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2023 年 7 月/Jul.2023 151技术创新/IEC 62368-1 标准关于集成电路（IC）限流器的要求及应用雷晓阳（福建省产品质量检验研究院 福州 350015）摘要：本文介绍了 IC 限流器用在 PS3 与 PS2/PS1 功率源隔离中起限制电流的要求及其应用。首先，比较不同 IEC 62368-1 版本对 IC 限流器可靠性试验的差异，总结 IC 限流器在最新标准中的应用。阐述满足标准所要求可靠性试验程序的 IC 限流器可以豁免单一故障测试，默认为受限制电源并划分到 PS2 功率源，降低防火防护要求，为测试领域提供技术参考。关键词：IEC 62368-1；IC 限流器；可靠性；受限制电源；防火防护Abstract：This article introduces the requirements and applications of IC current limiters for limiting current in PS3 and PS2/PS1 power source isolation.First,the differences in reliability tests for IC current limiters among different versions of IEC 62368-1 are compared,and the application of IC current limiters in the latest standard is summarized.This essay explains that IC current limiters that meet the required reliability test procedures of the standard could be exempt from single fault testing,default to restricted power sources,and be classified as PS2 power sources,reducing fire protection requirements and providing technical reference for the testing field.Key words：IEC 62368-1;IC current limiter;reliability;limited power supply;safeguard against fireIEC 62368-1 Standard Requirements and Applications for Integrated Circuit(IC)Current Limiters引言IC 限流器主要运用于 PS2/PS1 功率源与 PS3 功率源的隔离，实际使用中大多体现为限流功能。IEC 60335-1标准已率先对“电子电路保护装置”提出要求，将电脉冲等试验应用于 IC 限流器，并在试验后评估功率源隔离或限制电流的性能。IEC 62368-1 标准音视频、信息技术和通信技术设备 第 1 部分：安全要求规定，只要试验结果能够证明功率源隔离或限制电流性能达到标准认可的可靠性，IC限流器可以豁免单一故障条款中的模拟器件故障考核，划分到 PS2 功率源，进而降低防火防护要求。1 IEC 62368-1 标准对 IC 限流器的要求近年来，通用串行总线（USB）和以太网供电（PoE）发展水平提升明显，其最大传输电功率已超过百瓦。音视频、信息技术和通信技术设备在进行 IEC 62368-1 标准中的异常和单一故障条件试验时，容易发生电压、电流和功率水平增加超过行业技术规范（例如 USB PD 3.1协议和 IEEE 802.3 协议等）限制的情况。即使与之相连接的附件、电路、连接器和电缆已单独满足 IEC 62368-1标准中关于 ES2、PS2 和/或受限制电源等有关规定要求，仍然可能出现过热、损坏等情况。USB PD 3.1 协议和 IEEE 802.3 协议参数规格分别见152日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation表 1 和表 2。在 IEC 62368-1 标准中，为限制功率源中的电流，使用 IC 限流器来限制电流以便获得输出功率成为 PS1 或PS2。IC 限流器的基本原理为当输出电流超过 IC 限流器阈值时，电流检测系统发出电平信号给过流保护电路，过流保护电路启动电荷泵进行电流调节，进而达到限制电流的作用。