IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于集成電路（IC）限流器的要求及應(yīng)用

雷曉陽

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 福州 350015）

引言

IC 限流器主要運(yùn)用于PS2/PS1 功率源與PS3 功率源的隔離，實(shí)際使用中大多體現(xiàn)為限流功能。IEC 60335-1標(biāo)準(zhǔn)已率先對(duì)“電子電路保護(hù)裝置”提出要求，將電脈沖等試驗(yàn)應(yīng)用于IC 限流器，并在試驗(yàn)后評(píng)估功率源隔離或限制電流的性能。

IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1 部分：安全要求》規(guī)定，只要試驗(yàn)結(jié)果能夠證明功率源隔離或限制電流性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的可靠性，IC限流器可以豁免單一故障條款中的模擬器件故障考核，劃分到PS2 功率源，進(jìn)而降低防火防護(hù)要求。

1 IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IC 限流器的要求

近年來，通用串行總線（USB）和以太網(wǎng)供電（PoE）發(fā)展水平提升明顯，其最大傳輸電功率已超過百瓦。音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備在進(jìn)行IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)中的異常和單一故障條件試驗(yàn)時(shí)，容易發(fā)生電壓、電流和功率水平增加超過行業(yè)技術(shù)規(guī)范（例如USB PD 3.1協(xié)議和IEEE 802.3 協(xié)議等）限制的情況。即使與之相連接的附件、電路、連接器和電纜已單獨(dú)滿足IEC 62368-1標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于ES2、PS2 和/或受限制電源等有關(guān)規(guī)定要求，仍然可能出現(xiàn)過熱、損壞等情況。

USB PD 3.1 協(xié)議和IEEE 802.3 協(xié)議參數(shù)規(guī)格分別見表1 和表2。

表1 USB PD3.1 協(xié)議參數(shù)規(guī)格

表2 IEEE 802.3 協(xié)議參數(shù)規(guī)格

在IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)中，為限制功率源中的電流，使用IC 限流器來限制電流以便獲得輸出功率成為PS1 或PS2。IC 限流器的基本原理為當(dāng)輸出電流超過IC 限流器閾值時(shí)，電流檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出電平信號(hào)給過流保護(hù)電路，過流保護(hù)電路啟動(dòng)電荷泵進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到限制電流的作用。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只要滿足下列所有條件，則不用對(duì)其輸入到輸出進(jìn)行短路：

——除ES1 電路中的IC 限流器外，在輸入和輸出引腳之間為適用的工作電壓提供加強(qiáng)絕緣的電氣間隙和爬電距離（僅IEC 62368-1:2010 版本執(zhí)行）；

——在正常工作條件下，并考慮任何規(guī)定的漂移，IC 限流器能將電流限制在制造商規(guī)定的電流值（不大于5 A）；

——IC 限流器是全電子的，且不能手動(dòng)操作或復(fù)位；

——IC 限流器的輸出電流被限制在5 A 或以下（規(guī)定的最大負(fù)載）；

——在每項(xiàng)條件試驗(yàn)后，IC 限流器將電流或電壓限制在要求值以內(nèi)，按適用情況考慮制造商規(guī)定的漂移值；

——通過可靠性試驗(yàn)程序。

在功率電路中合理使用IC 限流器，能夠依靠其有效的電流限制能力，控制電路中的功率源等級(jí)不超過IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)要求和行業(yè)技術(shù)規(guī)范要求。當(dāng)IC 限流器不滿足IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)的可靠性試驗(yàn)時(shí)，必須按照模擬的單一故障條件條款，將IC 限流器的任何兩根引線短路以及任何一根引線開路，以模擬限流電路失效情況。IC限流器往往串聯(lián)在功率傳輸線路中，一旦短路失效則起不到限流功能。因此，IC 限流器除滿足參數(shù)規(guī)格要求，還必須滿足標(biāo)準(zhǔn)的可靠性試驗(yàn)要求。

2 IEC 62368-1 不同標(biāo)準(zhǔn)版本對(duì)IC 限流器可靠性試驗(yàn)的差異

IEC 62368-1 不同標(biāo)準(zhǔn)版本除了IC 限流器試驗(yàn)布置（見圖1）一致外，在IC 限流器可靠性試驗(yàn)程序、步驟等內(nèi)容有很大差異。

