智能家電保護(hù)電子電路系統(tǒng)安全要求及案例分析

1 引言

隨著家電智能化技術(shù)的發(fā)展，帶電子電路系統(tǒng)的家電產(chǎn)品越來(lái)越多，電子電路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)家電的輕量化并能帶給用戶(hù)更好的使用體驗(yàn)[1]，但電子電路系統(tǒng)通過(guò)各類(lèi)晶體管及集成電路的數(shù)字邏輯進(jìn)行工作，其可靠性依賴(lài)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60335-1:2010+A1:2013《家用和類(lèi)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(duì)電子電路系統(tǒng)的故障試驗(yàn)做了詳實(shí)的規(guī)定。然而標(biāo)準(zhǔn)的編寫(xiě)是以具體的測(cè)試為主線的，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者甚至第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)電子電路系統(tǒng)安全性要求難以掌握，造成在電子電路設(shè)計(jì)時(shí)，違背了標(biāo)準(zhǔn)的安全技術(shù)要求。本文從電子電路系統(tǒng)的保護(hù)能力出發(fā)，對(duì)施加于保護(hù)電子電路系統(tǒng)的故障試驗(yàn)進(jìn)行了分類(lèi)，對(duì)不同類(lèi)別的保護(hù)電子電路系統(tǒng)的安全技術(shù)要求進(jìn)行匯總，并通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明不同保護(hù)電子電路系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

2 家電保護(hù)電子電路系統(tǒng)安全要求及分類(lèi)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60335-1:2010+A1:2013的第19章規(guī)定了一系列的非正常試驗(yàn)條件，經(jīng)分析，按照非正常的類(lèi)型以及與電子電路系統(tǒng)的相關(guān)性，非正常試驗(yàn)分為家電產(chǎn)品功能性故障、電子電路內(nèi)部故障和強(qiáng)電磁干擾試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)名稱(chēng)及條款號(hào)如表1所示。

表1中，家電產(chǎn)品功能性故障試驗(yàn)是針對(duì)家電產(chǎn)品的通用試驗(yàn)，電子電路系統(tǒng)若參與功能性故障保護(hù)工作，應(yīng)能夠及時(shí)響應(yīng)，保證器具在故障條件下的安全。電子電路內(nèi)部故障和強(qiáng)電磁干擾試驗(yàn)是電子電路系統(tǒng)特有的試驗(yàn)。依據(jù)電子電路系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)故障的響應(yīng)不同，我們把電子電路系統(tǒng)分為五類(lèi)：

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

第二類(lèi)功能防護(hù)性電子電路系統(tǒng)，是指電子電路系統(tǒng)該提供了除正常功能外，還具備了對(duì)非正常操作（包括溫控失常、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等等）進(jìn)行識(shí)別，并報(bào)警和切斷電路，但對(duì)于電子電路系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的故障不具備防護(hù)和識(shí)別。當(dāng)電子電路內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，需要熱斷路器、熱熔體或者過(guò)流保險(xiǎn)絲等器件參與防護(hù)。

第三類(lèi)保護(hù)電子電路系統(tǒng)，是指電子電路系統(tǒng)提供了除正常除功能外，具備了對(duì)非正常操作（包括溫控失常、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等等）進(jìn)行識(shí)別，并報(bào)警和切斷電路，且對(duì)于電子電路內(nèi)部出現(xiàn)的故障并具備防護(hù)和識(shí)別。

第四類(lèi)后備保護(hù)電子電路系統(tǒng)，是指系統(tǒng)不僅符合保護(hù)電子電路系統(tǒng)要求，且當(dāng)器具同時(shí)發(fā)生功能性非正常（包括溫控失常、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等等）和電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障時(shí)，可以保證電器產(chǎn)品不出現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境危害，且該故障保護(hù)電子電路工作時(shí)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖1 電熱器具功能電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電熱器具保護(hù)電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 電熱器具后備保護(hù)電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第五類(lèi)軟件保護(hù)電子電路系統(tǒng)，是指系統(tǒng)不僅滿(mǎn)足后備保護(hù)電子電路系統(tǒng)要求，同時(shí)該保護(hù)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于軟件，此保護(hù)軟件能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B類(lèi)或者C類(lèi)要求[2]。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)第19章非正常工作的規(guī)定，經(jīng)分析和總結(jié)，把與電子電路系統(tǒng)相關(guān)的非正常試驗(yàn)分為7個(gè)層次：

