IEC 62368-1 標準關于集成電路（IC）限流器的要求及應用

雷曉陽

（福建省產品質量檢驗研究院 福州 350015）

引言

IC 限流器主要運用于PS2/PS1 功率源與PS3 功率源的隔離，實際使用中大多體現為限流功能。IEC 60335-1標準已率先對“電子電路保護裝置”提出要求，將電脈沖等試驗應用于IC 限流器，并在試驗后評估功率源隔離或限制電流的性能。

IEC 62368-1 標準《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1 部分：安全要求》規定，只要試驗結果能夠證明功率源隔離或限制電流性能達到標準認可的可靠性，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，進而降低防火防護要求。

1 IEC 62368-1 標準對IC 限流器的要求

近年來，通用串行總線（USB）和以太網供電（PoE）發展水平提升明顯，其最大傳輸電功率已超過百瓦。音視頻、信息技術和通信技術設備在進行IEC 62368-1 標準中的異常和單一故障條件試驗時，容易發生電壓、電流和功率水平增加超過行業技術規范（例如USB PD 3.1協議和IEEE 802.3 協議等）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滿足IEC 62368-1標準中關于ES2、PS2 和/或受限制電源等有關規定要求，仍然可能出現過熱、損壞等情況。

USB PD 3.1 協議和IEEE 802.3 協議參數規格分別見表1 和表2。

表1 USB PD3.1 協議參數規格

表2 IEEE 802.3 協議參數規格

在IEC 62368-1 標準中，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輸出電流超過IC 限流器閾值時，電流檢測系統發出電平信號給過流保護電路，過流保護電路啟動電荷泵進行電流調節，進而達到限制電流的作用。

標準規定只要滿足下列所有條件，則不用對其輸入到輸出進行短路：

——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絕緣的電氣間隙和爬電距離（僅IEC 62368-1:2010 版本執行）；

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

——IC 限流器是全電子的，且不能手動操作或復位；

——IC 限流器的輸出電流被限制在5 A 或以下（規定的最大負載）；

——在每項條件試驗后，IC 限流器將電流或電壓限制在要求值以內，按適用情況考慮制造商規定的漂移值；

——通過可靠性試驗程序。

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不超過IEC 62368-1 標準要求和行業技術規范要求。當IC 限流器不滿足IEC 62368-1 標準的可靠性試驗時，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 限流器除滿足參數規格要求，還必須滿足標準的可靠性試驗要求。

2 IEC 62368-1 不同標準版本對IC 限流器可靠性試驗的差異

IEC 62368-1 不同標準版本除了IC 限流器試驗布置（見圖1）一致外，在IC 限流器可靠性試驗程序、步驟等內容有很大差異。

圖1 IC 限流器可靠性試驗示例

根據IC 限流器封裝和設計特征，無源器件的輸入端和電源端為同一概念，有源器件則應根據實際情況加以區分。試驗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格或在最終產品中進行試驗。由制造商提供下列規格用于試驗：

——電源限制/規格（如果小于250 VA）；

——最大輸入電壓（V）；

——最大輸出負載（A）。

IEC 62368-1:2010 對IC 限流器可靠性試驗要求如下：

1）滿足IEC 60730-1:1999 第H.17.1.4.2 小節；

2）100 Ω 電阻和425 uF 電容并聯至輸出端，循環使能端開啟關閉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，循環使能端開啟關閉10 000 次；

4）425 uF 電容連接至輸入端，輸出端短路，循環使能端開啟關閉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，循環輸入端開啟關閉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，循環輸入端開啟關閉10 000 次；

7）使能端保持開啟，輸出端短路，循環電源端開啟關閉50 次；

8）使能端保護開啟，輸出端接最大負載，循環電源端開啟關閉50 次；

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

10）斷電進行3 次循環：70 ℃環境放置24 h →室溫環境放置1 h →-30 ℃環境放置至少3 h →室溫環境放置3 h；

11）通電進行10 次循環：49 ℃環境放置10 min，0 ℃環境放置10 min，高低溫過渡轉換時間5 min。

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

程序1

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

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

6）使能端保持開啟，輸出端開路，循環輸出端短路開路50 次；

7）使能端保持開啟，輸出端短路，循環電源端開啟關閉50 次；

8）使能端在電源端正常時保持開啟，循環“輸出端短路→電源端移除→電源端恢復→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，循環輸出端短路開路50 次；