圖1 IC 限流器可靠性試驗(yàn)示例

根據(jù)IC 限流器封裝和設(shè)計(jì)特征，無源器件的輸入端和電源端為同一概念，有源器件則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以區(qū)分。試驗(yàn)用電源要至少能提供250 VA 的容量，除非IC 限流器具有較低的規(guī)格或在最終產(chǎn)品中進(jìn)行試驗(yàn)。由制造商提供下列規(guī)格用于試驗(yàn)：

——電源限制/規(guī)格（如果小于250 VA）；

——最大輸入電壓（V）；

——最大輸出負(fù)載（A）。

IEC 62368-1:2010 對(duì)IC 限流器可靠性試驗(yàn)要求如下：

1）滿足IEC 60730-1:1999 第H.17.1.4.2 小節(jié)；

2）100 Ω 電阻和425 uF 電容并聯(lián)至輸出端，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

3）352 mH（1 kHz）和直流阻抗低于11 Ω 的鐵芯電感連接至輸出端，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

4）425 uF 電容連接至輸入端，輸出端短路，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

5）425 uF 電容連接至輸入電源端，輸出端短路，使能端保持開啟，循環(huán)輸入端開啟關(guān)閉10 000 次；

6）352 mH（1 kHz）和直流阻抗低于11 Ω 的鐵芯電感連接至輸入電源端，使能端保持開啟，輸出端短路，循環(huán)輸入端開啟關(guān)閉10 000 次；

7）使能端保持開啟，輸出端短路，循環(huán)電源端開啟關(guān)閉50 次；

8）使能端保護(hù)開啟，輸出端接最大負(fù)載，循環(huán)電源端開啟關(guān)閉50 次；

9）使能端保持開啟，循環(huán)“電源端恢復(fù)→輸出端短路→電源端移除→電源端恢復(fù)→輸出端短路移除→電源端移除”50 次；

10）斷電進(jìn)行3 次循環(huán)：70 ℃環(huán)境放置24 h →室溫環(huán)境放置1 h →-30 ℃環(huán)境放置至少3 h →室溫環(huán)境放置3 h；

11）通電進(jìn)行10 次循環(huán)：49 ℃環(huán)境放置10 min，0 ℃環(huán)境放置10 min，高低溫過渡轉(zhuǎn)換時(shí)間5 min。

IEC 62368-1:2014 對(duì)IC 限流器可靠性試驗(yàn)要求如下（3 個(gè)程序，任選其一滿足即可）：

程序1

1）（100±5）Ω 電阻和（425±10）uF 電容并聯(lián)至輸出端，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

2）（0.35±0.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于1 Ω的鐵氧體磁芯電感連接至輸出端，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

3）（425±1）uF 電容連接至輸入端，輸出端短路，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

4）（425±1）uF 電容連接至輸入電源端，輸出端短路，使能端保持開啟，循環(huán)輸入端開啟關(guān)閉10 000 次；

5）（0.35±0.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于1 Ω的鐵氧體磁芯電感跨接在輸入電源端和輸出端，使能端保持開啟，輸出端短路，循環(huán)輸入端開啟關(guān)閉10 000 次；

6）使能端保持開啟，輸出端開路，循環(huán)輸出端短路開路50 次；

7）使能端保持開啟，輸出端短路，循環(huán)電源端開啟關(guān)閉50 次；

8）使能端在電源端正常時(shí)保持開啟，循環(huán)“輸出端短路→電源端移除→電源端恢復(fù)→輸出端短路移除→電源端移除”50 次。

程序2

1）使能端保持開啟，輸出端開路，循環(huán)輸出端短路開路50 次；

2）使能端保持開啟，輸出端短路，循環(huán)電源端開啟關(guān)閉50 次；

3）使能端保護(hù)開啟，輸出端最大負(fù)載，循環(huán)電源端開啟關(guān)閉50 次；

4）使能端在電源端正常時(shí)保持開啟，循環(huán)“輸出端短路→電源端移除→電源端恢復(fù)→輸出端短路移除→電源端移除”50 次；

5）斷電進(jìn)行3 次循環(huán)：（70±2）℃環(huán)境放置24 h →室溫環(huán)境放置1 h →（-30±2）℃環(huán)境放置至少3 h →室溫環(huán)境放置3 h；