第1層試驗(yàn)：待機(jī)或電子斷開(kāi)條件下的強(qiáng)電磁干擾試驗(yàn)；

第2層試驗(yàn)：產(chǎn)品功能性故障試驗(yàn)；

第3層試驗(yàn)：可編程器件的電壓變化試驗(yàn)；

第4層試驗(yàn)：電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障試驗(yàn)；

第5層試驗(yàn)：功能性故障和電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障聯(lián)合試驗(yàn)；

第6層試驗(yàn)：電子電路故障狀態(tài)下的強(qiáng)電磁干擾試驗(yàn)；

第7層試驗(yàn)：保護(hù)軟件評(píng)估試驗(yàn)。

不同類(lèi)別的電子電路系統(tǒng)需承受的試驗(yàn)也不相同，具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

3 電子電路系統(tǒng)的分類(lèi)實(shí)例

電子電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是多樣化的，家電產(chǎn)品中不同的功能電路會(huì)使會(huì)使用不同類(lèi)型的電子電路系統(tǒng)架構(gòu)。為了進(jìn)一步說(shuō)明不同電子電路系統(tǒng)的分類(lèi)及要求，我們以簡(jiǎn)單的電熱器具為例說(shuō)明：

圖1為電熱器具功能電子電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，圖中的T代表功率三極管、固態(tài)繼電器或繼電器等電子元件組成的電子開(kāi)關(guān)，用于控制發(fā)熱元件。（T——電子開(kāi)關(guān)；NTC——負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻；A——熱熔體或熱斷路器）

電路通過(guò)NTC元器件探測(cè)溫度，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，電子開(kāi)關(guān)T切斷電路，當(dāng)溫度降低到設(shè)定的目標(biāo)溫度時(shí)，接通電子開(kāi)關(guān)T，電子電路系統(tǒng)起到溫度控制作用。該系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品功能性故障并沒(méi)有保護(hù)作用，即出現(xiàn)溫控器失效時(shí)，需通過(guò)裝配熱熔體、熱斷路器等等過(guò)熱保護(hù)裝置切斷電路。在電路設(shè)計(jì)時(shí)還可以在控制邏輯中加入熱敏電阻異常保護(hù)（如短路或者開(kāi)路）。即在熱敏電阻NTC短路、開(kāi)路或移位時(shí)，控制電路能識(shí)別并通過(guò)T切斷發(fā)熱元件進(jìn)行保護(hù)，但對(duì)電子開(kāi)關(guān)T的短路試驗(yàn)，電子電路系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行保護(hù)，因此該系統(tǒng)按照分類(lèi)屬于功能電子電路系統(tǒng)。若系統(tǒng)電子開(kāi)關(guān)T處為兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)，并經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，可以達(dá)到功能防護(hù)電子電路系統(tǒng)的要求。（T1、T2——電子開(kāi)關(guān)；NTC——負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻；A——熱熔體或熱斷路器）

圖2為電熱器具保護(hù)電子電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是在圖1的電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一組獨(dú)立的溫度傳感器和電子開(kāi)關(guān)。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(hù)。當(dāng)出現(xiàn)產(chǎn)品功能性故障試和電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障時(shí)，這部分電路啟動(dòng)并切斷發(fā)熱元件。若功能性故障和電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障一起發(fā)生時(shí)，在此條件下，器具會(huì)出現(xiàn)無(wú)任何保護(hù)的情況，故也需裝配熱熔體和熱斷路器來(lái)提供器具的終極保護(hù)。（T1、T2、T3——電子開(kāi)關(guān)；NTC——負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）

