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Jul 16, 2023

インテリジェントな非静的電源の評価: 合理的な説明

Nota dell'editore: l'articolo su cui si basa questo articolo è stato originariamente pubblicato.

編集者注: この記事の基になっている論文は、2021 年 9 月にバーチャルで開催された 2021 IEEE International Symposium on Product Compliance Engineering (ISPCE) で元々発表されたものです。

IEEE の好意的な許可を得てここに転載します。 著作権 2021、IEEE。

電力網から供給される主電源とは独立して、通信ケーブルやその他のインフラストラクチャのケーブル配線を介して電力を供給するシステムが考案されるにつれて、電源はより複雑になっています。 この文書では、制御システムが電源に組み込まれており、リモートからのフィードバックが含まれているため、静的主電源として動作しないこれらの電源または電源に関して、電圧、電流、および電力を適切にテストおよび測定する方法を明確にすることを提案します。適切な動作を維持したり、連続電力出力を開始したりするために、受電装置や電源への配電ケーブルを接続します。

これらのインテリジェントまたは非静的電源の例には、USB、パワー オーバー イーサネット (PoE)、逆給電 (RPF)、および「インテリジェント障害管理」テクノロジーが含まれます。 これらのテクノロジーおよびインテリジェント障害管理システム (「障害管理電源システム」とも呼ばれる) には、一部のリモート機器への指定された接続を感知して電源を投入したり、障害状態が発生したときに電圧レベルを切断または低下させたりするソースが含まれる場合があります。感じた。 検出された障害状態には、異常な負荷インピーダンスまたは回路、および/またはシミュレートされた人間によるブリッジが含まれる可能性があります。

ソース機器の評価のみに基づいて適切なテストを実行し、適切な測定を行うことができないと、機器が安全でない状態で使用されることになり、機器または接続されたケーブルに感電や火災の危険が生じる可能性があります。

私たちがトレーニングや経験から深く考えずに実行していることはたくさんあります。 私たちはこれらを基本的な仮定と呼び、それらは私たちの生活のあらゆる部分の一部です。 製品の安全性テストに関しては、被試験装置 (EUT) の実行に必要な電力がすぐに利用でき、DC または AC の主電源から供給されるという前提が常にあります。 そのため、当社では安全規格の要求に応じて製品銘板にのみ記載しており、一般的にはこれで十分です。 しかし、給電装置 (PSE) と呼ばれるテスト対象機器からの二次出力、または受電装置 (PD) と呼ばれるリモート デバイスへの電力の評価を適切に適用するには、これをより詳細に検討する必要があります。 使用されるプロセスはよく知られており、通常はプロビジョニングまたは構成と呼ばれ、この説明ではこれを使用します。 プロビジョニング (通常はソフトウェア/ファームウェア) または構成 (通常はハードウェア) には、ファームウェア/ソフトウェアに加えて、必要なさまざまな正常、異常、および障害のテストに合わせて調整する必要がある負荷機器の提供が含まれます。 また、測定が必要な特定の出力または信号を生成するために、PSE と通信するサポート機器を使用する必要がある場合もあります。

主電源から電力を受ける多くの家電製品、オフィスおよび商業用の単相機器の通常の状況を調べると、電源がテスト ラボで利用可能であり、必要な銘板の電圧と電流を提供し、処理能力を備えていることが期待されます。テスト中の適切な動作に必要な正常電流、異常電流、および障害電流。 このような機器のテストには、生のグリッド電力を使用することが確かに適切です。 中間の調整可能な電源 (ローカル発電機または可変電源) がある場合は、テストを開始する前にさらに精査する必要があります。 このことは、私たちが通常使用する安全基準にも記載されていません。 それが想定されます。