6）通電進(jìn)行10 次循環(huán)：（50±2）℃環(huán)境放置10 min，（0±2）℃環(huán)境放置10 min，高低溫過渡轉(zhuǎn)換時(shí)間5 min；

7）覆蓋2 層紗布，輸出端短路7 天。輸出端串聯(lián)5 A 快熔斷器不開路且監(jiān)測(cè)電流不超過5 A。

程序3

1）滿足IEC 60730-1:2010 第H.17.1.4.2 小節(jié)；

2）（100±5）Ω 電阻和（425±10）uF 電容并聯(lián)至輸出端，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

3）（0.35±0.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于1 Ω的鐵氧體磁芯電感連接至輸出端，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

4）（425±1）uF 電容連接至輸入端，輸出端短路，循環(huán)使能端開啟關(guān)閉10 000 次；

5）（425±1）uF 電容連接至輸入電源端，輸出端短路，使能端保持開啟，循環(huán)輸入端開啟關(guān)閉10 000次；

6）（0.35±0.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于1 Ω的鐵氧體磁芯電感跨接在輸入電源端和輸出端，使能端保持開啟，輸出端短路，循環(huán)輸入端開啟關(guān)閉10 000 次；

7）使能端保持開啟，輸出端短路，循環(huán)電源端開啟關(guān)閉50 次；

8）使能端保護(hù)開啟，輸出端最大負(fù)載，循環(huán)電源端開啟關(guān)閉50 次；

9.）使能端在電源端正常時(shí)保持開啟，循環(huán)“輸出端短路→電源端移除→電源端恢復(fù)→輸出端短路移除→電源端移除”50 次；

10）斷電進(jìn)行3 次循環(huán)：70 ℃環(huán)境放置24 h →室溫環(huán)境放置1 h →-30 ℃環(huán)境放置至少3 h →室溫環(huán)境放置3 h；

11）通電進(jìn)行10 次循環(huán)：49 ℃環(huán)境放置10 min，0 ℃環(huán)境放置10 min，高低溫過渡轉(zhuǎn)換時(shí)間5 min。

IEC 62368-1:2018 及IEC 62368-1:202X（ED4）對(duì)IC限流器可靠性試驗(yàn)要求如下：

使用6 個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)程序見表3。

樣品1：第1 行；

樣品2：第2 行和第3 行；

樣品3：第4 行和第5 行；

樣品4：第6 行；

樣品5：第7 行；

樣品6：第8 行。

在可靠性試驗(yàn)程序后，IC 限流器能按其適用的規(guī)格限制電流或器件開路。IC 限流器開路時(shí)，用新的樣品替換并繼續(xù)進(jìn)行適用的試驗(yàn)。

從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程上看，IEC 60950-1:1999（IEC 62368-1 的前身）已有兩套測(cè)試程序。IEC 62368-1:2010 又開發(fā)出一套測(cè)試程序。IEC 62368-1:2014 認(rèn)為這三個(gè)方案足夠充分，因此均保留。直到2015 年3 月，Northbrook HBSDT 會(huì)議特設(shè)委員會(huì)考慮下述指導(dǎo)原則修訂了試驗(yàn)程序：

1）應(yīng)簡(jiǎn)化測(cè)試程序中的測(cè)試次數(shù)，專注于最可能從安全角度識(shí)別IC 限流器設(shè)計(jì)缺陷的測(cè)試和條件。例如，允許流過比設(shè)計(jì)電流更大的電流。某些已有條件是多余的，或識(shí)別這些缺陷的價(jià)值值得懷疑。

2）適用于半導(dǎo)體器件的測(cè)試條件，而不是適用于傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的測(cè)試條件。例如，與半導(dǎo)體器件（例如IC限流器）相比，10 000 次循環(huán)測(cè)試對(duì)機(jī)電裝置（相對(duì)于部件磨損）具有更強(qiáng)適用性。

3）單獨(dú)測(cè)試時(shí)，在合理的情況下結(jié)合測(cè)試條件以提高效率，同時(shí)嘗試使測(cè)試與自動(dòng)化過程更加兼容（例如，將各溫度測(cè)試結(jié)合為其他所需測(cè)試的子條件）等。