圖3為電熱器具后備保護(hù)電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，相比圖2，在執(zhí)行單元終端增加一個(gè)電子開(kāi)關(guān)T3，并去掉了物理保護(hù)裝置，若功能性故障和電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障一起發(fā)生時(shí)，確保T3部分電路能夠切斷發(fā)熱元件，相反若T3部分電路發(fā)生故障時(shí)，T2部分電路能夠切斷發(fā)熱元件，這樣系統(tǒng)就做到了相互的備份，確保功能性故障和電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障同時(shí)發(fā)生時(shí)保證了器具的安全。除了上述的功能要求外，后備保護(hù)電子電路系統(tǒng)還需經(jīng)受電子電路故障狀態(tài)下的強(qiáng)電磁干擾試驗(yàn)，需確保在故障切斷的情況下，出現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾時(shí)不會(huì)邏輯翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致加熱元件再次工作而引起安全問(wèn)題。（T1、T2、T3——電子開(kāi)關(guān)；NTC——負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）

圖4為電熱器具軟件保護(hù)電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與圖3的電路結(jié)構(gòu)相比，系統(tǒng)增加了微處理器，由微處理器來(lái)處理傳感器信息，并通過(guò)端口控制T1、T2、T3同電子開(kāi)關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，只要保證微處理器系統(tǒng)兩個(gè)溫度測(cè)量單元（前向通道）和三個(gè)執(zhí)行單元（后向通道）分別相互獨(dú)立，既能滿(mǎn)足要求電路硬件設(shè)計(jì)要求，因此硬件電路將大大簡(jiǎn)化，但微處理器系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足B類(lèi)或C類(lèi)保護(hù)軟件的要求。

4 保護(hù)電子電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

上一節(jié)僅給出了最簡(jiǎn)單的電熱器具的實(shí)例，實(shí)際家用器具情況要比例子復(fù)雜，電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，需要對(duì)具體電路進(jìn)行分析，但在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

第一，獨(dú)立原則。即用于非正常防護(hù)部分電子電路系統(tǒng)應(yīng)與用于正常功能控制調(diào)節(jié)用的電子電路系統(tǒng)完全獨(dú)立，包括測(cè)量單元（包括傳感器），處理單元（對(duì)于使用B類(lèi)或C類(lèi)軟件保護(hù)時(shí)可以?xún)H用一個(gè)微處理器硬件架構(gòu)，但必須經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)）和執(zhí)行單元（包括驅(qū)動(dòng)和切斷故障電路裝置）。

第二，單一故障原則。即當(dāng)保護(hù)電子電路系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生單一故障時(shí)，電子電路系統(tǒng)必須確保其仍有能力操動(dòng)執(zhí)行單元，并能切斷故障電路。

第三，穩(wěn)定性原則。當(dāng)電子保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到故障發(fā)生，切斷故障回路后，系統(tǒng)在受強(qiáng)電磁干擾和電源擾動(dòng)（包括斷電）的情況下，依然能夠保持故障回路切斷狀態(tài)。

第四，可靠性原則。當(dāng)使用軟件進(jìn)行非正常工作保護(hù)時(shí)，用于保護(hù)功能運(yùn)算部分的軟件應(yīng)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B類(lèi)或者C類(lèi)要求。

表1 家電保護(hù)電子電路系統(tǒng)故障試驗(yàn)分類(lèi)

表2 不同電子電路系統(tǒng)需承受的試驗(yàn)匯總表

圖4 電熱器具軟件保護(hù)電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

考慮安全要求，家用器具的電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往較為復(fù)雜，本文通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全技術(shù)要求，對(duì)家用器具電子系統(tǒng)的安全要求進(jìn)行了分類(lèi)，并給出了簡(jiǎn)單電熱器具的實(shí)現(xiàn)實(shí)例，可供家電生產(chǎn)和設(shè)計(jì)者參考。多功能家用器具的電子電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，本文提供的電子電路系統(tǒng)分類(lèi)方法及試驗(yàn)分類(lèi)有助于家電生產(chǎn)和設(shè)計(jì)者理解安全要求，并設(shè)計(jì)出符合安全要求的保護(hù)電子電路系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 許曼曼. 智能化家電產(chǎn)品及標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 消費(fèi)導(dǎo)刊, 2017(13).

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