智能家电保护电子电路系统安全要求及案例分析

1 引言

随着家电智能化技术的发展，带电子电路系统的家电产品越来越多，电子电路系统能够实现家电的轻量化并能带给用户更好的使用体验[1]，但电子电路系统通过各类晶体管及集成电路的数字逻辑进行工作，其可靠性依赖于电子元件正确工作，且易受电磁干扰。为了使用者安全，最新国际标准IEC 60335-1:2010+A1:2013《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》的第19章非正常工作，对电子电路系统的故障试验做了详实的规定。然而标准的编写是以具体的测试为主线的，这使得产品的设计者、生产者甚至第三方检测机构对电子电路系统安全性要求难以掌握，造成在电子电路设计时，违背了标准的安全技术要求。本文从电子电路系统的保护能力出发，对施加于保护电子电路系统的故障试验进行了分类，对不同类别的保护电子电路系统的安全技术要求进行汇总，并通过实例来说明不同保护电子电路系统的实现方案。

2 家电保护电子电路系统安全要求及分类

国际标准IEC 60335-1:2010+A1:2013的第19章规定了一系列的非正常试验条件，经分析，按照非正常的类型以及与电子电路系统的相关性，非正常试验分为家电产品功能性故障、电子电路内部故障和强电磁干扰试验。具体的试验名称及条款号如表1所示。

表1中，家电产品功能性故障试验是针对家电产品的通用试验，电子电路系统若参与功能性故障保护工作，应能够及时响应，保证器具在故障条件下的安全。电子电路内部故障和强电磁干扰试验是电子电路系统特有的试验。依据电子电路系统对各类故障的响应不同，我们把电子电路系统分为五类：

第一类功能电子电路系统，是指该电子电路系统仅提供智能家电正常控制和操作的功能（包括人机交互、远程控制等功能），而不提供任何的非正常操作的防护功能。

第二类功能防护性电子电路系统，是指电子电路系统该提供了除正常功能外，还具备了对非正常操作（包括温控失常、电机堵转等等）进行识别，并报警和切断电路，但对于电子电路系统内部出现的故障不具备防护和识别。当电子电路内部出现故障时，需要热断路器、热熔体或者过流保险丝等器件参与防护。

第三类保护电子电路系统，是指电子电路系统提供了除正常除功能外，具备了对非正常操作（包括温控失常、电机堵转等等）进行识别，并报警和切断电路，且对于电子电路内部出现的故障并具备防护和识别。

第四类后备保护电子电路系统，是指系统不仅符合保护电子电路系统要求，且当器具同时发生功能性非正常（包括温控失常、电机堵转等等）和电子电路系统内部故障时，可以保证电器产品不出现对周围环境危害，且该故障保护电子电路工作时，具有较强的抗干扰能力。

图1 电热器具功能电子电路系统结构图

图2 电热器具保护电子电路系统结构

图3 电热器具后备保护电子电路系统结构

第五类软件保护电子电路系统，是指系统不仅满足后备保护电子电路系统要求，同时该保护的实现依赖于软件，此保护软件能够满足标准规定的B类或者C类要求[2]。

根据标准第19章非正常工作的规定，经分析和总结，把与电子电路系统相关的非正常试验分为7个层次：

第1层试验：待机或电子断开条件下的强电磁干扰试验；

第2层试验：产品功能性故障试验；

第3层试验：可编程器件的电压变化试验；

第4层试验：电子电路系统内部故障试验；

第5层试验：功能性故障和电子电路系统内部故障联合试验；

第6层试验：电子电路故障状态下的强电磁干扰试验；

第7层试验：保护软件评估试验。

不同类别的电子电路系统需承受的试验也不相同，具体的对应关系如表2所示。

3 电子电路系统的分类实例

电子电路系统实现是多样化的，家电产品中不同的功能电路会使会使用不同类型的电子电路系统架构。为了进一步说明不同电子电路系统的分类及要求，我们以简单的电热器具为例说明：

图1为电热器具功能电子电路系统的结构，图中的T代表功率三极管、固态继电器或继电器等电子元件组成的电子开关，用于控制发热元件。（T——电子开关；NTC——负温度系数热敏电阻；A——热熔体或热断路器）

