電子設(shè)備的安全設(shè)計(jì)

曾暉

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

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的迅猛發(fā)展，各類電子設(shè)備蜂擁而至，音視頻類和信息技術(shù)類設(shè)備的產(chǎn)品更是各色各樣、品類繁多，比如電視、電腦、音樂(lè)播放器、PAD 等等，這些產(chǎn)品遍布在人們生活的各個(gè)角落。人們?cè)谙硎苓@些高科技電子技術(shù)設(shè)備帶來(lái)的便捷好處的同時(shí)，對(duì)于這些觸手可及的電子設(shè)備的安全性要求也日益提高。如何設(shè)計(jì)出一款沒(méi)有安全隱患的產(chǎn)品，這已經(jīng)成為電子設(shè)備方案設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2 安全設(shè)計(jì)原則

除了維修人員外，其余會(huì)接觸到產(chǎn)品者均稱之為使用者，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的安全防護(hù)措施必須假設(shè)使用者并未接受過(guò)辨別危險(xiǎn)的訓(xùn)練，但也不會(huì)蓄意制造危險(xiǎn)狀況。

在決定應(yīng)用何種設(shè)計(jì)方法前，必須考慮下列的優(yōu)先順序：直接排除、降低或隔離危險(xiǎn)源>指定使用產(chǎn)品外的防護(hù)措施，例如合格防護(hù)器具等>向用戶提出危險(xiǎn)事項(xiàng)警示或在說(shuō)明書(shū)上詳細(xì)列出。同時(shí)設(shè)計(jì)者還必須考慮一些可能的異常狀況：產(chǎn)品故障、可能發(fā)生的誤用，及外界不良因素的影響等。

音視頻類和信息技術(shù)類設(shè)備安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要有幾個(gè)方面：防觸電、防過(guò)高溫度、防輻射、防爆炸、防機(jī)械危險(xiǎn)、防火。

3 安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 防觸電

電流通過(guò)人體會(huì)引起病理生理效應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)人體的傷害甚至造成人的死亡。所以對(duì)于人們?nèi)粘＝佑|率高的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，防觸電保護(hù)顯得尤為重要。設(shè)備在干燥的環(huán)境中，不高于42.4Vpeak 或60Vdc 的電壓被認(rèn)為不會(huì)產(chǎn)生電擊?；陔姄舢a(chǎn)生的基本條件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，采用的防觸電措施有：

（1）避免帶電件被觸及——這是產(chǎn)品上實(shí)施的最有效的防觸電設(shè)計(jì)方式。利用機(jī)殼把盡可能多的帶電部件圍封起來(lái)，防止使用者觸及。在采用這種防觸電設(shè)計(jì)方式時(shí)，對(duì)機(jī)殼材料和設(shè)計(jì)規(guī)格也有一定的要求：①足夠的機(jī)械強(qiáng)度。在實(shí)際的產(chǎn)品測(cè)試中，我們一般采用撞擊試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)來(lái)測(cè)試產(chǎn)品外殼結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度；②合適尺寸的開(kāi)孔。為了通風(fēng)、散熱等需要，機(jī)殼上不可避免會(huì)有一些開(kāi)孔。在實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試中，一般采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直徑4mm，長(zhǎng)100mm 的試驗(yàn)針插入開(kāi)孔進(jìn)行檢查。

（2）危險(xiǎn)電壓零部件和可觸及電路、部件之間應(yīng)該采用加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣隔離。這點(diǎn)要求在PCB 電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dāng)跨接在初級(jí)電源電路的電容器容量大到一定程度時(shí)，設(shè)備通電后會(huì)在電容上充有較多電能，拔出電源插頭時(shí)，若電能未能及時(shí)釋放，觸及插頭上的金屬零部件，就有可能產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)。所以在這類電路上必須選擇合適容量的電容或設(shè)置時(shí)間常數(shù)足夠小的放電回路。

圖1：電源原理圖

圖2：服務(wù)器電源進(jìn)線處電路原理圖

3.2 防過(guò)高溫度

電子設(shè)備在正常工作或單一故障條件下，要避免產(chǎn)生過(guò)高溫而導(dǎo)致著火、使用者燙傷及絕緣或安全元器件功能降級(jí)等危險(xiǎn)。對(duì)于音視頻類和信息技術(shù)類的產(chǎn)品，防止過(guò)高溫度的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于避免發(fā)熱，退而求其次采用合理散熱，最壞的條件下對(duì)于不可避免的過(guò)高溫應(yīng)有防護(hù)措施或警告標(biāo)簽來(lái)防止使用者接觸。常用的電子設(shè)備防過(guò)高溫度的設(shè)計(jì)措施有：

（1）合理設(shè)計(jì)機(jī)殼，通過(guò)機(jī)殼材料的合理選擇和通風(fēng)孔位的設(shè)計(jì)加速設(shè)備的工作熱散發(fā)；

