IEC 표준으로 가전제품 안전 개선

이 문서에서는 기기의 기계적 및 전기적 설계를 모두 처리하기 위한 기능 안전에 대한 IEC 60730 클래스 B 표준을 살펴봅니다. 표준이 수반하는 사항과 이러한 표준을 충족하는 데 도움이 되는 컨트롤러에 대해 알아보세요.

수많은 가전 제품이 가정에서 일상적 또는 주기적인 활동을 단순화하고 사용자가 스트레스를 최소화하면서 일관되게 수행할 수 있도록 도와줍니다. 제대로 작동하면 훌륭합니다. 하지만 고장이 나면 일부 가전제품은 상당히 불안해져서 화재를 비롯한 큰 문제를 일으킬 수 있습니다.

IEC(International Electrotechnical Commission)는 안전이 가전제품에 설계되도록 하기 위해 Underwriters Laboratories에서도 승인한 기계적 및 전기적 설계를 모두 다루기 위해 기능 안전에 대한 IEC 60730 클래스 B 표준을 만들었습니다. 레인지, 쿡탑, 세탁 장비 등을 위한 더 안전한 사용자 경험을 제공하기 위해 이 표준을 충족하도록 인증된 기능 안전 기능이 내장된 새로운 터치스크린 IC(집적 회로)가 설계되었습니다.

심각한 기기 문제 예방

국제 비영리 단체인 미국 화재 예방 협회(NFPA)는 NFPA 연구 보고서에서 보고된 가정 요리 화재의 62%가 레인지 또는 쿡탑과 관련되어 있다고 밝혔습니다. 실제로 보고서는 "무인 조리가 조리 화재 및 사상자의 주요 원인"이라고 구체적으로 명시하고 있습니다.

또한 NFPA 연구에 따르면 레인지 또는 쿡탑은 2013년부터 2017년까지 조리 기구로 인한 사망의 주요 원인(46%)입니다. 또 다른 출처는 미국 국토안보부 연방 비상 사태의 일부인 미국 소방청(USFA)입니다. 관리청(FEMA)은 2018년의 최신 데이터(미국에만 해당)를 보고하지만 여전히 주거용 화재의 주요 원인으로 요리를 꼽고 있습니다(그림 1 참조).

그림 1. 요리는 2018년 미국에서 주거용 건물 화재로 인한 부상의 주요 원인이었습니다. 출처:U.S. Fire Administration.

USFA의 NFIRS(National Fire Incident Reporting System)가 1999년에 도입된 이후 보고된 가정 요리 화재는 수많은 다른 영역에서 이루어진 상당한 기술 발전에도 불구하고 꾸준히 증가했습니다. 분명히, 레인지와 쿡탑의 안전 측면을 다루는 것은 이러한 숫자를 줄이는 데 도움이 되는 가전제품 제조업체의 목표여야 합니다.

가전의 기능 안전을 위한 안전 규정

IEC(International Electrotechnical Commission)는 가전 제품에 내장된 안전 장치의 필요성을 인식하여 "가정 및 이와 유사한 용도의 장비 내에서, 장비와 관련하여 사용하기 위한" 자동 전기 제어에 적용되는 IEC 60730-1을 개발했습니다. 1986년에 처음 발표되었지만 이 문서는 정기적인 업그레이드와 수정을 거쳐 2020년 4월에 가장 최근에 이루어졌습니다. UL(Underwriters Laboratories)도 표준에 대한 승인을 받았습니다.

기능적 안전의 근거는 모든 전자 및 기계 시스템이 궁극적으로 고장날 것이라는 것입니다. 실패를 설계할 수 없기 때문에 다음으로 가장 좋은 방법은 무언가가 실패할 때 오류가 없는 방식으로 실패하도록 하는 것입니다. 세 가지 안전 등급이 IEC/UL 60730에 식별되어 있으며 안전 측면에 의존하지 않는 제품에 대해 클래스 A와 특수 위험을 방지하기 위한 제품에 대해 클래스 C로 식별됩니다.