电路通过NTC元器件探测温度，当温度达到目标温度时，电子开关T切断电路，当温度降低到设定的目标温度时，接通电子开关T，电子电路系统起到温度控制作用。该系统对产品功能性故障并没有保护作用，即出现温控器失效时，需通过装配热熔体、热断路器等等过热保护装置切断电路。在电路设计时还可以在控制逻辑中加入热敏电阻异常保护（如短路或者开路）。即在热敏电阻NTC短路、开路或移位时，控制电路能识别并通过T切断发热元件进行保护，但对电子开关T的短路试验，电子电路系统无法进行保护，因此该系统按照分类属于功能电子电路系统。若系统电子开关T处为两个电子开关串联，并经适当的电路设计，可以达到功能防护电子电路系统的要求。（T1、T2——电子开关；NTC——负温度系数热敏电阻；A——热熔体或热断路器）

图2为电热器具保护电子电路系统的结构，是在图1的电路结构基础上，增加一组独立的温度传感器和电子开关。新增部分电路不参与正常功能控制，仅作为工作异常的保护。当出现产品功能性故障试和电子电路系统内部故障时，这部分电路启动并切断发热元件。若功能性故障和电子电路系统内部故障一起发生时，在此条件下，器具会出现无任何保护的情况，故也需装配热熔体和热断路器来提供器具的终极保护。（T1、T2、T3——电子开关；NTC——负温度系数热敏电阻）

图3为电热器具后备保护电子电路系统结构，相比图2，在执行单元终端增加一个电子开关T3，并去掉了物理保护装置，若功能性故障和电子电路系统内部故障一起发生时，确保T3部分电路能够切断发热元件，相反若T3部分电路发生故障时，T2部分电路能够切断发热元件，这样系统就做到了相互的备份，确保功能性故障和电子电路系统内部故障同时发生时保证了器具的安全。除了上述的功能要求外，后备保护电子电路系统还需经受电子电路故障状态下的强电磁干扰试验，需确保在故障切断的情况下，出现强电磁干扰时不会逻辑翻转导致加热元件再次工作而引起安全问题。（T1、T2、T3——电子开关；NTC——负温度系数热敏电阻）

图4为电热器具软件保护电子电路系统结构，与图3的电路结构相比，系统增加了微处理器，由微处理器来处理传感器信息，并通过端口控制T1、T2、T3同电子开关，一般来说，只要保证微处理器系统两个温度测量单元（前向通道）和三个执行单元（后向通道）分别相互独立，既能满足要求电路硬件设计要求，因此硬件电路将大大简化，但微处理器系统的硬件和软件设计需要满足B类或C类保护软件的要求。

4 保护电子电路系统的设计原则

上一节仅给出了最简单的电热器具的实例，实际家用器具情况要比例子复杂，电子电路系统设计更为复杂，需要对具体电路进行分析，但在设计时应遵循以下原则：

第一，独立原则。即用于非正常防护部分电子电路系统应与用于正常功能控制调节用的电子电路系统完全独立，包括测量单元（包括传感器），处理单元（对于使用B类或C类软件保护时可以仅用一个微处理器硬件架构，但必须经过特殊设计）和执行单元（包括驱动和切断故障电路装置）。

第二，单一故障原则。即当保护电子电路系统内部发生单一故障时，电子电路系统必须确保其仍有能力操动执行单元，并能切断故障电路。

第三，稳定性原则。当电子保护系统监测到故障发生，切断故障回路后，系统在受强电磁干扰和电源扰动（包括断电）的情况下，依然能够保持故障回路切断状态。

第四，可靠性原则。当使用软件进行非正常工作保护时，用于保护功能运算部分的软件应能标准规定的B类或者C类要求。

表1 家电保护电子电路系统故障试验分类

表2 不同电子电路系统需承受的试验汇总表

图4 电热器具软件保护电子电路系统结构

5 结束语

考虑安全要求，家用器具的电子电路系统设计往往较为复杂，本文通过分析标准规定的安全技术要求，对家用器具电子系统的安全要求进行了分类，并给出了简单电热器具的实现实例，可供家电生产和设计者参考。多功能家用器具的电子电路系统的设计是一项复杂的工作，本文提供的电子电路系统分类方法及试验分类有助于家电生产和设计者理解安全要求，并设计出符合安全要求的保护电子电路系统。

参考文献

[1] 许曼曼. 智能化家电产品及标准的发展趋势[J]. 消费导刊, 2017(13).

[2] 李红伟, 李勍. 家用电器软件评估浅析[J]. 家电科技, 2010(4):55-56.