PSE 製品が下流の機器にも電力を供給する場合、特性を仮定せずに PSE 製品を完全に理解するのは難しい場合があります。 PD を評価する場合、定格入力 (電圧と電流または電力) を理解する必要があります。 ただし、PD に電力を供給している PSE の場合、安全基準では通常、これらの電源のラベルを付ける必要はありません。 したがって、テストラボは、PD を評価するためにソースの特性を判断して理解する必要があり、おそらくより重要なのは、PSE 出力ソースを、次のような方法でテストを実行できる状況に確実に置く方法を理解する必要があることです。安全規格の意図を再現しています。 これには、サポート機器、特別なソフトウェア/ファームウェア、さらには代表的な PD の接続など、機器に関するかなりの知識が必要となる場合があります。 これらの概念は、多くの場合、評価のために提出された特定の機器のみを含む多くの製品安全性評価には馴染みのないものである可能性があります。 追加の機器が必要な場合、これはシステムレベルテストと呼ばれることが多く、通常の使用で接続されている機器は不明であることが多く、同じベンダーによって製造されていないこともあるため、多くの安全規格は単一の固有の機器のテストに基づいて作成されています。 。 非静的またはインテリジェントなソースは追加の制御情報を (一方または両方の端で) 使用するため、これを明確に開示する必要があり、ほとんどの場合、回路を動作させるためだけに適切な送信および受信モジュールが提供されます。 必要な負荷機器は、必要となる可能性のある他のプロビジョニング/設定ソフトウェア/ファームウェア機器に加えて提供されます。

IEC 62368‑1 は特に機器規格として参照されており、そのため多くの研究所やメーカーが PSE と PD をスタンドアロンの固有のエンティティとして独立してテストしていることに注意してください。 IEC 62368‑1 はシステム標準ではないため、リモート エンドの機器 (PSE または PD) は特定の評価の範囲外であるとよく議論されます。 これはかなりの難問を生み出します。期待される条件を得るには、機器のテストと負荷が必要であることが予想されますが、システムの実際の反対側の端や、最悪の場合のデバイスを表すデバイスが存在しないためです (あるいは、場合によっては、それさえも必要ありません)。 IR 損失が重大な負荷となる可能性があるケーブル配線など）、さまざまなテストで望ましい状態を達成することができません。 場合によっては、PSE または PD のメーカーが遠端機器の製造さえ行っていないことがあり、これがさらに困難になります。 簡単な例の 1 つは PoE です。PoE スイッチは大手スイッチ メーカーによって製造されており、4 ～ 96 個のポートを備え、PoE 給電で供給できる最大量の電力 (たとえば、合計 800 ワット) を備えており、ソフトウェアがその方法を制御します。接続されているデバイスと必要な電力消費に基づいて、多くのワット数がケーブル配線と PD (IP 電話、セキュリティ カメラ、LED 照明など) に配分されます。 そして、多くの場合、PD メーカーは PSE を製造しておらず、その逆も同様です。

この難題には、IEC 62368‑1 の前提条件と要件を再考する必要があります。 ここで、適切なテストのためのプロビジョニング/構成には、システム内の単一エンティティを評価するためのシステムレベルの概念と設定が必要であり、またテストラボによる製品の動作特性の完全な理解も必要です。 機器メーカーとテストラボの両方は、テストされる機器の完全な評価を可能にする、テストセットアップに提供される機器について合意に達する必要があります。 追加モジュールなど、評価に必要な PSE または PD のいずれか。

IEC 62368‑1、IEC 60950-1、IEC 62368‑3、およびその他のほとんどの規格は、PSE から PD に電力が供給される外部情報通信技術 (ICT) 回路が、最大出力を出力する回路によって給電されることを前提としています。無負荷の開回路への電圧の測定値は、一般に開回路電圧と呼ばれます。 一般に、負荷がかかると、抵抗が低下する (PSE の負荷が増加する) ため電圧が低下し、フォールドバックが発生するまで (通常はスイッチング電源の場合)、または最大の短絡電流が供給されるまで (通常はリニア電源の場合) 電流が増加します。 ）。 これらの電源は、安全規格で定義されている 2000 オームや 5000 オームなどの抵抗値の抵抗負荷に対して予想どおりに応答する可能性があります。 これらの値は、特定の条件下での典型的な人体の抵抗をシミュレートします。 安全であるとみなされるには、電源は、感電保護を提供するために、IEC 62368‑1 表 4「電気エネルギー源の制限…」に定義されているように、安全なタッチ電流または許容可能な低いタッチ電圧を供給する必要があります。 これらの値は、IEC 60990 測定技術を使用した IEC 60479-1 に基づいています。

