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更好的使用體驗[1]，但電子電路系統(tǒng)通過各類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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的故障試驗做了詳實的規(guī)定。然而標(biāo)準(zhǔn)的編寫是以具體的測試為主線的，這使得產(chǎn)品的設(shè)計者、生產(chǎn)者甚至第三方檢測機構(gòu)對電子電路系統(tǒng)安全性要求難以掌握，造成在電子電路設(shè)計時，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)的保護能力出發(fā)，對施加于保護電子電路系統(tǒng)的故障試驗進(jìn)行了分類，對不同類別的保護電子電路系統(tǒng)的安全技術(shù)要求進(jìn)行匯總，并通過實例來說明不同保護電子電路系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

2 家電保護電子電路系統(tǒng)安全要求及分類

國際標(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條件，經(jīng)分析，按照非正常的類型以及與電子電路系統(tǒng)的相關(guān)性，非正常試驗分為家電產(chǎn)品功能性故障、電子電路內(nèi)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(chǎn)品功能性故障試驗是針對家電產(chǎn)品的通用試驗，電子電路系統(tǒng)若參與功能性故障保護工作，應(yīng)能夠及時響應(yīng)，保證器具在故障條件下的安全。電子電路內(nèi)部故障和強電磁干擾試驗是電子電路系統(tǒng)特有的試驗。依據(jù)電子電路系統(tǒng)對各類故障的響應(yīng)不同，我們把電子電路系統(tǒng)分為五類：

第一類功能電子電路系統(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功能。

第二類功能防護性電子電路系統(tǒng)，是指電子電路系統(tǒng)該提供了除正常功能外，還具備了對非正常操作（包括溫控失常、電機堵轉(zhuǎn)等等）進(jìn)行識別，并報警和切斷電路，但對于電子電路系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的故障不具備防護和識別。當(dāng)電子電路內(nèi)部出現(xiàn)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(tǒng)，是指電子電路系統(tǒng)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(zhuǎn)等等）進(jìn)行識別，并報警和切斷電路，且對于電子電路內(nèi)部出現(xiàn)的故障并具備防護和識別。

第四類后備保護電子電路系統(tǒng)，是指系統(tǒng)不僅符合保護電子電路系統(tǒng)要求，且當(dāng)器具同時發(fā)生功能性非正常（包括溫控失常、電機堵轉(zhuǎn)等等）和電子電路系統(tǒng)內(nèi)部故障時，可以保證電器產(chǎn)品不出現(xiàn)對周圍環(huán)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電熱器具保護電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 電熱器具后備保護電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第五類軟件保護電子電路系統(tǒng)，是指系統(tǒng)不僅滿足后備保護電子電路系統(tǒng)要求，同時該保護的實現(xiàn)依賴于軟件，此保護軟件能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B類或者C類要求[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(chǎn)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(tǒng)內(nèi)部故障試驗；

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

第6層試驗：電子電路故障狀態(tài)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(tǒng)需承受的試驗也不相同，具體的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

3 電子電路系統(tǒng)的分類實例

電子電路系統(tǒng)實現(xiàn)是多樣化的，家電產(chǎn)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(tǒng)架構(gòu)。為了進(jìn)一步說明不同電子電路系統(tǒng)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(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關(guān)，用于控制發(fā)熱元件。（T——電子開關(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NTC元器件探測溫度，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時，電子開關(guān)T切斷電路，當(dāng)溫度降低到設(shè)定的目標(biāo)溫度時，接通電子開關(guān)T，電子電路系統(tǒng)起到溫度控制作用。該系統(tǒng)對產(chǎn)品功能性故障并沒有保護作用，即出現(xiàn)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(shè)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(fā)熱元件進(jìn)行保護，但對電子開關(guān)T的短路試驗，電子電路系統(tǒng)無法進(jìn)行保護，因此該系統(tǒng)按照分類屬于功能電子電路系統(tǒng)。若系統(tǒng)電子開關(guān)T處為兩個電子開關(guān)串聯(lián)，并經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，可以達(dá)到功能防護電子電路系統(tǒng)的要求。（T1、T2——電子開關(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，增加一組獨立的溫度傳感器和電子開關(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。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，這部分電路啟動并切斷發(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，在此條件下，器具會出現(xiàn)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(guān)；NTC——負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）

圖3為電熱器具后備保護電子電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，相比圖2，在執(zhí)行單元終端增加一個電子開關(guān)T3，并去掉了物理保護裝置，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，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，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)部故障同時發(fā)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(tǒng)還需經(jīng)受電子電路故障狀態(tài)下的強電磁干擾試驗，需確保在故障切斷的情況下，出現(xiàn)強電磁干擾時不會邏輯翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致加熱元件再次工作而引起安全問題。（T1、T2、T3——電子開關(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，由微處理器來處理傳感器信息，并通過端口控制T1、T2、T3同電子開關(guān)，一般來說，只要保證微處理器系統(tǒng)兩個溫度測量單元（前向通道）和三個執(zhí)行單元（后向通道）分別相互獨立，既能滿足要求電路硬件設(shè)計要求，因此硬件電路將大大簡化，但微處理器系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)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(tǒng)的設(shè)計原則

上一節(jié)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(fù)雜，電子電路系統(tǒng)設(shè)計更為復(fù)雜，需要對具體電路進(jìn)行分析，但在設(shè)計時應(yīng)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(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(gòu)，但必須經(jīng)過特殊設(shè)計）和執(zhí)行單元（包括驅(qū)動和切斷故障電路裝置）。

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

第三，穩(wěn)定性原則。當(dāng)電子保護系統(tǒng)監(jiān)測到故障發(fā)生，切斷故障回路后，系統(tǒng)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(tài)。

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

表1 家電保護電子電路系統(tǒng)故障試驗分類

表2 不同電子電路系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

考慮安全要求，家用器具的電子電路系統(tǒng)設(shè)計往往較為復(fù)雜，本文通過分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全技術(shù)要求，對家用器具電子系統(tǒng)的安全要求進(jìn)行了分類，并給出了簡單電熱器具的實現(xiàn)實例，可供家電生產(chǎn)和設(shè)計者參考。多功能家用器具的電子電路系統(tǒng)的設(shè)計是一項復(fù)雜的工作，本文提供的電子電路系統(tǒng)分類方法及試驗分類有助于家電生產(chǎn)和設(shè)計者理解安全要求，并設(shè)計出符合安全要求的保護電子電路系統(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[J]. 消費導(dǎo)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.