電子設備的安全設計

曾暉

（福建星網銳捷通訊股份有限公司 福建星網視易信息系統有限公司 福建省福州市 350000）

1 引言

隨著科學技術日新月異的迅猛發展，各類電子設備蜂擁而至，音視頻類和信息技術類設備的產品更是各色各樣、品類繁多，比如電視、電腦、音樂播放器、PAD 等等，這些產品遍布在人們生活的各個角落。人們在享受這些高科技電子技術設備帶來的便捷好處的同時，對于這些觸手可及的電子設備的安全性要求也日益提高。如何設計出一款沒有安全隱患的產品，這已經成為電子設備方案設計時不可忽略的一個重要環節。

2 安全設計原則

除了維修人員外，其余會接觸到產品者均稱之為使用者，設計產品的安全防護措施必須假設使用者并未接受過辨別危險的訓練，但也不會蓄意制造危險狀況。

在決定應用何種設計方法前，必須考慮下列的優先順序：直接排除、降低或隔離危險源>指定使用產品外的防護措施，例如合格防護器具等>向用戶提出危險事項警示或在說明書上詳細列出。同時設計者還必須考慮一些可能的異常狀況：產品故障、可能發生的誤用，及外界不良因素的影響等。

音視頻類和信息技術類設備安全設計要點，主要有幾個方面：防觸電、防過高溫度、防輻射、防爆炸、防機械危險、防火。

3 安全設計要點

3.1 防觸電

電流通過人體會引起病理生理效應，導致對人體的傷害甚至造成人的死亡。所以對于人們日常接觸率高的電子產品來說，防觸電保護顯得尤為重要。設備在干燥的環境中，不高于42.4Vpeak 或60Vdc 的電壓被認為不會產生電擊?；陔姄舢a生的基本條件，在產品設計時，采用的防觸電措施有：

（1）避免帶電件被觸及——這是產品上實施的最有效的防觸電設計方式。利用機殼把盡可能多的帶電部件圍封起來，防止使用者觸及。在采用這種防觸電設計方式時，對機殼材料和設計規格也有一定的要求：①足夠的機械強度。在實際的產品測試中，我們一般采用撞擊試驗、振動試驗、沖擊試驗和跌落試驗來測試產品外殼結構的機械強度；②合適尺寸的開孔。為了通風、散熱等需要，機殼上不可避免會有一些開孔。在實際產品測試中，一般采用標準規定的直徑4mm，長100mm 的試驗針插入開孔進行檢查。

（2）危險電壓零部件和可觸及電路、部件之間應該采用加強絕緣或雙重絕緣隔離。這點要求在PCB 電路設計和結構設計上選擇合適的爬電距離和電氣間隙，并且需要考慮到在單一故障的條件下依然能夠保持足夠的爬電距離和電氣間隙。

（3）控制大容量電容放電。當跨接在初級電源電路的電容器容量大到一定程度時，設備通電后會在電容上充有較多電能，拔出電源插頭時，若電能未能及時釋放，觸及插頭上的金屬零部件，就有可能產生電擊危險。所以在這類電路上必須選擇合適容量的電容或設置時間常數足夠小的放電回路。

圖1：電源原理圖

圖2：服務器電源進線處電路原理圖

3.2 防過高溫度

電子設備在正常工作或單一故障條件下，要避免產生過高溫而導致著火、使用者燙傷及絕緣或安全元器件功能降級等危險。對于音視頻類和信息技術類的產品，防止過高溫度的設計要點在于避免發熱，退而求其次采用合理散熱，最壞的條件下對于不可避免的過高溫應有防護措施或警告標簽來防止使用者接觸。常用的電子設備防過高溫度的設計措施有：

（1）合理設計機殼，通過機殼材料的合理選擇和通風孔位的設計加速設備的工作熱散發；

（2）發熱元件的合理布局，把發熱元件布置在易于通風散熱的地方，不要在小范圍內大量堆積易發熱元件；

（3）合理選用熱保護裝置，可適當加裝過溫保護裝置來防止故障條件下的過高溫升；

（4）選用適當的散熱方法，散熱片、散熱風扇、水冷散熱等等。

3.3 防輻射

應避免用戶暴露在激光、臭氧等下面。如果產品設計涉及到激光或臭氧輻射模塊，該類模塊應嚴格控制，要求能夠符合EN60825-1 并通過UL、TUV 或NEMKO 等權威機構認證測試。

3.4 防爆炸

對于音視頻類和信息技術類的產品，防爆炸設計的重點在電池的使用。產品上使用可充電電池時，必須在電池盒附近明顯位置標注電池極性及警告標示或在說明書中提醒使用者正確安裝、更換和處理電池。同時在設計上設置合理的限流電路或采用過流保護元件，來防止電池放電電流和反向電流超過電池制造廠規定的允許值。

3.5 防機械危險

音視頻類和信息技術類這些常在手邊使用的電子設備防機械危險設計的重點在于：

（1）特別注意避免出現尖銳邊緣，防止對使用者造成傷害；

（2）有足夠的機械強度，結構能夠承受模擬用戶使用場景下可能產生的振動、碰撞和沖擊；

（3）有足夠的穩定性，設備重心的設計應滿足至少在10°的傾斜臺上不會翻轉。

3.6 防火

電子設備的起火主要是其內部某些部位在正常工作條件下或故障條件下引燃而起。潛在引燃源通常存在于開路電壓超過交流50V（峰值）或直流50V，以及該開路電壓與測得通過可能的故障點的電流乘積超過15VA 的故障部位。引燃源引燃的條件通常有：過載、元器件失效、絕緣擊穿、接觸不良、起弧。