ただし、多くの新しい技術や電源には、抵抗負荷への出力がありません (または、非常に小さなオン前またはくすぐり出力があります)。 そのため、正常なPDを含む検査が意図したとおりに実施されていないことが明らかになってきている。 これには、絶縁要件などの基準に影響を与える発生源の分類の決定が含まれますが、これに限定されません。 また、ソースが最大出力に近いところで動作していないため、表面温度の測定やその他の熱負荷試験にも影響します。

たとえば、PoE は、PD からのインピーダンス シグネチャを探して、周期的または小さな出力電圧を出力します。 ハンドシェイク署名を確認するまで、PD に電力を供給するために通常の電圧と電流を供給しません。 また、IEC 62368‑1 で指定されている開回路またはその他の条件 (非容量性負荷など) では、PoE PSE はこれらの小さな信号のみを無期限に送信します。

世界中の研究室からレビューされたテスト レポートの大部分は、このタイプの PoE 外部回路について電圧がないか、またはわずかな電圧しか報告されていないことを示しています。 IEC 62368‑1 では、機器の測定や負荷に非容量性負荷や開回路を使用することが定義されているため、これは予想外のことではありません。 これらの状況では適切なハンドシェイクが発生しないため、回路の特性を評価したり、安全規格の要件に照らして評価したりできるようにソースのアクティブ化は実行されません。 定義された負荷条件下での機器または回路のテストは、回路特性のこの初期チェックが正常に完了するまで、意図したとおりに実行できません。負荷シミュレータまたは代表的なワーストケースの PD およびケーブル接続が必要です。

もう 1 つの例は、通常 RFT-V および RFT-C をはるかに超えて動作するテクノロジ (実効ワット数が数千ワットで約 330 ～ 400VDC) ですが、IEC 62368‑1 が今日解釈されているように、このテクノロジには出力がないことになります。多少容量性があり、その PSE 用に特別に設計されています。 出力は、IEC 62368‑1 でテスト用に指定されている開回路または抵抗性、非容量性負荷への偶発的なパルスです。 繰り返しますが、これは、回路を立ち上げて実行し、特定の負荷条件でテストする前に特性を評価するための適切な構成ガイダンスを標準で提供していないことです。

詳細と意図は、IEC 62368‑1 第 4 版の附属書 B で明らかにされる予定であり、これらの回路が適切にテストされ報告されることを保証するための同じ明確化は、IEC 62368‑2 根拠で説明されています。 これは、適切なシステム レベルの方法を使用して通常動作をシミュレートすることによって実現されます。これには、IEC 62368‑1 で想定される条件が含まれ、通常は開回路と非容量性負荷を含むさまざまな負荷が適用された状態でテストされます。 ただし、追加のケーブル/負荷が必要な場合に、PSE ソースまたは PD 負荷で開回路電圧測定を行う方法について疑問が生じる場合があります。 測定は最小限の負荷で行う必要がある場合があります。 その他の必要なテスト ケースでは、回路の負荷または測定に特定の抵抗を使用する場合があり、これらの抵抗により電源がトリップしたりオフになったりする可能性があります。 答えは単純ではなく、テストプロセス中にかなりの考慮が必要です。 標準の意図への適合性を実証するには、テストを実行する際に合理性を考慮する必要があります。

ここでは、議論されている問題をカバーするために、IEC 62368‑1 の条項ごとに提案されている特定のテキストの概要を説明します。

標準の最終的な特定のテキストは、標準のどのバージョンが更新されるかに応じて調整されます。

機器は、B.2 項に規定されている通常の動作条件、B.3 項に規定されている異常動作条件、および B.4 項に規定されている単一故障状態の下で、事故を軽減するための安全装置が提供されるように設計および構築されなければなりません。怪我をしたり、火災の場合には物的損害が発生する可能性があります。

怪我を引き起こす可能性のある機器の部分にはアクセスできないようにし、アクセス可能な部分が怪我を引き起こしてはなりません。

1 つ以上の電源が、電源出力をオンにする、電源出力をアクティブに維持する、または通常時に意図した出力電圧、電流、または電力を取得するために、特定の構成技術、負荷、プロトコル、またはソフトウェアを必要とするように機器が設計されている場合、異常および単一故障状態とその出力を達成する方法は、評価およびテストのために提供され、採用されるものとします。

