1 × 1.65 pulgadas).

Figura 8: El SWI6-9-N-P5 de CUI Inc. es un adaptador de CA/CC para montar en pared de 9 voltios y 6 vatios que cumple totalmente con IEC 62368-1 para uso externo. (Fuente de la imagen: CUI)

Para voltajes y potencias de salida más altas, el CUI SMI18-24-V-P5 es un adaptador para montar en pared de 24 voltios y 18 vatios con adaptadores de clavija de múltiples hojas, parte de una familia de unidades de 5 voltios a 24 voltios (Figura 9). Esta unidad cumple con las calificaciones de eficiencia de Nivel VI del DoE y de Nivel 2 del CoC con un consumo de potencia sin carga inferior a 0.075 vatios y una protección similar a la unidad de 6 vatios. Una característica única de este suministro de entrada universal de 170 gramos (6 oz), 75 × 35.8 × 65.6 mm (3 × 1.4 × 2.6 pulgadas) es que viene con hojas de CA intercambiables para uso global (Norteamérica, Europa, Reino Unido, Australia, y China).

Figura 9: El SMI18-24-V-P5 es un adaptador para montar en pared de 24 voltios y 18 vatios que cumple con IEC 62368-1 y que incluye un conjunto de adaptadores multiclavija para clavijas de conexión, por lo que la misma unidad se puede usar globalmente. (Fuente de la imagen: CUI)

Por supuesto, muchas aplicaciones requieren potencia de salida aún más alta, como las que ofrece el adaptador de escritorio CA/CC SDI120-12-U-P51 de CUI. Tiene una potencia nominal de 12 voltios, 120 vatios y es parte de una familia de 12 voltios a 48 voltios con esta potencia nominal (Figura 10). El suministro con clasificación IEC 62368-1 cumple con la eficiencia de Nivel VI del DoE (el consumo sin carga a 230 voltios CA es de 0.21 vatios) y cuenta con un factor de potencia superior a 0.9. Con un peso de 580 gramos (20.4 oz) y un tamaño de 168.1 × 65.9 × 39 mm (6.6 × 2.6 × 1.5 pulgadas), está disponible sin un cable de CA, pero se puede pedir opcionalmente con un cable que tenga clavijas y una configuración que coincida con la salida de CA local.

Figura 10: Para situaciones de mayor potencia, donde un adaptador para montar en pared no es apropiado o deseado, el adaptador externo de CA/CC de escritorio SDI120-12-U-P51 está disponible; el cable de alimentación de CA apropiado se elige por separado. (Fuente de la imagen: CUI)

Conclusión

El estándar IEC/UL IEC-62368-1 para consumidores y productos relacionados entra en vigencia con una fecha firme de diciembre de 2020. Es un estándar complicado y emplea un enfoque basado en riesgos que evalúa posibles problemas de seguridad y determina protecciones contra ellos, lo que es muy diferente en comparación con los estándares anteriores. Al comenzar con la selección de un suministro de CA/CC que excede los requerimientos de este estándar, la tarea del equipo de ingeniería de diseño se simplifica enormemente y se minimiza el riesgo de aprobación del producto final.

Referencias de CUI

1. “IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment”
2. “The Latest on IEC 62368-1: More Time to Comply, But a Harder Deadline”