产品安全设计

电子产品的常用安全设计措施1．电子产品的基本安全要求（1）防止人身触电；（电击危险）（2）防人身受过高温度的危害；（3）防人身受机械稳定性和运动部件的危害；（机械危害）（4）防止起火；（5）防爆破；（6）防止辐射；（7）防化学危害。2．触电危险的防护电流通过人体会引起病理生理效应，通常毫安级的电流会对人体产生危害，更大的电流甚至会造成人的死亡。因此，在各类电子电气设备的安全设计中防触电保护是一个很重要的内容。通常产生电击危险的原因有：—触及带电件—正常情况下带危险电压零部件和可触及的导电零部件（或带非危险电压的电路）之间的隔离用的绝缘击穿—接触电流过大—大容量电容器放电2.1几个安全术语a.绝缘的分类基本绝缘对危险带电零部件所加的提供防触电基本保护的绝缘。附加绝缘基本绝缘以外所使用的独立绝缘，以便在基本绝缘一旦失效时提供防触电保护。双重绝缘同时具有基本绝缘和附加绝缘的绝缘。加强绝缘对危险带电零部件附加的单一绝缘，其防触电等级相当于双重绝缘。绝缘的构成可以是固体材料、液体材料、满足一定要求的空气间隙和爬电距离。b.防触电保护类型Ⅰ类防触电不仅依靠基本绝缘而且采用附加安全措施的设计，在基本绝缘万一失效时，有措施使可触及的导电零部件与设施中的固定线路中的保护（接地）导体相连接，从而使可触及的导电零部件不会危险带电。Ⅱ类防触电不仅依靠基本绝缘而且采用诸如双重绝缘或加强绝缘之类的附加安全措施的设计。它不具有保护接地的措施，也不依靠设计的条件。Ⅲ类使用安全特低电压供电。c.爬电距离在两个导体零部件之间沿绝缘材料表面的最短距离。d.电气间隙在两个导电零部件之间在空气中的最短距离。e.接触电流正常工作条件下或故障条件下，当人体接触设备的一个或多个可触及零部件时通过人体的电流。2.2基本要求从安全标准的意义上，设备必须满足可触及部位；----接触电流小于0.7mA，或开路电压小于直流电压60V，交流电压35V；----具有足够的抗电强度和绝缘电阻；----具有合适的防触电等级。2.3安全设计要点与方法2.3.1防止触及带电件设计要点：通过使用双重绝缘或加强绝缘，将带危险电压的零部件与可触及件隔离。设计措施：（1）机壳隔离利用机壳可把尽可能多的带电部件围封起来，防止操作者触及。因此机壳的安全设计必须引起设计者的重视。机壳的安全设计要求达到：a.足够的机械强度。为保证对带电件提供足够的安全隔离保护，要求机壳能承受一定的外力作用，标准规定设备外壳的不同部位应承受----用试验指施加50N±5N的推力，持续10S；----用试验钩施加20N±2N的拉力，持续10S；----用直径30mm的圆形接触平面的试验工具对外部导电的外壳和外壳上的导电零部件施加100N±10N（落地式设备250N±10N）的作用力，持续5S；b.合适的孔径或缝隙的尺寸。为了散热通风的需要和安装各类开关、输入输出装置，在机壳上开孔是不是可避免的，为保证使用者不会通过这些孔接触到机壳内的带电件，在安全设计中不应注意一下几点：----尽量少开孔，并保证开孔后机壳的机械强度仍应满足标准的要求；----孔的位置应尽量避免在带电件集中的部位，设计应保证使悬挂的外来物在进入孔后不会变成危险带电件（标准规定直径为4mm，长100mm的试验针插入孔内进行检查）。c.机壳的安装固定应注意：----不通过工具不能开孔，除非应采用了连锁装置，使得当机壳被打开的同事自动切断电源。----连接的螺钉要有一定的啮合牢度，但也不能太长，导致破坏规定的绝缘。（2）防护罩和防护挡板当仅需要将某一带电部位隔离时可用防护罩或防护盖，其所起的功能和设计要点与机壳相同。例如，对于因功能需要，使得连接端子带电时，可设置保护盖，使带电端子不可触及。防护挡板用于防止与带电件直接接触，或增加爬电距离和电气间隙，要求材料必须是绝缘材料，绝缘厚度满足标准的规定（≥0.4），挡板必须固定牢固。（3）安全接地措施Ⅰ类设备的机壳采用基本绝缘，需要用安全接地防护作为附加安全措施，以便当一旦基本绝缘失效时，通过安全接地保护，使可触及件不会变成带电件。