たとえば、意図した代表的な最悪の場合の負荷または外部受電装置を接続し、配電配線および適用負荷の障害状態下を含む必要な負荷で繰り返します。

これは、ES および PS 分類の出力電圧と電流、建物やその他の配線での使用、IEC 62368‑1、付録 Q、建物配線への接続を目的とした回路、加熱試験の適切な負荷などの特性を決定するために重要です。 。

これらの例は必ずしもすべてを網羅しているわけではありません。

適合性は検査および関連するテストによってチェックされます。

ソースが機器内の回路である場合、回路の保護電流定格は次のとおりです。

電流が過電流保護装置によって制限されている場合の過電流保護装置の定格。 または

電流が電源のソースインピーダンスによって制限される場合の最大出力電流。 出力電流は、電流がインピーダンスによって制限されている場合、または電流制限デバイスがヒューズ、回路ブレーカー、または PTC である場合は、安定化後に測定される短絡を含む抵抗性負荷で測定されます。通常、負荷の適用後 60 秒以上後に測定されます。デバイスの停止、または 5 秒以上などの長時間の場合もあります。

ソースが通常の電圧/電流を抵抗負荷に出力しないタイプの場合、ソースは、ソース電圧/電流をオンにし、最悪の場合を含む必要なテスト条件を作成する終端デバイス/インピーダンスに接続する必要があります。試験条件。

5.7.1 一般

予想されるタッチ電圧、タッチ電流、保護導体電流の測定は、EUT に最も不利な電源電圧を供給して行われます (B.2.3 を参照)。

アクティベーション: 電源が負荷間のハンドシェイク/ネゴシエーションを必要とするタイプ、または負荷をインテリジェントに検出するタイプで、その結果、通常発生する電圧/電流を抵抗負荷に出力できない場合、電源を終端装置に接続する必要があります。 /インピーダンスは、電源電圧/電流をオンにし、指定された定格条件下で出力を生成します。

6.2.2.1 一般

電気回路は、電源から回路に利用できる電力に基づいて PS1、PS2、または PS3 に分類されます。 電源の分類は、次の各条件下で最大電力を測定することによって決定されます。

電源または負荷回路が、通常発生する電圧/電流を抵抗負荷に出力できないタイプの場合、電源電圧/電流をオンにして最悪の電圧を生成する起動終端デバイス/インピーダンスに電源を接続する必要があります。 - 正常な状態および障害状態でのケースの電力供給。 このタイプの負荷デバイスを測定する場合、ソースは、通常の動作状態および障害時に供給できる最大有効電力です。

電力は、図 34「最悪の場合の障害の電力測定」および図 35「最悪の場合の電源障害の電力測定」のポイント X および Y で測定されます。

図 1: IEC 62368-1、図 34、最悪の場合の障害の電力測定

図 2: IEC 62368-1、図 35、最悪の場合の電源障害の電力測定

配線システムを介して遠隔機器に電力を供給することを目的とした機器は、通常の動作条件または外部負荷条件下で、過熱により配線システムに損傷を与えない値に出力電流を制限する必要があります。 装置からの最大連続電流は、装置の設置説明書に指定されている最小ワイヤゲージに適した電流制限を超えてはなりません。

注: 配線は機器の設置とは独立して設置されることが多いため、この配線は通常、機器の設置手順によって制御されません。

電力を供給し、外部回路に LPS と互換性を持たせることを目的とした PS2 回路または PS3 回路 (付録 Q を参照) は、出力電力を、通常の動作時および外部障害状態時に建物の配線内での発火の可能性を低減する値に制限する必要があります。

表 13「外部回路の過渡電圧」に記載されている、最小ワイヤ直径 0.4 mm の ID 番号 1 および 2 などの外部ペア導体ケーブル回路では、電流が 1.3 Arms または DC に制限されている必要があります。

例: IEC 60269-2 に規定されているタイプ gD およびタイプ gN ヒューズの時間/電流特性は、上記の制限に準拠しています。 定格 1 A のタイプ gD またはタイプ gN ヒューズは、1.3 A の電流制限を満たします。

適合性は試験、検査によってチェックされ、必要に応じて附属書 Q の要件によってチェックされます。

他の機器に電力を供給する機器の出力端子は、主電源に直接接続されたコンセントや家電製品のコンセントを除き、短絡を含む最も好ましくない負荷インピーダンスに接続されます。