标准规定只要满足下列所有条件，则不用对其输入到输出进行短路：除 ES1 电路中的 IC 限流器外，在输入和输出引脚之间为适用的工作电压提供加强绝缘的电气间隙和爬电距离（仅 IEC 62368-1:2010 版本执行）；在正常工作条件下，并考虑任何规定的漂移，IC 限流器能将电流限制在制造商规定的电流值（不大于5 A）；IC 限流器是全电子的，且不能手动操作或复位；IC 限流器的输出电流被限制在 5 A 或以下（规模式输出电压范围输出电流SPR（3.3 5.9）V3 A（3.3 11）V3 A（3.3 16）V3 A（3.3 21）V3 A（3.3 21）V5 AERP28 V5 A36 V5 A48 V5 AAVS（15 28）V5 A（15 36）V5 A（15 48）V5 A测量端IEEE 802.3afIEEE 802.3atIEEE 802.3btPSE 端电压范围（44 57）V（50 57）V（52 57）VPD 端电压范围（37 57）V（42.5 57）V（31.7 57）VPSE 端功率要求15.4 W30 W90 WPD 端功率要求12.95 W25.5 W71.3 W定的最大负载）；在每项条件试验后，IC 限流器将电流或电压限制在要求值以内，按适用情况考虑制造商规定的漂移值；通过可靠性试验程序。在功率电路中合理使用 IC 限流器，能够依靠其有效的电流限制能力，控制电路中的功率源等级不超过 IEC 62368-1 标准要求和行业技术规范要求。当 IC 限流器不满足 IEC 62368-1 标准的可靠性试验时，必须按照模拟的单一故障条件条款，将 IC 限流器的任何两根引线短路以及任何一根引线开路，以模拟限流电路失效情况。IC限流器往往串联在功率传输线路中，一旦短路失效则起不到限流功能。因此，IC 限流器除满足参数规格要求，还必须满足标准的可靠性试验要求。2 IEC 62368-1 不同标准版本对 IC 限流器可靠性试验的差异IEC 62368-1 不同标准版本除了 IC 限流器试验布置（见图 1）一致外，在 IC 限流器可靠性试验程序、步骤等内容有很大差异。根据 IC 限流器封装和设计特征，无源器件的输入端和电源端为同一概念，有源器件则应根据实际情况加以区分。试验用电源要至少能提供 250 VA 的容量，除非IC 限流器具有较低的规格或在最终产品中进行试验。由制造商提供下列规格用于试验：电源限制/规格（如果小于 250 VA）；最大输入电压（V）；最大输出负载（A）。IEC 62368-1:2010对IC限流器可靠性试验要求如下：1）满足 IEC 60730-1:1999 第 H.17.1.4.2 小节；表 1 USB PD3.1 协议参数规格表 2 IEEE 802.3 协议参数规格2023 年 7 月/Jul.2023 153技术创新/2）100 电阻和 425 uF 电容并联至输出端，循环使能端开启关闭 10 000 次；3）352 mH（1 kHz）和直流阻抗低于 11 的铁芯电感连接至输出端，循环使能端开启关闭 10 000 次；4）425 uF 电容连接至输入端，输出端短路，循环使能端开启关闭 10 000 次；5）425 uF 电容连接至输入电源端，输出端短路，使能端保持开启，循环输入端开启关闭 10 000 次；6）352 mH（1 kHz）和直流阻抗低于 11 的铁芯电感连接至输入电源端，使能端保持开启，输出端短路，循环输入端开启关闭 10 000 次；7）使能端保持开启，输出端短路，循环电源端开启关闭 50 次；8）使能端保护开启，输出端接最大负载，循环电源端开启关闭 50 次；9）使能端保持开启，循环“电源端恢复输出端短路电源端移除电源端恢复输出端短路移除电源端移除”50 次；10）断电进行 3 次循环：70 环境放置 24 h 室温环境放置 1 h -30 环境放置至少 3 h 室温环境放置3 h；11）通电进行 10 次循环：49 环境放置 10 min，0 环境放置 10 min，高低温过渡转换时间 5 min。IEC 62368-1:2014 对 IC 限流器可靠性试验要求如下（3 个程序，任选其一满足即可）：程序 11）（1005）电阻和（42510）uF 电容并联至输出端，循环使能端开启关闭 10 000 次；2）（0.350.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于 1 的铁氧体磁芯电感连接至输出端，循环使能端开启关闭10 000 次；3）（4251）uF 电容连接至输入端，输出端短路，循环使能端开启关闭 10 000 次；4）（4251）uF电容连接至输入电源端，输出端短路，使能端保持开启，循环输入端开启关闭 10 000 次；5）（0.350.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于 1 的铁氧体磁芯电感跨接在输入电源端和输出端，使能端保持开启，输出端短路，循环输入端开启关闭 10 000 次；6）使能端保持开启，输出端开路，循环输出端短路开路 50 次；7）使能端保持开启，输出端短路，循环电源端开启关闭 50 次；8）使能端在电源端正常时保持开启，循环“输出端短路电源端移除电源端恢复输出端短路移除电图 1 IC 限流器可靠性试验示例154日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation源端移除”50 次。