2）使能端保持開啟，輸出端短路，循環電源端開啟關閉50 次；

3）使能端保護開啟，輸出端最大負載，循環電源端開啟關閉50 次；

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

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

6）通電進行10 次循環：（50±2）℃環境放置10 min，（0±2）℃環境放置10 min，高低溫過渡轉換時間5 min；

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

程序3

1）滿足IEC 60730-1:2010 第H.17.1.4.2 小節；

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

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

7）使能端保持開啟，輸出端短路，循環電源端開啟關閉50 次；

8）使能端保護開啟，輸出端最大負載，循環電源端開啟關閉50 次；

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

10）斷電進行3 次循環：70 ℃環境放置24 h →室溫環境放置1 h →-30 ℃環境放置至少3 h →室溫環境放置3 h；

11）通電進行10 次循環：49 ℃環境放置10 min，0 ℃環境放置10 min，高低溫過渡轉換時間5 min。

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

使用6 個樣品進行試驗，試驗程序見表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。

在可靠性試驗程序后，IC 限流器能按其適用的規格限制電流或器件開路。IC 限流器開路時，用新的樣品替換并繼續進行適用的試驗。

從標準發展歷程上看，IEC 60950-1:1999（IEC 62368-1 的前身）已有兩套測試程序。IEC 62368-1:2010 又開發出一套測試程序。IEC 62368-1:2014 認為這三個方案足夠充分，因此均保留。直到2015 年3 月，Northbrook HBSDT 會議特設委員會考慮下述指導原則修訂了試驗程序：

1）應簡化測試程序中的測試次數，專注于最可能從安全角度識別IC 限流器設計缺陷的測試和條件。例如，允許流過比設計電流更大的電流。某些已有條件是多余的，或識別這些缺陷的價值值得懷疑。

2）適用于半導體器件的測試條件，而不是適用于傳統機電設備的測試條件。例如，與半導體器件（例如IC限流器）相比，10 000 次循環測試對機電裝置（相對于部件磨損）具有更強適用性。

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

因此，在IEC 62368-1:2018 及后續版本中，可靠性試驗程序相較于IEC 62368-1:2010 及2014 版本內容，在環境高低溫試驗、電子電路通斷循環試驗、輸出過載及短路試驗方面顯得更有針對性。然而，為避免出現標準換版差異的重復測試，一般認為已通過IEC 62368-1:2014 測試程序的IC 限流器滿足IEC 62368-1:2018 及后續版本測試程序，不需要復測。

3 IC 限流器在IEC 62368-1 標準中的實用性

IEC 62368-1 標準中，防火防護理念與功率源等級息息相關。按標準6.4.5 條款的要求，單一故障條件下著火的安全防護中，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 要求的電路被認為是PS2 功率源。因此，若不滿足附錄Q 或PS2，則應劃分功率源電路到PS3 級別，必須附加安裝防火防護外殼。

按標準有關規定測量，PS1 為功率源在3 s 后測量值不超過15 W 的電路，PS2 為超過PS1 限值且5 s 后測量不超過100 W 的電路。詳見圖2。

圖2 功率源分級

附錄Q 受限制電源中涉及IC 限流器的內容如下：

符合如下要求，認為是受限制電源：

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

表4 內在受限制電源的限值

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

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

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。附錄Q 受限制電源分為內在受限制電源（100 VA）和非內在受限制電源（由過流保護裝置控制功率限值250 VA），實際上附錄Q 是在PS2 電路的100 W 基礎上，以過流保護裝置為可靠器件，放寬功率限值要求。IEC 62368-1:2018 及后續版本，只要60 Vdc電路中使用的IC 限流器通過可靠性試驗，就認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 協議的ERP 和AVS 模式為例，該模式下最大輸出達到48 V/5 A 級別，遠超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 標準中受限制電源規定，降低防火防護要求。因此，IC 限流器在USB PD 協議產品中得到全面使用。

4 結語

IC 限流器運用于PS2/PS1 功率源與PS3 功率源的隔離時，能起到良好的限流效果。然而，IEC 62368-1 標準對IC 限流器僅給出60 Vdc 電壓限制和5 A 電流限值，只要合規就認為是受限制電源，對使用多個限流器并聯未有明確規定。

IC 限流器的使用初衷是基于安全標準規定豁免單一故障測試，保證功率源不會輸出超出行業技術規范要求。如果用電設備遵循行業技術規范，無論使用一個或并聯多個IC 限流器，輸出功率應當滿足行業技術規范。如果用電設備無明確的行業技術規范，建議僅使用一個IC 限流器控制輸出功率。