이들 사이에 IEC/UL 60730 클래스 B 또는 간단히 클래스 B 분류에는 밥솥/스토브, 세탁기, 건조기, 식기 세척기, 냉장고 및 냉동고와 같은 주요 가전 제품이 포함됩니다. 클래스 B는 기기에 오류가 발생할 경우 위험을 방지하기 위한 소프트웨어 및 제어 기능을 다룹니다. 이는 열 차단, 자동 도어 잠금 및 안전하지 않은 조건이 발생할 경우 조리 및 세탁 기기의 작동을 중지시키는 기타 기능에 적용됩니다. 미국과 유럽에서는 이제 자동 청소 기능이 있는 모든 조리 기구와 도어 자동 잠금 장치와 관련된 제어를 위한 세탁 장비에 클래스 B 인증이 의무화되었습니다.

안전에 대한 기존 기기 접근 방식

주방과 세탁실 모두에 있는 가전 제품의 안전 문제를 해결하기 위해 역사적 솔루션은 버튼, 슬라이더 및 바퀴가 기계식이든 정전식이든 상관없이 인터페이스하는 마이크로컨트롤러(MCU)에 의존했습니다. MCU에는 정전식 터치 버튼의 안전과 상태를 모니터링하는 소프트웨어 라이브러리가 있었습니다. 오늘날 이러한 표준을 충족하기 위해 기기는 안전 라이브러리가 있는 별도의 MCU로 제어되는 별도의 정전식 터치 버튼이 있는 정전식 터치스크린을 사용합니다.

사용자 인터페이스의 일부인 일부 버튼은 기기의 안전한 작동을 가능하게 하고 주택 화재와 같은 위험을 방지하는 데 특히 중요합니다. 예를 들어, 미주나 유럽으로 출하되는 자동청소 기능이 있는 조리기기는 자동청소 모드의 투터치 온 및 원터치 오프 동작을 지원해야 한다. 자가 청소 오븐은 900oF(500oC)의 위험한 고온에 도달한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 오븐에 보관된 품목은 이 모드에서 불이 붙을 수 있으므로 IEC/UL 60730 Class B에서는 이 기능이 있는 기기가 원터치 온 및 원터치 작동을 지원해야 한다고 규정하고 있습니다.

이 요구 사항의 근거는 자동 청소 모드를 켜기 위한 두 번째 터치를 사용하여 사용자가 자동 ​​청소 모드를 안전하게 시작할 수 있는지 다시 확인하도록 권장하기 때문입니다. 예를 들어, 사용자가 연기 냄새를 맡은 후 한 번의 터치로 이 모드를 종료하는 데 중지 또는 취소 버튼이 사용됩니다. 정지 버튼의 안전한 작동은 사용자의 안전에 매우 중요합니다. 결과적으로 버튼은 모든 환경에서 안정적이고 정확하게 작동해야 합니다. 여러 번의 터치 조작 없이 가능한 한 빨리 자가 청소 모드를 종료하면 위험한 화재를 피할 수 있습니다.

단일 아날로그 주변 장치를 모니터링하는 것은 MCU에서 다소 간단하고 쉽게 수행됩니다. 주변 장치는 함께 다중화되는 몇 개의 버튼을 모니터링합니다. 하나의 주변기기가 일련의 버튼을 스캔할 수 있습니다. 이 기능이 마이크로컨트롤러에 내장되어 있지만 기기 제조업체는 여전히 안전 기능을 개발하고 자격을 부여해야 하며 그렇게 할 책임이 있습니다.

기기 안전에 대한 새로운 접근 방식

기능 안전은 수년 동안 가전 제품에 구현되었지만 현재는 고전적인 안전 원칙을 최신 터치스크린 인터페이스에 적용하여 이 요구 사항을 충족할 수 있는 옵션이 있습니다. 터치스크린이 구현되거나 업그레이드됨에 따라 이는 클래스 B 인증을 설계하는 이상적인 방법입니다.