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

（3）合理選用熱保護(hù)裝置，可適當(dāng)加裝過(guò)溫保護(hù)裝置來(lái)防止故障條件下的過(guò)高溫升；

（4）選用適當(dāng)?shù)纳岱椒?，散熱片、散熱風(fēng)扇、水冷散熱等等。

3.3 防輻射

應(yīng)避免用戶暴露在激光、臭氧等下面。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)涉及到激光或臭氧輻射模塊，該類模塊應(yīng)嚴(yán)格控制，要求能夠符合EN60825-1 并通過(guò)UL、TUV 或NEMKO 等權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證測(cè)試。

3.4 防爆炸

對(duì)于音視頻類和信息技術(shù)類的產(chǎn)品，防爆炸設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在電池的使用。產(chǎn)品上使用可充電電池時(shí)，必須在電池盒附近明顯位置標(biāo)注電池極性及警告標(biāo)示或在說(shuō)明書(shū)中提醒使用者正確安裝、更換和處理電池。同時(shí)在設(shè)計(jì)上設(shè)置合理的限流電路或采用過(guò)流保護(hù)元件，來(lái)防止電池放電電流和反向電流超過(guò)電池制造廠規(guī)定的允許值。

3.5 防機(jī)械危險(xiǎn)

音視頻類和信息技術(shù)類這些常在手邊使用的電子設(shè)備防機(jī)械危險(xiǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于：

（1）特別注意避免出現(xiàn)尖銳邊緣，防止對(duì)使用者造成傷害；

（2）有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)能夠承受模擬用戶使用場(chǎng)景下可能產(chǎn)生的振動(dòng)、碰撞和沖擊；

（3）有足夠的穩(wěn)定性，設(shè)備重心的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足至少在10°的傾斜臺(tái)上不會(huì)翻轉(zhuǎn)。

3.6 防火

電子設(shè)備的起火主要是其內(nèi)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(kāi)路電壓超過(guò)交流50V（峰值）或直流50V，以及該開(kāi)路電壓與測(cè)得通過(guò)可能的故障點(diǎn)的電流乘積超過(guò)15VA 的故障部位。引燃源引燃的條件通常有：過(guò)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(shù)類電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用的防火措施有：

（1）盡量避免產(chǎn)生引起著火的高溫。比如在設(shè)計(jì)電路時(shí)合理降低功耗；

（2）在整機(jī)元器件或材料使用時(shí)，合理選用可燃性等級(jí)相當(dāng)?shù)脑骷虿牧希?/p>

（3）采用散熱件防止可能引火的高溫，隔離發(fā)熱厲害的部件并進(jìn)行合理散熱。

4 應(yīng)用實(shí)例

在產(chǎn)品各類認(rèn)證的測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到由于安全設(shè)計(jì)的原因，導(dǎo)致產(chǎn)品測(cè)試不通過(guò)的情況。不通過(guò)的根源，歸結(jié)起來(lái)都是由于沒(méi)有達(dá)到上文提到的6 點(diǎn)安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)的要求。

4.1 不安全的爬電距離

因?yàn)椴话踩呐离娋嚯x導(dǎo)致產(chǎn)品存在設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的情況非常常見(jiàn)。一款帶內(nèi)置電源的音視頻播放器，其電源的規(guī)格為輸入220VAC/0.2A，輸出DC12V/2.0A，在安全實(shí)驗(yàn)中被開(kāi)出了不符合項(xiàng)，原因?yàn)殡娫炊俗呔€對(duì)地走線的爬電距離不夠，產(chǎn)品可能導(dǎo)致使用者觸電的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖1電源原理圖上可以看出，內(nèi)置電源L1 變壓器之前部分承載著危險(xiǎn)的220V 交流電壓，依據(jù)GB8898-2011 表8中要求，PCB 走線和地線之間需要保證滿足加強(qiáng)絕緣，通過(guò)換算得出電源端對(duì)地線的電氣間隙不能小于3.0mm。實(shí)際在電源板的PCB 布線上，N 極走線對(duì)散熱片的地焊盤之間的爬電距離僅為2.8mm。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研發(fā)設(shè)計(jì)人員對(duì)電源板PCB 走線進(jìn)行了調(diào)整，將N 極走線對(duì)散熱片的地焊盤之間的距離調(diào)整為3.8mm，該電源在PCB設(shè)計(jì)整改后順利通過(guò)了安全試驗(yàn)的測(cè)試。

當(dāng)涉及到危險(xiǎn)電壓的電路部分，PCB 走線、焊盤布局要特別考慮安全設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，選擇合理的電氣間隙和爬電距離，才能保證產(chǎn)品的安全性。

4.2 插頭的電擊危險(xiǎn)

目前很多電子產(chǎn)品為了有效地抑制電磁干擾，在電源進(jìn)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(guò)大，而且沒(méi)有一個(gè)合理的放電回路，那么電容所貯存的電荷對(duì)使用者就存在電擊危險(xiǎn)。

