Une alimentation appropriée est essentielle pour répondre aux nouvelles exigences de sécurité des produits grand public CEI/UL CEI-62368

Les concepteurs de produits grand public doivent répondre à une série d'exigences liées à la sécurité en plus de nombreux objectifs en termes de fonctionnement et de performances, ainsi qu'à des exigences de rendement et d'interférence électromagnétique (EMI). Ces exigences réglementaires sont complexes, mais une nouvelle norme, à savoir la norme de sécurité CEI 62368-1 pour les équipements des technologies de l'information et de la communication (TIC) et audio/vidéo (A/V), aidera les concepteurs, mais seulement s'ils comprennent son objectif et les exigences qui y sont associées.

Il existe actuellement deux normes largement utilisées qui couvrent ces domaines : la norme CEI 60950‑1, Matériels de traitement de l'information - Sécurité et la norme CEI 60065, Appareils audio, vidéo et appareils électroniques analogues - Exigences de sécurité. Le 20 décembre 2020, celles-ci seront retirées et remplacées par la norme unique CEI 62368-1.

La nouvelle norme va au-delà de l'élimination des différences et des chevauchements entre les deux classes de produits des anciennes normes. Elle transforme la perspective de la sécurité d'une évaluation « basée sur les incidents » à une évaluation « basée sur les risques », avec un changement correspondant des exigences pour s'adapter aux technologies existantes, mais sans restreindre les avancées émergentes.

Cet article traite du rôle et des points forts de la norme CEI 62368-1 et de son impact sur les conceptions. Il examine ensuite les fonctions et les sous-systèmes, en particulier les alimentations, qui jouent un rôle majeur dans le respect de la nouvelle norme. Pour terminer, il présente les solutions d'alimentation de CUI Inc. qui répondent à ses exigences afin que les ingénieurs puissent faire approuver les produits plus facilement et les commercialiser plus rapidement.

CEI 62368-1 : pourquoi et pour quels produits

Il y a quelques décennies à peine, il y avait des différences évidentes entre les produits audio/vidéo et les technologies de l'information (TI), c'est-à-dire les produits informatiques. Par conséquent, chacune de ces classes de produits traditionnelles avait sa propre norme de sécurité associée. Cependant, les avancées et les changements survenus dans les technologies et les produits ont brouillé la frontière entre ces deux groupes et leur chevauchement s'est considérablement accru. Une nouvelle norme de sécurité commune était donc nécessaire pour remplacer les normes individuelles.

La version originale de la norme CEI 62368-1 a été développée par la Commission électrotechnique internationale (CEI), l'un des plus anciens organismes de normalisation du monde. Pour ce faire, la CEI a créé le comité technique (TC) 108, composé d'experts, d'universitaires et de responsables gouvernementaux, dont l'obligation était d'élaborer une nouvelle norme qui remplacerait les normes CEI 60065 et CEI 60950-1 plutôt que de simplement réviser et mettre à jour chaque norme individuelle (Figure 1). La norme résultante développée par le comité TC 108 a ensuite été officiellement adoptée par la CEI et un grand nombre de pays et régions ont été « harmonisés » avec cette norme, notamment les États-Unis.

Figure 1 : La norme CEI 62368-1 est une toute nouvelle norme de sécurité avec une nouvelle approche couvrant une large gamme de produits grand public et de bureau, mais elle a une histoire et un contexte évolutifs. (Source de l'image : Power Systems Design)

Voici une liste non exhaustive des nombreuses classes de produits couvertes par la norme CEI 62368-1 :

• Produits de réseau et informatiques (serveurs, ordinateurs de bureau, routeurs, ordinateurs portables, tablettes et leur alimentation)
• Appareils électroniques grand public (amplificateurs, systèmes home-cinéma, appareils photo numériques et lecteurs de musique portables)
• Écrans et unités d'affichage (moniteurs, téléviseurs, projecteurs numériques)
• Produits de télécommunications (équipement d'infrastructure réseau, téléphones sans fil et portables et dispositifs de communications similaires, notamment les dispositifs alimentés par batterie)
• Appareils de bureautique (photocopieurs et déchiqueteuses de documents)
• Différents autres types d'équipements de technologies de l'information et de la communication et audio/vidéo utilisés dans les maisons, les écoles et les institutions et environnements similaires