고유한 안전 관련 기능을 갖춘 ATMXT336UD-MAUHA1 maXTouch 컨트롤러 제품군은 별도의 버튼이 필요하지 않으므로 이제 터치스크린의 어느 곳에서나 "소프트" 버튼으로 전원을 끌 수 있습니다. 버튼을 제거하고 비용을 절감하고 필요한 기능을 유지하는 능력은 가전제품 제조업체에 충분한 인센티브가 되어야 하지만 단순화된 인터페이스는 사용자에게도 더 매력적이어야 합니다. 통합 접근 방식은 더 간단하고 직관적입니다. 별도의 버튼에 대한 번거로움과 비용을 없앨 수 있어 더욱 편리합니다. 아마도 더 중요한 것은 종료 기능이 세계화를 위해 사용자의 자연어로 변경될 수 있다는 것입니다. 그림 2를 참조하십시오.

그림 2. 터치스크린에 비상 정지 기능을 추가함으로써 가전 제품 제조업체는 사용자가 정지 기능에 대해 가장 편안한 언어를 선택할 수 있도록 할 수 있습니다.

연기 감지기는 수십 년 전에 가정 안전을 개척했습니다. 연기 감지기와는 달리 Class B 기능 안전 터치스크린은 경고하고 조치를 취할 수 있습니다. 사람의 개입 없이 환경에서 연기나 무언가를 감지하기 전에 이러한 사전 예방 기능을 수행합니다.

요리사의 개입 없이 B급 터치스크린으로 해결할 수 있는 안전 문제의 예를 살펴보겠습니다. 인덕티브 버너가 있는 뜨거운 스토브에 무거운 냄비를 실수로 떨어뜨리면 많은 경우 두꺼운 유리가 버너를 보호하지만 밑에 있는 얇은 ITO(인듐 주석 산화물) 터치 센서는 더 약하고 깨질 수 있습니다. 이 파손은 터치스크린의 특정 영역에서 국부적인 터치 기능의 손실을 일으키거나 더 심하게는 전체 센서가 고장날 수 있습니다.

클래스 B가 있는 컨트롤러는 실시간으로 터치 센서의 상태를 자동으로 모니터링합니다. 백그라운드에서 센서가 터치를 스캔하지 않을 때 IC는 터치 센서 자체를 스캔하여 다양한 유형의 오류를 찾습니다. 터치스크린 센서의 균열과 같은 오류가 감지되는 즉시 컨트롤러는 호스트 CPU(중앙 처리 장치)에 알림을 보내 버너를 자동으로 종료할 수 있습니다. 이는 페일 세이프 작동을 제공하는 사람의 개입 없이 발생합니다.

이러한 유형의 기능은 이전에 가능했지만 호스트는 입력을 위해 터치스크린 IC를 트리거하거나 폴링해야 했습니다. 이제 IC는 이 기능을 스스로 수행하고 문제가 발생할 때마다 호스트에 메시지를 푸시합니다. 시스템 호스트 CPU의 인터럽트 핀에 연결된 IC의 특수 I2C 버스 메시지 또는 GPIO(범용 IO) 핀은 자동으로 종료를 시작하라는 경고를 제공합니다. 내장 및 자체 작동 안전 기능은 주방 화재로 이어질 수 있는 일부 조건을 방지하는 수단을 제공합니다. 그림 3 참조.

그림 3. 일반적인 기기 애플리케이션에서 클래스 B 터치스크린 컨트롤러는 호스트 CPU에 쉽게 인터페이스됩니다.

Class B 인증을 통과하기 위해 터치스크린 IC에서 여러 기능 안전 테스트를 수행합니다. 핵심 테스트 중 하나는 기억력 테스트입니다. 터치스크린 IC에는 애플리케이션에서 필요한 기능을 수행하기에 충분한 소량의 RAM과 플래시 메모리가 있습니다. 임베디드 환경에서 폐쇄형 시스템은 고객 코드를 실행하지 않습니다. 클래스 B 인증을 충족하기 위해 메모리 테스트를 실행해야 하는 빈도를 결정하는 규칙이 있습니다. 예를 들어 일련의 워킹 1 및 워킹 0은 IC의 RAM 오류를 확인하기 위한 패턴 테스트로 백그라운드에서 실행됩니다. 그림 4를 참조하십시오.