这种保护措施的关键要保证接地端的可靠性，设计要求为：a.可触及件到接地端子的电阻应小于0.1Ω，试验方法为，施加试验电流交流25A或直流25A；试验电压不超过12V；1min。b.保护接点端子应耐腐蚀。（接地端子与其接触的导体之间的电化学点位不超过0.6V）。c.对地保护接点导线的绝缘层应是黄绿色；有足够的截面积。d.安全接地端子的连接方法应能保证徒手不能拆开；若手动可拆零部件保护接地，则相对载流连接触点而言，应“先通过断”。e.安全接地端子的位置应设置在：----设备本身具有电源连接的插座的，应设置在插座上；----设备为了不可拆卸的电源线，设置在靠近电网端子的地方。----各需要接地保护的零部件应“并联”接到安全连接端（即指：万一有某处接地保护失效，也不能因此而影响其它需接地保护的零部件的保护作用）（4）保护隔离方法利用满足加强绝缘或双重绝缘的元件对带危险电压电路与安全特低电压电路进行隔离。此类元件有隔离变压器、光电耦合器、隔离电阻、隔离电容器等。这些元件的选择必须符合安全标准的要求。采用合适的爬电距离和电气间隙，满足有关绝缘的要求。（参见GB889813.2；GB49432.10）（5）降低输出端子的电压（这并不是所有产品都能做到）。（6）使用安全联锁装置，在出现可能触及带电端子的危险时切断电源。2.3.2防止危险带电件与可触及件之间的绝缘击穿产品内所有绝缘都必须能承受产品在正常工作条件下河单一故障条件下产品内部产生的相关电压，还必须承受来自电网电源和从通信网络传入的瞬态冲击电压，而不飞弧、击穿。击穿的概念：当绝缘承受的电压足够高而使得绝缘电阻无法在限制电流的增大，此时在施加电压的两级间发生放电，称为击穿。机床的途径：可能是固体绝缘材料内部；或沿两电极之间的绝缘表面（即所谓的“爬电”）；或沿两电极之间最短的空间途径（即气体介质中的“飞弧”）击穿的主要形式：电击穿----绝缘材料的电介质结构直接为电场力所破坏而致。热击穿----由于绝缘材料的介质损耗导致电介质发热所致。在交变正弦电压作用下绝缘材料的介质损耗为P=U2í2πífíCítgδ式中：U—电压（V）F—频率（Hz）C—电容（F）tgδ—损耗角正切在直流电压作用下绝缘材料的介质损耗为P=U2/R式中：U—电压（V）R—绝缘电阻（Ω）电化学击穿----由于外加电压的作用，致使电介质内部发生化学变化而引起。设计要点—根据产品的工作条件和环境条件（例如：承受的工作电压及其频率、机械应力、正常工作条件下的温升、环境温湿度、气压、环境污染等）选择合适的绝缘材料—对绝缘系统的结构要求：----有足够的绝缘穿透距离，以防止透过绝缘材料内部击穿；----有足够的空气间隙，防止沿两电极之间最短的空间间隙发生放电；----有足够的爬电距离，防止在相应污染条件下沿两电极之间的绝缘体表面发生爬电。设计措施Ⅰ类设备基本绝缘（第一道防线）加安全接地（附加绝缘，第二道防线），应注意，附加保护措施不能降低对基本绝缘的要求。Ⅱ类设备危险带电件与可触及件之间采用双重绝缘或加强绝缘。例如，一次电路和二次电流之间采用符合加强绝缘要求的安全隔离变压器、光电耦合器等。应注意，标有“回”符号的Ⅱ设备部应使用有接地导体的电源线或输入连接器。Ⅲ类设备采用安全特低电压（SELV）供电，并采取措施保证安全特低电压（SELV）电路的其他电路隔离：a.用双重绝缘和加强绝缘将安全特低电压（SELV）电路与危险带电件隔离；b.将SELV电路接地。安全特低电压（SELV）电路：作了适当的设计和保护的二次电路，使得在正常工作条和单一故障条件下，它的电压值均不会超过安全值。----正常工作条件下，电路内任何两导体/电路之间的电压，或任一导体与地之间的电压不应超过交流电压峰值42.4；直流电压值60V。----单一故障条件下，电路内任何两导体/电路之间的电压，或任一导体与地之间的电压在经过0.2S后不应超过电流电压峰值42.4V；直流电压值超过60V，而且其极限值不应超过交流电压峰值71V；直流电压值120V。