电子设备的安全设计

曾晖

（福建星网锐捷通讯股份有限公司 福建星网视易信息系统有限公司 福建省福州市 350000）

1 引言

随着科学技术日新月异的迅猛发展，各类电子设备蜂拥而至，音视频类和信息技术类设备的产品更是各色各样、品类繁多，比如电视、电脑、音乐播放器、PAD 等等，这些产品遍布在人们生活的各个角落。人们在享受这些高科技电子技术设备带来的便捷好处的同时，对于这些触手可及的电子设备的安全性要求也日益提高。如何设计出一款没有安全隐患的产品，这已经成为电子设备方案设计时不可忽略的一个重要环节。

2 安全设计原则

除了维修人员外，其余会接触到产品者均称之为使用者，设计产品的安全防护措施必须假设使用者并未接受过辨别危险的训练，但也不会蓄意制造危险状况。

在决定应用何种设计方法前，必须考虑下列的优先顺序：直接排除、降低或隔离危险源>指定使用产品外的防护措施，例如合格防护器具等>向用户提出危险事项警示或在说明书上详细列出。同时设计者还必须考虑一些可能的异常状况：产品故障、可能发生的误用，及外界不良因素的影响等。

音视频类和信息技术类设备安全设计要点，主要有几个方面：防触电、防过高温度、防辐射、防爆炸、防机械危险、防火。

3 安全设计要点

3.1 防触电

电流通过人体会引起病理生理效应，导致对人体的伤害甚至造成人的死亡。所以对于人们日常接触率高的电子产品来说，防触电保护显得尤为重要。设备在干燥的环境中，不高于42.4Vpeak 或60Vdc 的电压被认为不会产生电击。基于电击产生的基本条件，在产品设计时，采用的防触电措施有：

（1）避免带电件被触及——这是产品上实施的最有效的防触电设计方式。利用机壳把尽可能多的带电部件围封起来，防止使用者触及。在采用这种防触电设计方式时，对机壳材料和设计规格也有一定的要求：①足够的机械强度。在实际的产品测试中，我们一般采用撞击试验、振动试验、冲击试验和跌落试验来测试产品外壳结构的机械强度；②合适尺寸的开孔。为了通风、散热等需要，机壳上不可避免会有一些开孔。在实际产品测试中，一般采用标准规定的直径4mm，长100mm 的试验针插入开孔进行检查。

（2）危险电压零部件和可触及电路、部件之间应该采用加强绝缘或双重绝缘隔离。这点要求在PCB 电路设计和结构设计上选择合适的爬电距离和电气间隙，并且需要考虑到在单一故障的条件下依然能够保持足够的爬电距离和电气间隙。

（3）控制大容量电容放电。当跨接在初级电源电路的电容器容量大到一定程度时，设备通电后会在电容上充有较多电能，拔出电源插头时，若电能未能及时释放，触及插头上的金属零部件，就有可能产生电击危险。所以在这类电路上必须选择合适容量的电容或设置时间常数足够小的放电回路。

图1：电源原理图

图2：服务器电源进线处电路原理图

3.2 防过高温度

电子设备在正常工作或单一故障条件下，要避免产生过高温而导致着火、使用者烫伤及绝缘或安全元器件功能降级等危险。对于音视频类和信息技术类的产品，防止过高温度的设计要点在于避免发热，退而求其次采用合理散热，最坏的条件下对于不可避免的过高温应有防护措施或警告标签来防止使用者接触。常用的电子设备防过高温度的设计措施有：

（1）合理设计机壳，通过机壳材料的合理选择和通风孔位的设计加速设备的工作热散发；

（2）发热元件的合理布局，把发热元件布置在易于通风散热的地方，不要在小范围内大量堆积易发热元件；

（3）合理选用热保护装置，可适当加装过温保护装置来防止故障条件下的过高温升；

（4）选用适当的散热方法，散热片、散热风扇、水冷散热等等。

3.3 防辐射

应避免用户暴露在激光、臭氧等下面。如果产品设计涉及到激光或臭氧辐射模块，该类模块应严格控制，要求能够符合EN60825-1 并通过UL、TUV 或NEMKO 等权威机构认证测试。

3.4 防爆炸

对于音视频类和信息技术类的产品，防爆炸设计的重点在电池的使用。产品上使用可充电电池时，必须在电池盒附近明显位置标注电池极性及警告标示或在说明书中提醒使用者正确安装、更换和处理电池。同时在设计上设置合理的限流电路或采用过流保护元件，来防止电池放电电流和反向电流超过电池制造厂规定的允许值。

3.5 防机械危险

音视频类和信息技术类这些常在手边使用的电子设备防机械危险设计的重点在于：

（1）特别注意避免出现尖锐边缘，防止对使用者造成伤害；

（2）有足够的机械强度，结构能够承受模拟用户使用场景下可能产生的振动、碰撞和冲击；

（3）有足够的稳定性，设备重心的设计应满足至少在10°的倾斜台上不会翻转。

3.6 防火

电子设备的起火主要是其内部某些部位在正常工作条件下或故障条件下引燃而起。潜在引燃源通常存在于开路电压超过交流50V（峰值）或直流50V，以及该开路电压与测得通过可能的故障点的电流乘积超过15VA 的故障部位。引燃源引燃的条件通常有：过载、元器件失效、绝缘击穿、接触不良、起弧。