La norme CEI 62368-1 n'est pas qu'une simple révision qui met à jour et fusionne ses deux prédécesseurs. Au lieu de cela, elle utilise une approche fondée sur les risques, officiellement appelée HBSE (Ingénierie de la sécurité basée sur les risques), pour couvrir les problèmes de sécurité liés à la fois aux équipements électroniques et aux technologies de l'information et de la communication. Plutôt que d'examiner et de définir des descriptions détaillées des exigences de sécurité, la nouvelle approche met l'accent sur les risques qui peuvent survenir et donne en même temps aux fabricants la latitude nécessaire pour décider comment concevoir la protection contre ces risques. Elle met donc davantage l'accent sur l'évaluation de la sécurité d'un produit pendant la phase de conception. En utilisant les principes HBSE, la norme CEI 62368-1 présente les attributs suivants :

• Elle est plus axée sur les performances, mais autorise également (pour l'instant) les constructions acceptées si leur sécurité a déjà été prouvée (par exemple, avec la norme CEI 60065 et/ou la norme CEI 60950-1)
• Elle est indépendante de la technologie (dans des limites définies) et permet une plus grande liberté de conception
• Elle est applicable à une gamme plus large de produits électroniques existants, mais prend également en charge l'introduction de nouvelles technologies sur le marché mondial

Le 20 décembre 2020, les normes CEI/UL/CSA 60950-1 et CEI/UL/CSA 60065 seront officiellement retirées. Après cette date, les fabricants devront se conformer à la norme CEI/UL 62368 pour garantir la conformité s'ils souhaitent proposer des produits sur le marché.

Notez qu'il existe une disposition importante, mais temporaire, qui permet aux entreprises de continuer à utiliser leur stock de composants 60950-1 et 60065 dans des produits certifiés 62368-1, en fait de maintenir les droits acquis de ce stock dans certaines circonstances et certaines zones géographiques. Plus précisément, la sous-clause 4.1.1 stipule : « Les composants et les sous-assemblages conformes à la norme CEI 60950-1 ou CEI 60065 sont acceptables en tant que partie de l'équipement couvert par la présente norme sans autre évaluation que la prise en compte de l'utilisation appropriée du composant ou du sous-assemblage dans le produit final ». Par exemple, pour une alimentation homologuée, cette « prise en compte » peut se résumer à s'assurer que le produit est uniquement utilisé dans les limites de ses caractéristiques électriques établies.

HBSE : ce que cela signifie

L'approche HBSE exige des fabricants de produits qu'ils démontrent que les risques connus ont été pris en compte et que le produit a été conçu pour une utilisation sécurisée dans le contexte attendu. En d'autres termes, plutôt que de simplement dire : « Vous devez protéger l'utilisateur contre cette situation spécifique telle qu'un point de haute tension connu qui peut être éventuellement exposé », elle indique : « Vous devez évaluer les différents risques et les traiter de manière appropriée, en fonction de chaque type et niveau de risque ».

Ainsi, les fabricants ne doivent plus seulement se contenter de démontrer que les spécifications prescrites ont été respectées. Notez qu'elle ne nécessite pas d'analyse du risque, tandis que d'autres normes le font encore, comme la norme CEI 60601-1 - Appareils électromédicaux - Partie 1-2 : Règles générales pour la sécurité de base et les performances essentielles - Norme collatérale : Compatibilité électromagnétique - Exigences et essais.

L'approche HBSE fixe l'objectif de protéger les utilisateurs d'équipements en exigeant des fabricants qu'ils identifient toutes les sources d'énergie potentiellement dangereuses ainsi que les mécanismes par lesquels cette énergie pourrait être transférée à un utilisateur. Ensuite, ils doivent proposer et implémenter des moyens appropriés pour empêcher ces transferts de se produire, à la fois en fonctionnement normal et en condition de panne. Les mesures de protection sont mises en place pour protéger contre la douleur ou les blessures causées directement par l'énergie électrique (choc électrique) ou les brûlures thermiques et/ou pour prévenir les incendies d'origine électrique qui pourraient entraîner des douleurs, des blessures, la mort ou des dommages matériels. Enfin, l'approche HBSE évalue également l'efficacité des mesures de protection.

Le modèle HBSE comprend trois blocs : la source d'énergie, le mécanisme de transfert et la partie du corps (Figure 2). La « solution » au risque posé par la source d'énergie est exprimée comme un modèle similaire à trois blocs, mais avec une mesure de protection mise à la place du mécanisme de transfert d'énergie.

Figure 2 : La stratégie de la norme CEI 62368-1 consiste à identifier les sources d'énergie dangereuses et leurs trajets possibles vers l'utilisateur, puis à fournir des mesures de protection contre ce trajet et ce flux d'énergie. (Source de l'image : InComplianceMag.com)

La norme CEI 62368-1 exige également que le fabricant prenne en compte les niveaux de mesures de protection nécessaires en fonction des différents types d'utilisateurs et de sources d'énergie, avec trois catégories pour chacun. Pour les utilisateurs, ces trois catégories sont « Personne qualifiée », « Personne formée » et « Personne ordinaire ». Les sources d'énergie sont classées selon un tableau, avec une version simplifiée illustrée à la Figure 3.