그림 4. 8비트 메모리에 대한 워킹 1s 테스트는 각 비트를 순차적으로 확인합니다.

이 프로세스는 여유 RAM을 테스트하여 양호한지 확인하는 것으로 시작됩니다. 적은 양의 메모리는 대부분 데이터로 채워져 있으므로 응용 프로그램 코드의 일부를 테스트된 부분으로 이동하여 다른 부분을 확보하고 테스트합니다. 모든 RAM이 테스트될 때까지 프로세스가 계속됩니다. 애플리케이션 코드가 실행되는 동안 이러한 셔플링을 통해 모든 메모리를 순차적 테스트로 테스트할 수 있습니다.

이 테스트만 관리하는 것은 상당히 복잡한 프로세스이며 실시간으로 다중 손가락 터치 이벤트를 동시에 보고하는 모두 클래스 B IC의 일부입니다. 60Hz 이상, 초당 60회에서 IC는 RAM을 테스트하고 백그라운드에서 센서를 테스트하는 동안 호스트에 터치를 보고합니다. 비휘발성 플래시 프로그램 코드 저장 메모리 셀을 테스트하기 위해 유사한 테스트가 수행됩니다.

컨트롤러의 CPU 레지스터는 올바르게 작동하는지 테스트해야 합니다. 이것은 CPU 레지스터의 현재 값을 읽고 저장하고 테스트되지 않는 다른 레지스터에 데이터를 저장함으로써 수행됩니다. 그런 다음 새 설정이 유지되도록 CPU 레지스터가 토글됩니다. 그 후 초기 값이 복원됩니다. 이것은 CPU 레지스터가 올바른 값으로 올바르게 설정되고 재설정될 수 있는지 확인합니다.

내부 클록 테스트를 통해 클록이 제대로 실행되고 있는지 확인합니다. IC 내부에는 다양한 클록 트리가 있으며 테스트를 통해 분할되어 제대로 실행되고 있음을 확인했습니다. 이것은 전체 테스트 목록은 아니지만 IC에서 수행하는 테스트 유형에 대한 아이디어를 제공합니다.

새로운 IC의 또 다른 안전 측면은 I2C 버스가 시스템 호스트 CPU와 터치 컨트롤러 간의 통신을 위해 크게 업그레이드되었다는 것입니다. 터치 컨트롤러의 I2C 통신은 두 가지 메커니즘을 사용하여 장치와 주고받는 모든 데이터의 무결성을 보장합니다. 첫 번째 메커니즘은 시퀀스 번호를 사용합니다. 또한 데이터 손상(비트 오류)이 발생하지 않았는지 확인하기 위해 버스에 CRC(Cyclic Redundancy Check)가 처음으로 추가되었습니다.

기기는 전기적으로 잡음이 많은 환경이 될 수 있기 때문에 호스트가 수신하는 좌표가 신뢰할 수 있고 전송 중에 손상되지 않았습니다. 또한 I2C 메시지에 시퀀스 번호가 추가되었으므로 이제 호스트에 좌표를 보낼 때마다 호스트가 데이터 패킷을 놓쳤는지 확인하고 적절한 조치를 취할 수 있습니다. 인터넷 연결을 사용하면 사용자가 집에 없는 경우에도 사용자의 휴대폰이나 스마트워치에 문제를 알리도록 호스트를 프로그래밍할 수도 있습니다.

앞서 언급한 바와 같이 표준 클래스 B 안전 테스트를 통해 터치 컨트롤러에 추가 지능이 추가되어 터치 하위 시스템의 무결성을 지속적으로 모니터링할 수 있는 주기적인 자체 및 센서 진단 기능을 사용할 수 있습니다. 이러한 스마트 진단 기능은 범용 IO(GPIO) 출력 트리거를 사용하여 호스트로 보낼 수 있는 구성 가능한 하트비트("연결 유지") 신호 출력을 지원합니다.