在音视频类和信息技术类电子设备设计时，通常采用的防火措施有：

（1）尽量避免产生引起着火的高温。比如在设计电路时合理降低功耗；

（2）在整机元器件或材料使用时，合理选用可燃性等级相当的元器件或材料；

（3）采用散热件防止可能引火的高温，隔离发热厉害的部件并进行合理散热。

4 应用实例

在产品各类认证的测试过程中，经常会遇到由于安全设计的原因，导致产品测试不通过的情况。不通过的根源，归结起来都是由于没有达到上文提到的6 点安全设计要点的要求。

4.1 不安全的爬电距离

因为不安全的爬电距离导致产品存在设计风险的情况非常常见。一款带内置电源的音视频播放器，其电源的规格为输入220VAC/0.2A，输出DC12V/2.0A，在安全实验中被开出了不符合项，原因为电源端走线对地走线的爬电距离不够，产品可能导致使用者触电的风险。

从图1电源原理图上可以看出，内置电源L1 变压器之前部分承载着危险的220V 交流电压，依据GB8898-2011 表8中要求，PCB 走线和地线之间需要保证满足加强绝缘，通过换算得出电源端对地线的电气间隙不能小于3.0mm。实际在电源板的PCB 布线上，N 极走线对散热片的地焊盘之间的爬电距离仅为2.8mm。为了解决这个问题，研发设计人员对电源板PCB 走线进行了调整，将N 极走线对散热片的地焊盘之间的距离调整为3.8mm，该电源在PCB设计整改后顺利通过了安全试验的测试。

当涉及到危险电压的电路部分，PCB 走线、焊盘布局要特别考虑安全设计。根据产品标准，选择合理的电气间隙和爬电距离，才能保证产品的安全性。

4.2 插头的电击危险

目前很多电子产品为了有效地抑制电磁干扰，在电源进线之间跨接抑制电磁干扰作用的X 电容，如果电容的容量选择过大，而且没有一个合理的放电回路，那么电容所贮存的电荷对使用者就存在电击危险。

图2是一款服务器上使用的电源，在安全测试中，由于CX电容容量超过0.1uF，并且接在一次电路上，就需要对其进行放电时间和电压衰减项目的测试。实际测试中，该电源并没有达到GB4943.1-2011 标准里面要求的“1s 内电压衰减到初始值的37%”，实验室对其开出了安全不符合项。经过分析和反复验证后，研发设计人员把与CX 电容并联的放电电阻R 由2.2M 修改为1M成功解决了这个问题。

这是一个很显著的案例，在音视频类和信息技术类设备的方案设计时，经常会出现某些情况下EMC 优化设计和安全设计存在相互干扰的情况。EMC 优化了可能会影响到产品安全性，产品安全性保证了可能EMC 性能又被减弱。在面对这种情况时，就需要研发设计人员通过反复的分析和测试验证，在两者之间找到一个最平衡的状态，不仅要保证产品的EMC 特性却也不能把安全要求落下。

4.3 危险的外壳开孔

外壳开孔在产品设计上多数是为了产品内部通风散热的需要，但在实现过程中同样也需要权衡安全设计的要求。外壳开孔的设计要求达到防止使用者接触到设备内危险的带电零部件，防止外来物进入开孔后接触到带电的裸露零部件而产生危险的目的。设计者在设计产品时往往会特别注意设备正面及侧面的开孔，却忽略了设备底部开孔可能带来的风险。

在一些带内置电源的设备的测试案例中，为了能够充分实现电源部分的散热，会在产品内置电源下方的外壳底部也设计了条形的开孔。这样的开孔尺寸一旦不合理，就会被判定为不合格。

对于防火外壳，底部的开孔应当能够使熔融的金属、燃烧的物质等不会掉落在防火外壳的外面而引燃产品的支撑面。为了满足这个要求，依据GB4943.1-2011 中图4E 的要求，防火外壳底部或挡板的位置、大小应当能够覆盖其上方部件的扩展投影面积。

解决这个问题的方案其实也很简单，只要电源下方和防火外壳中间的位置增加了一张细目金属网。这样的改动即不影响通风又阻止了可燃物的掉落。

随着信息技术多元化发展，音视频类和信息技术类电子设备的功能也不断增加，功率不断加大，因此产品的散热通风也逐渐被设计者重视，增加或加大通风孔则成为普遍使用的一种简易设计方法，导致了类似这个案例中存在安全隐患的产品大量涌现。为了避免设计出这样的不安全产品，要求研发设计人员在设计产品外壳开孔的时候，特别注意把防触电、防火、防过高温度等等安全设计的要求纳入考量范畴。

5 总结

安全是电子设备设计中不可忽略的重点所在，更会直接影响到产品后期的认证、推广、销售等等环节。本文所阐述的防触电、防过高温度、防辐射、防爆炸、防机械危险、防火这6 点电子设备安全设计的原则和要点，渗透在产品的方案设计、PCB 设计、结构设计等等各个环节当中。在深入认识和理解了这些安全设计原则、要点的基础上，要求研发设计人员在实际的工作中充分重视这些设计要求，才能避免产品后期代价昂贵且费时的整改、返工，从而取得最佳的设计效果。