電源が通常の電圧/電流を抵抗負荷に出力しないタイプの場合、電源は、電源の電圧/電流をオンにして最悪の場合の通常状態と異常状態を作り出す終端装置/インピーダンスに接続する必要があります。

E.1 オーディオ信号の電気エネルギー源の分類 オーディオ信号を電気エネルギー源として分類する場合 (表 E.1 を参照)、機器は、クリップされていない最大出力電力をその定格負荷インピーダンスに供給するように動作しなければなりません。 負荷が取り除かれ、その結果生じる開路出力電圧から電気エネルギー源のクラスが決定されます。

ソースが通常の電圧/電流を抵抗負荷に出力しないタイプの場合、ソースは、ソースの電圧/電流をオンにする終端デバイス/インピーダンスに接続する必要があり、これにより最悪の場合の正常および異常状態が発生します。

Q.1.1 要件

制限された電源は、次のいずれかに準拠する必要があります。

PTC デバイスを使用する場合、次のことを行う必要があります。

過電流保護装置が使用される場合、それはヒューズまたは非調整可能、非自動リセットの電気機械装置でなければなりません。

電源が負荷間のハンドシェイク/ネゴシエーションを必要とするタイプ、または負荷をインテリジェントに検出するタイプで、その結果、通常発生する電圧/電流を抵抗負荷に出力できない場合、電源を終端デバイス/インピーダンスに接続する必要があります。電源の電圧/電流をオンにし、指定された条件下で電力供給を生成します。

Q.1.2 試験方法と適合基準

適合性は検査と測定によってチェックされ、必要に応じてバッテリーのメーカーのデータを検査することによってチェックされます。 表 Q.1 および表 Q.2 に従って Uoc および Isc の測定を行うときは、バッテリーを完全に充電する必要があります。 バッテリーや主回路などからの最大電力を考慮する必要があります。

負荷は、表 Q.1 および表 Q.2 の脚注 b および c、および Q1.1 で参照されています。 最大電流と最大電力伝達を順番に実現するように調整されます。 単一故障条件は、これらの最大電流および電力条件下で、Q.1.1 項 c) に従って調整ネットワークに適用されます。

Q.2 外部回路のテスト - ペア導体ケーブル

建物の配線に接続することを目的とした外部回路のペア導体ケーブルに電力を供給する機器は、次のようにチェックする必要があります。

電源の固有インピーダンスによる電流制限の場合は、短絡を含む抵抗負荷 (Q.1 の e または Q.2 の f を参照) への出力電流が測定されます。 60 秒間のテスト後は、電流制限を超えてはなりません。 指定された時間/電流特性を持つ過電流保護デバイスによって電流制限が提供される場合:

指定された時間/電流特性を持たない過電流保護装置によって電流制限が行われる場合:

概念的には単純ですが、PSE または PD ユニットの必要な完全な評価を達成するための適切な要件の実装は、それぞれが独立して動作することを保証するために IEC 62368‑1 などの規格の全体的な要件に適合させる場合に複雑になります。安全な方法で。

ここで説明する詳細は、このタイプの機器の評価プロセスを扱った個人的な経験、規格に規定されている要件の詳細な理解に加えて、合理性、つまり危険に基づく規格の適応手法をプロセスに適用したことに基づいています。これらのユニットの評価を行います。

ここでの詳細は、評価で考慮する必要がある特定の詳細を概説する IEC 62368‑1 による包括的なロードマップをユーザーに提供します。

評価プロセスの各関係者は、他の状況（通常はそれほど複雑ではない）で行われるのと同様に、これらの評価を適応させる際に合理性を適用し、設置された安全措置がユーザーとユーザーを保護するのに十分であることを示すことで危険性を完全に評価する必要があります。ローカル環境。

著者らは、この未解決の問題に対処するためのフィードバックを提供してくれた IEC TC 108 HBSDT に感謝するとともに、この進行中の困難な問題に対処するために、ここで詳細に修正を加えて示した IEC 62368‑1 からの基本引用を提供してくれた IEC に直接感謝します。

ジム・ウィーズピーター・パーキンスポーパワーPSE規格テスト

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