Figure 3 : La norme CEI 62368-1 reconnaît trois caractéristiques de danger pour les sources d'énergie, puis définit dans quelle mesure, le cas échéant, des mesures de protection doivent être fournies pour chacune. (Source de l'image : CUI)

Les deux gradations du niveau d'utilisateur et de la source d'énergie se combinent ensuite dans une matrice (Figure 4).

Figure 4 : Pour établir le niveau et le type de mesure de protection requis pour chaque source d'énergie, la norme CEI 62368-1 combine le risque de source d'énergie avec le niveau de compétence et l'expertise de l'utilisateur. (Source de l'image : SGS SA)

Les utilisateurs courent moins de risques lorsqu'ils passent d'une personne ordinaire à une personne qualifiée, tandis que les sources d'énergie deviennent plus dangereuses à mesure que la classe énergétique augmente, se déplaçant de gauche à droite. Ainsi, selon la norme, une personne ordinaire utilisant un produit de classe 3 (source d'énergie 3 ou ES3) aurait besoin d'une mesure de protection supplémentaire ou renforcée, comme un double isolement ou un blindage spécial, tandis qu'une personne qualifiée utilisant un produit ES3 n'aurait pas besoin du même niveau de protection.

La norme CEI 62368-1 utilise un processus en quatre étapes :

• Premièrement, identifier les sources d'énergie
• Deuxièmement, les classifier (classe 1, 2 ou 3)
• Troisièmement, identifier les mesures de protection appropriées
• Et enfin, mesurer l'efficacité des mesures de protection choisies

Les mesures de protection sont divisées en deux groupes (approches et niveaux), les « approches » spécifiant la ou les méthodes utilisées pour faire fonctionner la mesure de protection et les « niveaux » caractérisant la force de la mesure de protection (Figure 5).

Figure 5 : La norme CEI 62368-1 identifie le niveau de protection approprié nécessaire et analyse ensuite les approches d'implémentation. (Source de l'image : SGS SA)

Priorité aux niveaux d'énergie

Les niveaux d'énergie, ainsi que la tension et le courant, sont la clé de la conformité. Si le niveau d'énergie est faible (ES1), il n'y a pas grand-chose ou rien à craindre. Notez que les limites de courant et de tension spécifiques correspondant à ES1, ES2 et ES3 varient et peuvent également être déterminées par la fréquence. Par exemple, en dessous de 1 kHz, la limite ES1 est de 30 VRMS, 42,4 V crête et 60 VCC, tandis que la limite ES2 est de 50 VRMS, 70,7 V crête et 120 VCC.

Pour compliquer la situation, l'équipement doit respecter la limite de tension ou de courant spécifiée dans la classe énergétique applicable, mais n'a pas à respecter les deux. De plus, les limites telles que définies par les normes varient également en fonction d'un fonctionnement normal ou anormal, ou d'une condition de panne simple ; il existe même des sous-sections qui détaillent les limites des formes d'onde pulsées et leurs temps d'arrêt (Figure 6 et Figure 7).

Figure 6 : Étant donné que les incendies électriques sont causés par une combinaison d'énergie et de temps, la norme CEI 62368-1 examine la relation entre ces deux paramètres clés. (Source de l'image : CUI)

Figure 7 : La norme caractérise également les niveaux d'énergie susceptibles de provoquer un incendie électrique. (Source de l'image : CUI)

Que doit faire un ingénieur de conception ?

Les concepteurs qui pensent comprendre la nouvelle norme et peuvent donc facilement s'y conformer appartiennent à l'un des deux groupes suivants :

1. Une personne qui a suivi des cours liés aux normes, a suivi une formation, a déjà travaillé avec les normes CEI existantes et a personnellement suivi le processus d'approbation.
2. Une personne qui est naïve et/ou téméraire. En effet, la norme présente un ensemble complexe d'exigences parfois déroutantes. En outre, l'identification des options de protection implique de faire des choix à partir d'une longue liste. Savoir laquelle utiliser où et comment n'est ni évident ni futile.

Les mesures de protection à considérer incluent, mais sans s'y limiter, la mise à la terre (véritable mise à la terre), les boîtiers électriques, les boîtiers coupe-feu et l'isolation. Il existe également des mesures de protection installées, comme la liaison à une terre externe, et des mesures de protection pédagogiques, notamment le marquage de sécurité. Enfin, des mesures de précaution doivent être conçues dans les cas où les utilisateurs ordinaires reçoivent des instructions de personnes qualifiées, et même des mesures de protection dites « basées sur les compétences » qui permettent de se fier à la capacité d'un praticien qualifié de se protéger contre les risques présentés par les sources d'énergie de classe 2 et de classe 3.