因此，在IEC 62368-1:2018 及后續(xù)版本中，可靠性試驗(yàn)程序相較于IEC 62368-1:2010 及2014 版本內(nèi)容，在環(huán)境高低溫試驗(yàn)、電子電路通斷循環(huán)試驗(yàn)、輸出過載及短路試驗(yàn)方面顯得更有針對(duì)性。然而，為避免出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)換版差異的重復(fù)測(cè)試，一般認(rèn)為已通過IEC 62368-1:2014 測(cè)試程序的IC 限流器滿足IEC 62368-1:2018 及后續(xù)版本測(cè)試程序，不需要復(fù)測(cè)。

3 IC 限流器在IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)用性

IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)中，防火防護(hù)理念與功率源等級(jí)息息相關(guān)。按標(biāo)準(zhǔn)6.4.5 條款的要求，單一故障條件下著火的安全防護(hù)中，控制PS2 電路中的火焰蔓延，考慮到減小PS2 電路中的火焰蔓延到周圍的可燃材料的可能性，符合附錄Q 要求的電路被認(rèn)為是PS2 功率源。因此，若不滿足附錄Q 或PS2，則應(yīng)劃分功率源電路到PS3 級(jí)別，必須附加安裝防火防護(hù)外殼。

按標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定測(cè)量，PS1 為功率源在3 s 后測(cè)量值不超過15 W 的電路，PS2 為超過PS1 限值且5 s 后測(cè)量不超過100 W 的電路。詳見圖2。

圖2 功率源分級(jí)

附錄Q 受限制電源中涉及IC 限流器的內(nèi)容如下：

符合如下要求，認(rèn)為是受限制電源：

——IC 限流器通過可靠性試驗(yàn)，并根據(jù)表4 限制輸出電流（僅IEC 62368-1:2010、IEC 62368-1:2014 執(zhí)行）；

表4 內(nèi)在受限制電源的限值

——IC 限流器通過可靠性試驗(yàn)（僅IEC 62368-1:2018 執(zhí)行）；

——IC 限流器通過可靠性試驗(yàn)且IC 限流器正常輸出電壓范圍不超過60 Vdc（IEC 62368-1:202X（ED4）執(zhí)行）。

IEC 62368-1:2010 和IEC 62368-1:2014 版本中，使用IC 限流器必須滿足表4 要求，可用功率始終局限在100 W 內(nèi)。附錄Q 受限制電源分為內(nèi)在受限制電源（100 VA）和非內(nèi)在受限制電源（由過流保護(hù)裝置控制功率限值250 VA），實(shí)際上附錄Q 是在PS2 電路的100 W 基礎(chǔ)上，以過流保護(hù)裝置為可靠器件，放寬功率限值要求。IEC 62368-1:2018 及后續(xù)版本，只要60 Vdc電路中使用的IC 限流器通過可靠性試驗(yàn)，就認(rèn)為滿足受限制電源要求，則不再有功率限制。

以表1 中的USB PD 3.1 協(xié)議的ERP 和AVS 模式為例，該模式下最大輸出達(dá)到48 V/5 A 級(jí)別，遠(yuǎn)超100 W。而IC 限流器的使用，不僅滿足電路輸出功率的要求，也滿足IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)中受限制電源規(guī)定，降低防火防護(hù)要求。因此，IC 限流器在USB PD 協(xié)議產(chǎn)品中得到全面使用。

4 結(jié)語

IC 限流器運(yùn)用于PS2/PS1 功率源與PS3 功率源的隔離時(shí)，能起到良好的限流效果。然而，IEC 62368-1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IC 限流器僅給出60 Vdc 電壓限制和5 A 電流限值，只要合規(guī)就認(rèn)為是受限制電源，對(duì)使用多個(gè)限流器并聯(lián)未有明確規(guī)定。

IC 限流器的使用初衷是基于安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定豁免單一故障測(cè)試，保證功率源不會(huì)輸出超出行業(yè)技術(shù)規(guī)范要求。如果用電設(shè)備遵循行業(yè)技術(shù)規(guī)范，無論使用一個(gè)或并聯(lián)多個(gè)IC 限流器，輸出功率應(yīng)當(dāng)滿足行業(yè)技術(shù)規(guī)范。如果用電設(shè)備無明確的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，建議僅使用一個(gè)IC 限流器控制輸出功率。