圖2是一款服務(wù)器上使用的電源，在安全測(cè)試中，由于CX電容容量超過(guò)0.1uF，并且接在一次電路上，就需要對(duì)其進(jìn)行放電時(shí)間和電壓衰減項(xiàng)目的測(cè)試。實(shí)際測(cè)試中，該電源并沒(méi)有達(dá)到GB4943.1-2011 標(biāo)準(zhǔn)里面要求的“1s 內(nèi)電壓衰減到初始值的37%”，實(shí)驗(yàn)室對(duì)其開(kāi)出了安全不符合項(xiàng)。經(jīng)過(guò)分析和反復(fù)驗(yàn)證后，研發(fā)設(shè)計(jì)人員把與CX 電容并聯(lián)的放電電阻R 由2.2M 修改為1M成功解決了這個(gè)問(wèn)題。

這是一個(gè)很顯著的案例，在音視頻類和信息技術(shù)類設(shè)備的方案設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某些情況下EMC 優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)存在相互干擾的情況。EMC 優(yōu)化了可能會(huì)影響到產(chǎn)品安全性，產(chǎn)品安全性保證了可能EMC 性能又被減弱。在面對(duì)這種情況時(shí)，就需要研發(fā)設(shè)計(jì)人員通過(guò)反復(fù)的分析和測(cè)試驗(yàn)證，在兩者之間找到一個(gè)最平衡的狀態(tài)，不僅要保證產(chǎn)品的EMC 特性卻也不能把安全要求落下。

4.3 危險(xiǎn)的外殼開(kāi)孔

外殼開(kāi)孔在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上多數(shù)是為了產(chǎn)品內(nèi)部通風(fēng)散熱的需要，但在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中同樣也需要權(quán)衡安全設(shè)計(jì)的要求。外殼開(kāi)孔的設(shè)計(jì)要求達(dá)到防止使用者接觸到設(shè)備內(nèi)危險(xiǎn)的帶電零部件，防止外來(lái)物進(jìn)入開(kāi)孔后接觸到帶電的裸露零部件而產(chǎn)生危險(xiǎn)的目的。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)往往會(huì)特別注意設(shè)備正面及側(cè)面的開(kāi)孔，卻忽略了設(shè)備底部開(kāi)孔可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

在一些帶內(nèi)置電源的設(shè)備的測(cè)試案例中，為了能夠充分實(shí)現(xiàn)電源部分的散熱，會(huì)在產(chǎn)品內(nèi)置電源下方的外殼底部也設(shè)計(jì)了條形的開(kāi)孔。這樣的開(kāi)孔尺寸一旦不合理，就會(huì)被判定為不合格。

對(duì)于防火外殼，底部的開(kāi)孔應(yīng)當(dāng)能夠使熔融的金屬、燃燒的物質(zhì)等不會(huì)掉落在防火外殼的外面而引燃產(chǎn)品的支撐面。為了滿足這個(gè)要求，依據(jù)GB4943.1-2011 中圖4E 的要求，防火外殼底部或擋板的位置、大小應(yīng)當(dāng)能夠覆蓋其上方部件的擴(kuò)展投影面積。

解決這個(gè)問(wèn)題的方案其實(shí)也很簡(jiǎn)單，只要電源下方和防火外殼中間的位置增加了一張細(xì)目金屬網(wǎng)。這樣的改動(dòng)即不影響通風(fēng)又阻止了可燃物的掉落。

隨著信息技術(shù)多元化發(fā)展，音視頻類和信息技術(shù)類電子設(shè)備的功能也不斷增加，功率不斷加大，因此產(chǎn)品的散熱通風(fēng)也逐漸被設(shè)計(jì)者重視，增加或加大通風(fēng)孔則成為普遍使用的一種簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致了類似這個(gè)案例中存在安全隱患的產(chǎn)品大量涌現(xiàn)。為了避免設(shè)計(jì)出這樣的不安全產(chǎn)品，要求研發(fā)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品外殼開(kāi)孔的時(shí)候，特別注意把防觸電、防火、防過(guò)高溫度等等安全設(shè)計(jì)的要求納入考量范疇。

5 總結(jié)

安全是電子設(shè)備設(shè)計(jì)中不可忽略的重點(diǎn)所在，更會(huì)直接影響到產(chǎn)品后期的認(rèn)證、推廣、銷售等等環(huán)節(jié)。本文所闡述的防觸電、防過(guò)高溫度、防輻射、防爆炸、防機(jī)械危險(xiǎn)、防火這6 點(diǎn)電子設(shè)備安全設(shè)計(jì)的原則和要點(diǎn)，滲透在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)、PCB 設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。在深入認(rèn)識(shí)和理解了這些安全設(shè)計(jì)原則、要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，要求研發(fā)設(shè)計(jì)人員在實(shí)際的工作中充分重視這些設(shè)計(jì)要求，才能避免產(chǎn)品后期代價(jià)昂貴且費(fèi)時(shí)的整改、返工，從而取得最佳的設(shè)計(jì)效果。