程序 21）使能端保持开启，输出端开路，循环输出端短路开路 50 次；2）使能端保持开启，输出端短路，循环电源端开启关闭 50 次；3）使能端保护开启，输出端最大负载，循环电源端开启关闭 50 次；4）使能端在电源端正常时保持开启，循环“输出端短路电源端移除电源端恢复输出端短路移除电源端移除”50 次；5）断电进行 3 次循环：（702）环境放置24 h 室温环境放置 1 h（-302）环境放置至少3 h 室温环境放置 3 h；6）通电进行 10 次循环：（502）环境放置10 min，（02）环境放置 10 min，高低温过渡转换时间 5 min；7）覆盖 2 层纱布，输出端短路 7 天。输出端串联5 A 快熔断器不开路且监测电流不超过 5 A。程序 31）满足 IEC 60730-1:2010 第 H.17.1.4.2 小节；2）（1005）电阻和（42510）uF 电容并联至输出端，循环使能端开启关闭 10 000 次；3）（0.350.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于 1 的铁氧体磁芯电感连接至输出端，循环使能端开启关闭10 000 次；4）（4251）uF 电容连接至输入端，输出端短路，循环使能端开启关闭 10 000 次；5）（4251）uF 电容连接至输入电源端，输出端短路，使能端保持开启，循环输入端开启关闭 10 000次；6）（0.350.1）mH（1 kHz）和直流阻抗低于 1 的铁氧体磁芯电感跨接在输入电源端和输出端，使能端保持开启，输出端短路，循环输入端开启关闭 10 000 次；7）使能端保持开启，输出端短路，循环电源端开启关闭 50 次；8）使能端保护开启，输出端最大负载，循环电源端开启关闭 50 次；9.）使能端在电源端正常时保持开启，循环“输出端短路电源端移除电源端恢复输出端短路移除电源端移除”50 次；10）断电进行 3 次循环：70 环境放置 24 h 室温环境放置 1 h -30 环境放置至少 3 h 室温环境放置3 h；11）通电进行 10 次循环：49 环境放置 10 min，0 环境放置 10 min，高低温过渡转换时间 5 min。IEC 62368-1:2018 及 IEC 62368-1:202X（ED4）对 IC限流器可靠性试验要求如下：使用 6 个样品进行试验，试验程序见表 3。样品 1：第 1 行；样品 2：第 2 行和第 3 行；样品 3：第 4 行和第 5 行；样品 4：第 6 行；样品 5：第 7 行；样品 6：第 8 行。在可靠性试验程序后，IC 限流器能按其适用的规格限制电流或器件开路。IC 限流器开路时，用新的样品替换并继续进行适用的试验。从 标 准 发 展 历 程 上 看，IEC 60950-1:1999（IEC 62368-1 的前身）已有两套测试程序。IEC 62368-1:2010 又开发出一套测试程序。IEC 62368-1:2014 认为这三个方案足够充分，因此均保留。直到 2015 年 3 月，Northbrook HBSDT 会议特设委员会考虑下述指导原则修订了试验程序：1）应简化测试程序中的测试次数，专注于最可能从安全角度识别 IC 限流器设计缺陷的测试和条件。例如，允许流过比设计电流更大的电流。某些已有条件是多余的，或识别这些缺陷的价值值得怀疑。2）适用于半导体器件的测试条件，而不是适用于传统机电设备的测试条件。例如，与半导体器件（例如 IC2023 年 7 月/Jul.2023 155技术创新/行号 试验类别试验条件循环次数 器件预处理温度a，b，c使能电压器件输入电压器件输出负载（安培）到 RTNd，e1启动使能端循环10 00025 关闭然后打开 最大值（额定）最大值（额定）2启动使能端循环5070 关闭然后打开 最大值（额定）0 470 F3启动使能端循环50-30 关闭然后打开 最大值（额定）0 470 F4启动输入端循环5070 打开最大值（额定）0 470 F5启动输入端循环50-30 打开最大值（额定）0 470 F6短路输出端短路5070 打开最大值（额定）开路至 0（开路至短路）7过载使能端循环5025 关闭然后打开 最大值（额定）150%最大值8过载功率输入端循环5025 打开最大值（额定）150%最大值注：RTN 表示回路。表示并联。a 表示 Tma 不适用。b 表示偏差为 2。c 表示试验前样品预处理 3 h。d 表示偏差为 20%。e 表示负载由适当额定值的电容器和导线并联实现，以提供与短路 0 阻性负载相似的特性。电容器电压额定值不低于被测试元器件的最大电压额定值。表 3 IC 限流器性能试验程序限流器）相比，10 000 次循环测试对机电装置（相对于部件磨损）具有更强适用性。3）单独测试时，在合理的情况下结合测试条件以提高效率，同时尝试使测试与自动化过程更加兼容（例如，将各温度测试结合为其他所需测试的子条件）等。因此，在 IEC 62368-1:2018 及后续版本中，可靠性试验程序相较于 IEC 62368-1:2010 及 2014 版本内容，在环境高低温试验、电子电路通断循环试验、输出过载及短路试验方面显得更有针对性。然而，为避免出现标准换版差异的重复测试，一般认为已通过 IEC 62368-1:2014 测试程序的 IC 限流器满足 IEC 62368-1:2018 及后续版本测试程序，不需要复测。