在音視頻類和信息技術類電子設備設計時，通常采用的防火措施有：

（1）盡量避免產生引起著火的高溫。比如在設計電路時合理降低功耗；

（2）在整機元器件或材料使用時，合理選用可燃性等級相當的元器件或材料；

（3）采用散熱件防止可能引火的高溫，隔離發熱厲害的部件并進行合理散熱。

4 應用實例

在產品各類認證的測試過程中，經常會遇到由于安全設計的原因，導致產品測試不通過的情況。不通過的根源，歸結起來都是由于沒有達到上文提到的6 點安全設計要點的要求。

4.1 不安全的爬電距離

因為不安全的爬電距離導致產品存在設計風險的情況非常常見。一款帶內置電源的音視頻播放器，其電源的規格為輸入220VAC/0.2A，輸出DC12V/2.0A，在安全實驗中被開出了不符合項，原因為電源端走線對地走線的爬電距離不夠，產品可能導致使用者觸電的風險。

從圖1電源原理圖上可以看出，內置電源L1 變壓器之前部分承載著危險的220V 交流電壓，依據GB8898-2011 表8中要求，PCB 走線和地線之間需要保證滿足加強絕緣，通過換算得出電源端對地線的電氣間隙不能小于3.0mm。實際在電源板的PCB 布線上，N 極走線對散熱片的地焊盤之間的爬電距離僅為2.8mm。為了解決這個問題，研發設計人員對電源板PCB 走線進行了調整，將N 極走線對散熱片的地焊盤之間的距離調整為3.8mm，該電源在PCB設計整改后順利通過了安全試驗的測試。

當涉及到危險電壓的電路部分，PCB 走線、焊盤布局要特別考慮安全設計。根據產品標準，選擇合理的電氣間隙和爬電距離，才能保證產品的安全性。

4.2 插頭的電擊危險

目前很多電子產品為了有效地抑制電磁干擾，在電源進線之間跨接抑制電磁干擾作用的X 電容，如果電容的容量選擇過大，而且沒有一個合理的放電回路，那么電容所貯存的電荷對使用者就存在電擊危險。

圖2是一款服務器上使用的電源，在安全測試中，由于CX電容容量超過0.1uF，并且接在一次電路上，就需要對其進行放電時間和電壓衰減項目的測試。實際測試中，該電源并沒有達到GB4943.1-2011 標準里面要求的“1s 內電壓衰減到初始值的37%”，實驗室對其開出了安全不符合項。經過分析和反復驗證后，研發設計人員把與CX 電容并聯的放電電阻R 由2.2M 修改為1M成功解決了這個問題。

這是一個很顯著的案例，在音視頻類和信息技術類設備的方案設計時，經常會出現某些情況下EMC 優化設計和安全設計存在相互干擾的情況。EMC 優化了可能會影響到產品安全性，產品安全性保證了可能EMC 性能又被減弱。在面對這種情況時，就需要研發設計人員通過反復的分析和測試驗證，在兩者之間找到一個最平衡的狀態，不僅要保證產品的EMC 特性卻也不能把安全要求落下。

4.3 危險的外殼開孔

外殼開孔在產品設計上多數是為了產品內部通風散熱的需要，但在實現過程中同樣也需要權衡安全設計的要求。外殼開孔的設計要求達到防止使用者接觸到設備內危險的帶電零部件，防止外來物進入開孔后接觸到帶電的裸露零部件而產生危險的目的。設計者在設計產品時往往會特別注意設備正面及側面的開孔，卻忽略了設備底部開孔可能帶來的風險。

在一些帶內置電源的設備的測試案例中，為了能夠充分實現電源部分的散熱，會在產品內置電源下方的外殼底部也設計了條形的開孔。這樣的開孔尺寸一旦不合理，就會被判定為不合格。

對于防火外殼，底部的開孔應當能夠使熔融的金屬、燃燒的物質等不會掉落在防火外殼的外面而引燃產品的支撐面。為了滿足這個要求，依據GB4943.1-2011 中圖4E 的要求，防火外殼底部或擋板的位置、大小應當能夠覆蓋其上方部件的擴展投影面積。

解決這個問題的方案其實也很簡單，只要電源下方和防火外殼中間的位置增加了一張細目金屬網。這樣的改動即不影響通風又阻止了可燃物的掉落。

隨著信息技術多元化發展，音視頻類和信息技術類電子設備的功能也不斷增加，功率不斷加大，因此產品的散熱通風也逐漸被設計者重視，增加或加大通風孔則成為普遍使用的一種簡易設計方法，導致了類似這個案例中存在安全隱患的產品大量涌現。為了避免設計出這樣的不安全產品，要求研發設計人員在設計產品外殼開孔的時候，特別注意把防觸電、防火、防過高溫度等等安全設計的要求納入考量范疇。

5 總結

安全是電子設備設計中不可忽略的重點所在，更會直接影響到產品后期的認證、推廣、銷售等等環節。本文所闡述的防觸電、防過高溫度、防輻射、防爆炸、防機械危險、防火這6 點電子設備安全設計的原則和要點，滲透在產品的方案設計、PCB 設計、結構設計等等各個環節當中。在深入認識和理解了這些安全設計原則、要點的基礎上，要求研發設計人員在實際的工作中充分重視這些設計要求，才能避免產品后期代價昂貴且費時的整改、返工，從而取得最佳的設計效果。