Se concentrer sur l'alimentation

La première question qu'un concepteur doit se poser est : quelle est la principale source d'énergie qui place cette conception dans la zone à risque ? Pour de nombreux produits couverts par cette norme, la réponse est évidente : il s'agit de l'alimentation CA. Pour cette raison, si une alimentation conforme aux normes est sélectionnée, puis correctement déployée, une grande partie du problème de conformité disparaît et le défi de conception est considérablement réduit.

Heureusement, des fournisseurs d'alimentations tels que CUI ont étudié et analysé la nouvelle norme en vue de son échéance de décembre 2020 et proposent déjà une gamme d'alimentations CA qui dépassent les exigences. Ces alimentations vont des unités de puissance relativement faible (moins de 10 W) aux unités de milieu de gamme et même à des alimentations plus importantes affichant une puissance à trois chiffres. Trois exemples illustrent la gamme et la capacité de ces alimentations.

Le SWI6-9-N-P5 de CUI est un adaptateur à montage mural CA/CC de 9 V, 6 W qui fait partie d'une gamme d'adaptateurs avec des sorties de 3,3 V à 15 V (Figure 8). Il fonctionne de 90 à 264 VCA et répond au rendement de niveau VI du département de l'énergie américain (DoE) avec une consommation énergétique à vide inférieure à 0,1 W. Il comprend une protection contre la surintensité, une protection contre la surtension et une protection contre les courts-circuits dans un boîtier compact pesant 78 g et mesurant 56 mm × 28 mm × 42 mm.

Figure 8 : Le SWI6-9-N-P5 de CUI Inc. est un adaptateur à montage mural CA/CC de 9 V, 6 W entièrement conforme à la norme CEI 62368-1 pour un usage externe. (Source de l'image : CUI)

Pour des tensions et des puissances nominales supérieures, le SMI18-24-V-P5 de CUI est un adaptateur à montage mural de 24 V, 18 W avec des adaptateurs à plusieurs broches, faisant partie d'une gamme d'unités de 5 V à 24 V (Figure 9). Cette unité est conforme aux caractéristiques de rendement DoE niveau VI, CoC (code de conduite européen) niveau 2, avec une consommation énergétique à vide inférieure à 0,075 W et une protection similaire à l'unité de 6 W. Une caractéristique unique de cette alimentation à entrée universelle de 170 g, 75 mm × 35,8 mm × 65,6 mm, est qu'elle est livrée avec des broches CA interchangeables pour une utilisation dans le monde entier (Amérique du Nord, Europe, Royaume-Uni, Australie et Chine).

Figure 9 : Le SMI18-24-V-P5 est un adaptateur à montage mural de 24 V, 18 W conforme à la norme CEI 62368-1 et livré avec un ensemble d'adaptateurs à plusieurs broches, afin que la même unité puisse être utilisée dans le monde entier. (Source de l'image : CUI)

Bien sûr, de nombreuses applications nécessitent des puissances nominales encore plus élevées, telles que celles offertes par l'adaptateur de bureau CA/CC SDI120-12-U-P51 de CUI. Il est répertorié à 12 V, 120 W et fait partie d'une gamme de 12 V à 48 V avec cette puissance nominale (Figure 10). L'alimentation répertoriée CEI 62368-1 répond au rendement DoE niveau VI (sa consommation à vide à 230 VCA est de 0,21 W) et elle présente un facteur de puissance supérieur à 0,9. Pesant 580 g et mesurant 168,1 mm × 65,9 mm × 39 mm, l'adaptateur est livré sans cordon d'alimentation, mais peut être commandé en option avec un cordon doté de broches et d'une configuration adaptée à la prise CA locale.

Figure 10 : Pour les situations à plus haute puissance où un adaptateur à montage mural n'est pas approprié ou souhaité, l'adaptateur de bureau CA/CC SDI120-12-U-P51 externe est disponible ; le cordon d'alimentation CA approprié est choisi séparément. (Source de l'image : CUI)

Conclusion

La norme CEI/UL CEI-62368-1 pour les produits grand public et produits associés entrera en vigueur avec une date ferme en décembre 2020. Il s'agit d'une norme complexe qui utilise une approche basée sur les risques pour évaluer les problèmes de sécurité potentiels et se prémunir contre eux, ce qui est très différent des normes précédentes. En commençant par la sélection d'une alimentation CA/CC qui dépasse les exigences de cette norme, la tâche de l'équipe d'ingénierie de conception est grandement simplifiée et le risque lié à l'approbation finale du produit est minimisé.

Références 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"