3 IC 限流器在 IEC 62368-1 标准中的实用性IEC 62368-1 标准中，防火防护理念与功率源等级息息相关。按标准 6.4.5 条款的要求，单一故障条件下着火的安全防护中，控制 PS2 电路中的火焰蔓延，考虑到减小 PS2 电路中的火焰蔓延到周围的可燃材料的可能性，符合附录 Q 要求的电路被认为是 PS2 功率源。因此，若不满足附录 Q 或 PS2，则应划分功率源电路到 PS3 级别，必须附加安装防火防护外壳。按标准有关规定测量，PS1 为功率源在 3 s 后测量值不超过 15 W 的电路，PS2 为超过 PS1 限值且 5 s 后测量不超过 100 W 的电路。详见图 2。附录 Q 受限制电源中涉及 IC 限流器的内容如下：符合如下要求，认为是受限制电源：IC 限流器通过可靠性试验，并根据表 4 限制输出电流（仅 IEC 62368-1:2010、IEC 62368-1:2014 执行）；IC 限 流 器 通 过 可 靠 性 试 验（仅 IEC 62368-1:2018 执行）；IC 限流器通过可靠性试验且 IC 限流器正常输出电压范围不超过 60 Vdc（IEC 62368-1:202X（ED4）执行）。IEC 62368-1:2010 和 IEC 62368-1:2014 版 本 中，使用 IC 限流器必须满足表 4 要求，可用功率始终局限在 100 W 内。附录 Q 受限制电源分为内在受限制电源（100 VA）和非内在受限制电源（由过流保护装置控制功率限值 250 VA），实际上附录 Q 是在 PS2 电路的100 W 基础上，以过流保护装置为可靠器件，放宽功率限值要求。IEC 62368-1:2018 及后续版本，只要 60 Vdc电路中使用的 IC 限流器通过可靠性试验，就认为满足受限制电源要求，则不再有功率限制。以表1中的USB PD 3.1协议的ERP和AVS模式为例，该模式下最大输出达到 48 V/5 A 级别，远超 100 W。而IC 限流器的使用，不仅满足电路输出功率的要求，也满足 IEC 62368-1 标准中受限制电源规定，降低防火防护156日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation要求。因此，IC 限流器在 USB PD 协议产品中得到全面使用。4 结语IC 限流器运用于 PS2/PS1 功率源与 PS3 功率源的隔离时，能起到良好的限流效果。然而，IEC 62368-1 标准对 IC 限流器仅给出 60 Vdc 电压限制和 5 A 电流限值，只要合规就认为是受限制电源，对使用多个限流器并联未有明确规定。IC 限流器的使用初衷是基于安全标准规定豁免单一输出电压a/Uoc输出电流b，d/Isc视在功率c，d/SVa.c.Vd.c.AVA 30 30 8.0 10030 Uoc 60 150/Uoc 100a Uoc：断开所有的负载电路，按 B.2.3 条款规定测得输出电压。电压为基本正弦波形的交流电压和无纹波直流电压。对于非正弦波形的交流电压和带有纹波大于 10%峰值的直流电压，其峰值电压不得超过 42.4 V。b Isc：带任何非容性负载（包括短路）时的最大输出电流。c S（VA）：带任何非容性负载时的最大输出伏安。d：如果是通过电子电路来进行保护，则在施加负载后 5 s测量 Isc 和 S。对 PTC 装置或其他情况，在 60 s 后测量。表 4 内在受限制电源的限值故障测试，保证功率源不会输出超出行业技术规范要求。如果用电设备遵循行业技术规范，无论使用一个或并联多个 IC 限流器，输出功率应当满足行业技术规范。如果用电设备无明确的行业技术规范，建议仅使用一个 IC 限流器控制输出功率。参考文献：作者简介：1 GB 4943.1-2022,音视频、信息技术和通信技术设备 第 1 部分：安全要求 S.2 IEC 62368-1:2018,Audio/video,information and communication technology equipment-Part 1:Safety requirements S.3 IEC 62368-2:2019,Audio/video,information and communication technology equipment-Part 2:Explanatory information related to IEC 62368-1:2018 S.4 IEC 62368-1：2014,Audio/video,information and communication technology equipment-Part 1:Safety requirements S.5 IEC 62368-1:2010,Audio/video,information and communication technology equipment-Part 1:Safety requirements S.雷晓阳（1982-），男，硕士研究生，微电子学与固体电子学专业，高级工程师，主要从事电子产品安全标准研究、检测方法研究工作。图 2 功率源分级注：