2.3.3防接触电流过大设计要点—减少危险带电件与可触及件之间的等效隔离电容的容量。危险带电件与可触及件之间的等效隔离电容的容量太大，会导致接触电流过大，理论上讲，当输入电网电源电压为250V（r.m.s）时，其容量可达6200pF，但实际由于产品内部分布电容的存在，隔离电容的容量不可能这么大，通常不超过5100pF。—Ⅰ类设备可提供可靠的连接保护接地连接。设计措施（1）降低隔离电容的容量。特别应注意不能为了产品的电磁兼容要求的达标，而任意加大电容量，忽略安全要求。（2）Ⅰ类设备中可能要承受单一故障条件下保护导体电流的保护电流的保护接地连接要可靠----足够的截面积。防止单一故障条件下保护导体电流熔断保护接地线；----采用可靠的连接方式；----可靠的端子结构。（具体要求见：GB4943-20012.6条，GB8898-200115.2条）2.3.4防大容量电容器放电当跨接在初级电源电路的电容器容量达到一定值时，设备通电后，由于电容充有较多的电能，当未能及时释放，拔出电源插头，触及插头上的金属零部件时，就有可能产生电击危险。设计措施（1）降低电容器的容量；（2）设置时间常数足够小的放电回路。由于电容量常受其他要求的约束，不易任意减少，故实际常数在电容器两端并联适当阻值的电阻器，形成放电回路。安全标准要求：GB8898-2001：拔出电源插头后2s，插头上的插销不应变成危险电压。电源两极之间的电容量＜0.1Uf时，可免做试验。（9.1.6条）GB4943-2001：对A型可插式设备的放电时间常数1s（此时电压降衰减到初始值的37%）电源两极之间的电容量＜0.1uF时，可免做试验。（2.1.1.7条）2.3.5通信网络电压电路（TNV电路）的安全设计IT产品和多媒体产品常包含有通信网络接口，因此涉及TNV电路的要求。—TNV电路的类型：1）TNV-1电路----在正常工作条件下，其正常工作电压不超过SELV电路的限值；并且----在其电路上可能承受来自通信网络的过电压的TNV电路。2）TNV-2电路----在正常工作条件下，其正常工作电压超过SELV电路的限值；并且----不承受来自通信网络的过电压的TNV电路。3）TNV-3电路----在正常工作条件下，其正常工作电压超过SELV电路的限制；并且----在其电路上可能承受来自通信网络的过电压的TNV电路。设计要点—应符合标准中TNV电路对电压限制的要求----TNV-1电路正常工作电压不超过SELV电路的限制；----TNV-2、TNV-3电路的正常工作条件下，其正常工作电压可超过SELV电路的限值，但不能超过；----无电话振铃信号时交直流电压组合应为Vac/70.7+Vdc120≤1式中：Vac—任何频率的交流电压的峰值，V；Vdc—直流电压值，V；注：当Vac为零时，Vdc可达120V；当Vdc为零时，Vac可达峰值70.7V。----有电话振铃信号时应符合GB4943-2001第M2章或第M3章的判据要求。—TNV电路应不会危及通信网络使用人员；—必须能承受通信网络的通信信号的作用（包括TNV-1电路和TNV-3电路可能要承受瞬态过电压的影响）。设计措施对TNV电路进行隔离1）用双重绝缘或加强绝缘与危险电压隔离；2）基本绝缘和连接到保护接地端子的保护屏蔽层与危险电压隔离（注：此法在某些国家是有限制的，请参照GB4943-20012.3.3）；3）如果TNV电路由二次电路供电，且此二次电路已用双重绝缘和加强绝缘与危险电压隔离，则可认为TNV电路已用同样的方法与危险电压隔离。2.3.6各类绝缘应用可参见GB4943-2001表2G。3．过高温度的防护过高的温度能使人被烫伤，能造成绝缘损伤、引起可燃材料着火。3.1基本要求设备在正常工作和故障条件下的温升值应符合标准的规定（GB4943-2001表4A，GB8898-2001表2）。