智能家電保護電子電路系統安全要求及案例分析

1 引言

隨著家電智能化技術的發展，帶電子電路系統的家電產品越來越多，電子電路系統能夠實現家電的輕量化并能帶給用戶更好的使用體驗[1]，但電子電路系統通過各類晶體管及集成電路的數字邏輯進行工作，其可靠性依賴于電子元件正確工作，且易受電磁干擾。為了使用者安全，最新國際標準IEC 60335-1:2010+A1:2013《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》的第19章非正常工作，對電子電路系統的故障試驗做了詳實的規定。然而標準的編寫是以具體的測試為主線的，這使得產品的設計者、生產者甚至第三方檢測機構對電子電路系統安全性要求難以掌握，造成在電子電路設計時，違背了標準的安全技術要求。本文從電子電路系統的保護能力出發，對施加于保護電子電路系統的故障試驗進行了分類，對不同類別的保護電子電路系統的安全技術要求進行匯總，并通過實例來說明不同保護電子電路系統的實現方案。

2 家電保護電子電路系統安全要求及分類

國際標準IEC 60335-1:2010+A1:2013的第19章規定了一系列的非正常試驗條件，經分析，按照非正常的類型以及與電子電路系統的相關性，非正常試驗分為家電產品功能性故障、電子電路內部故障和強電磁干擾試驗。具體的試驗名稱及條款號如表1所示。

表1中，家電產品功能性故障試驗是針對家電產品的通用試驗，電子電路系統若參與功能性故障保護工作，應能夠及時響應，保證器具在故障條件下的安全。電子電路內部故障和強電磁干擾試驗是電子電路系統特有的試驗。依據電子電路系統對各類故障的響應不同，我們把電子電路系統分為五類：

第一類功能電子電路系統，是指該電子電路系統僅提供智能家電正常控制和操作的功能（包括人機交互、遠程控制等功能），而不提供任何的非正常操作的防護功能。

第二類功能防護性電子電路系統，是指電子電路系統該提供了除正常功能外，還具備了對非正常操作（包括溫控失常、電機堵轉等等）進行識別，并報警和切斷電路，但對于電子電路系統內部出現的故障不具備防護和識別。當電子電路內部出現故障時，需要熱斷路器、熱熔體或者過流保險絲等器件參與防護。

第三類保護電子電路系統，是指電子電路系統提供了除正常除功能外，具備了對非正常操作（包括溫控失常、電機堵轉等等）進行識別，并報警和切斷電路，且對于電子電路內部出現的故障并具備防護和識別。

第四類后備保護電子電路系統，是指系統不僅符合保護電子電路系統要求，且當器具同時發生功能性非正常（包括溫控失常、電機堵轉等等）和電子電路系統內部故障時，可以保證電器產品不出現對周圍環境危害，且該故障保護電子電路工作時，具有較強的抗干擾能力。

圖1 電熱器具功能電子電路系統結構圖

圖2 電熱器具保護電子電路系統結構

圖3 電熱器具后備保護電子電路系統結構

第五類軟件保護電子電路系統，是指系統不僅滿足后備保護電子電路系統要求，同時該保護的實現依賴于軟件，此保護軟件能夠滿足標準規定的B類或者C類要求[2]。

根據標準第19章非正常工作的規定，經分析和總結，把與電子電路系統相關的非正常試驗分為7個層次：

第1層試驗：待機或電子斷開條件下的強電磁干擾試驗；

第2層試驗：產品功能性故障試驗；

第3層試驗：可編程器件的電壓變化試驗；

第4層試驗：電子電路系統內部故障試驗；

第5層試驗：功能性故障和電子電路系統內部故障聯合試驗；

第6層試驗：電子電路故障狀態下的強電磁干擾試驗；

第7層試驗：保護軟件評估試驗。

不同類別的電子電路系統需承受的試驗也不相同，具體的對應關系如表2所示。

3 電子電路系統的分類實例

電子電路系統實現是多樣化的，家電產品中不同的功能電路會使會使用不同類型的電子電路系統架構。為了進一步說明不同電子電路系統的分類及要求，我們以簡單的電熱器具為例說明：

圖1為電熱器具功能電子電路系統的結構，圖中的T代表功率三極管、固態繼電器或繼電器等電子元件組成的電子開關，用于控制發熱元件。（T——電子開關；NTC——負溫度系數熱敏電阻；A——熱熔體或熱斷路器）