마지막 안전 항목입니다. 터치스크린 안전 칩에서 이미 기능 안전 인증을 받았기 때문에 터치스크린의 안전을 관리하기 위해 호스트 CPU에 추가 소프트웨어를 작성할 필요가 없기 때문에 사용자의 시스템 수준 인증 프로세스가 크게 간소화됩니다. 이는 가전 제품 제조업체가 이 새로운 기능을 조사하고 구현하는 데 상당한 동기를 부여해야 합니다.

세탁실 안전

Class B 터치스크린 컨트롤러는 주방 외부의 다른 안전 상황을 처리할 수 있습니다. 예를 들어, NFPA에 따르면 미국 소방서는 매년 의류 건조기 또는 세탁기와 관련된 약 15,970건의 주택 구조 화재에 대응했습니다. 이러한 화재의 원인은 다양하지만 안전을 위한 설계는 전체 화재 발생에 상당한 영향을 미칠 것입니다.

세탁실에는 세탁기에 대한 클래스 B 요구 사항이 있습니다. 고속 모터가 있는 세탁 장비, 특히 전면 적재 기계에는 잠금 장치가 있어 기계가 작동하는 동안 문이 부주의하게 열리지 않습니다. 자동 잠금 장치는 기계를 켤 때 안전 기능이 시작되도록 하는 전자 기계 장치입니다. 잠금 장치가 터치스크린으로 제어된다면 별도의 버튼, 마이크로컨트롤러 및 센서가 제거될 수 있습니다.

수동 도어 잠금 해제 오버라이드를 사용하면 세탁기 또는 건조기가 시작된 후 품목을 추가하거나 제거할 수 있으며 안전 규정도 준수해야 합니다. 이것은 현재 Class B 인증이 필요한 미국과 유럽의 세탁 기기에 대한 법률입니다. 새로운 대안은 모든 것을 터치스크린에 표시하며 난방 측면 때문에 세탁기와 건조기에 적용됩니다. 또한, 전방 적재형 세탁기에서는 홍수를 방지하기 위해 도어를 열기 전에 시스템을 배수해야 합니다. 자신이 통제할 수 있는 것이 삶의 한 측면이기 때문에 사람들은 점점 더 안전에 대한 관심을 갖게 됩니다.

특정 지역에서는 특정 제품에 대해 클래스 B 인증을 요구할 수 있지만 가전 제품 제조업체가 해당 요구 사항을 충족하면 해당 기능/능력을 갖춘 제품을 세계의 다른 지역에 판매하고 터치스크린 안전 기능을 경쟁 우위로 홍보할 것입니다. 이것은 과거에 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 이 접근 방식은 유럽, 미주 및 기타 국가에 대한 글로벌 모델을 가능하게 하므로 제조업체는 해당 등급의 기기 중 한 가지 유형만 만들기만 하면 됩니다.

더 안전한 가전제품을 향하여

주요 가전 제품 공급업체의 의견으로 시작된 고객 주도형 클래스 B 터치스크린 컨트롤러의 설계 및 개발은 개념에서 현실로 구현하는 데 몇 년이 걸렸습니다. 클래스 B 기능을 미세 조정하기 위해 전체 프로세스 동안 고객 피드백을 받았습니다. 공급업체가 제공하기를 원하고 고객이 고급 가전제품에서 갖고 싶어하는 기능인 것은 분명하지만 일부 가전제품 제조업체는 모든 고객이 최고 수준의 안전을 누릴 자격이 있기 때문에 이미 보급형 설계에 대해 클래스 B 안전을 고려하고 있습니다.

기기 제조업체가 이 새로운 기능과 관련 비용 절감에 익숙해지고 Class B 표준을 충족하는 기기를 인증하면 마케팅 이점을 얻는 것이 필수가 아닌 기계/기기에 기술을 적용하는 것을 고려할 수 있습니다. 안전 의식이 있는 소비자를 위한 안전 의식 가전 제품의 전체 라인업에 대한 브랜드 차별화. 기기를 사람과 안전하게 연결하기 위해 Class B 터치스크린 컨트롤러는 오븐, 레인지, 세탁기, 건조기뿐만 아니라 식기 세척기, 냉장고, 전자레인지/대류 오븐 콤보 및 레인지 흄 후드에도 안전한 선택입니다.

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