電路通過NTC元器件探測溫度，當溫度達到目標溫度時，電子開關T切斷電路，當溫度降低到設定的目標溫度時，接通電子開關T，電子電路系統起到溫度控制作用。該系統對產品功能性故障并沒有保護作用，即出現溫控器失效時，需通過裝配熱熔體、熱斷路器等等過熱保護裝置切斷電路。在電路設計時還可以在控制邏輯中加入熱敏電阻異常保護（如短路或者開路）。即在熱敏電阻NTC短路、開路或移位時，控制電路能識別并通過T切斷發熱元件進行保護，但對電子開關T的短路試驗，電子電路系統無法進行保護，因此該系統按照分類屬于功能電子電路系統。若系統電子開關T處為兩個電子開關串聯，并經適當的電路設計，可以達到功能防護電子電路系統的要求。（T1、T2——電子開關；NTC——負溫度系數熱敏電阻；A——熱熔體或熱斷路器）

圖2為電熱器具保護電子電路系統的結構，是在圖1的電路結構基礎上，增加一組獨立的溫度傳感器和電子開關。新增部分電路不參與正常功能控制，僅作為工作異常的保護。當出現產品功能性故障試和電子電路系統內部故障時，這部分電路啟動并切斷發熱元件。若功能性故障和電子電路系統內部故障一起發生時，在此條件下，器具會出現無任何保護的情況，故也需裝配熱熔體和熱斷路器來提供器具的終極保護。（T1、T2、T3——電子開關；NTC——負溫度系數熱敏電阻）

圖3為電熱器具后備保護電子電路系統結構，相比圖2，在執行單元終端增加一個電子開關T3，并去掉了物理保護裝置，若功能性故障和電子電路系統內部故障一起發生時，確保T3部分電路能夠切斷發熱元件，相反若T3部分電路發生故障時，T2部分電路能夠切斷發熱元件，這樣系統就做到了相互的備份，確保功能性故障和電子電路系統內部故障同時發生時保證了器具的安全。除了上述的功能要求外，后備保護電子電路系統還需經受電子電路故障狀態下的強電磁干擾試驗，需確保在故障切斷的情況下，出現強電磁干擾時不會邏輯翻轉導致加熱元件再次工作而引起安全問題。（T1、T2、T3——電子開關；NTC——負溫度系數熱敏電阻）

圖4為電熱器具軟件保護電子電路系統結構，與圖3的電路結構相比，系統增加了微處理器，由微處理器來處理傳感器信息，并通過端口控制T1、T2、T3同電子開關，一般來說，只要保證微處理器系統兩個溫度測量單元（前向通道）和三個執行單元（后向通道）分別相互獨立，既能滿足要求電路硬件設計要求，因此硬件電路將大大簡化，但微處理器系統的硬件和軟件設計需要滿足B類或C類保護軟件的要求。

4 保護電子電路系統的設計原則

上一節僅給出了最簡單的電熱器具的實例，實際家用器具情況要比例子復雜，電子電路系統設計更為復雜，需要對具體電路進行分析，但在設計時應遵循以下原則：

第一，獨立原則。即用于非正常防護部分電子電路系統應與用于正常功能控制調節用的電子電路系統完全獨立，包括測量單元（包括傳感器），處理單元（對于使用B類或C類軟件保護時可以僅用一個微處理器硬件架構，但必須經過特殊設計）和執行單元（包括驅動和切斷故障電路裝置）。

第二，單一故障原則。即當保護電子電路系統內部發生單一故障時，電子電路系統必須確保其仍有能力操動執行單元，并能切斷故障電路。

第三，穩定性原則。當電子保護系統監測到故障發生，切斷故障回路后，系統在受強電磁干擾和電源擾動（包括斷電）的情況下，依然能夠保持故障回路切斷狀態。

第四，可靠性原則。當使用軟件進行非正常工作保護時，用于保護功能運算部分的軟件應能標準規定的B類或者C類要求。

表1 家電保護電子電路系統故障試驗分類

表2 不同電子電路系統需承受的試驗匯總表

圖4 電熱器具軟件保護電子電路系統結構

5 結束語

考慮安全要求，家用器具的電子電路系統設計往往較為復雜，本文通過分析標準規定的安全技術要求，對家用器具電子系統的安全要求進行了分類，并給出了簡單電熱器具的實現實例，可供家電生產和設計者參考。多功能家用器具的電子電路系統的設計是一項復雜的工作，本文提供的電子電路系統分類方法及試驗分類有助于家電生產和設計者理解安全要求，并設計出符合安全要求的保護電子電路系統。

參考文獻

[1] 許曼曼. 智能化家電產品及標準的發展趨勢[J]. 消費導刊, 2017(13).

[2] 李紅偉, 李勍. 家用電器軟件評估淺析[J]. 家電科技, 2010(4):55-56.