浅议家电产品中电容式触摸开关的评估

陈凌峰 邓明兴

（广东加华美认证有限公司 广州 510663）

引言

本文通过分析电容式触摸开关的原理与安全模型，阐述电容式触摸开关检测电路应按照保护阻抗的要求进行评估的依据和要求，进而总结电容式触摸开关对现有家用电器产品安全标准可能带来的挑战，最后提出建议与工作方向。

1 工作原理与安全模型

1.1 工作原理

触摸开关（或轻触开关）其实是一个比较笼统的称呼，按照工作原理，目前市场上电器产品常见的触摸开关可以粗略分为两大类类型。

第一类是传统的触头式开关（或称之为机械式轻触开关）。这种开关的特点是通过触头的通断来判定是否有按键按下。在实践中，此类电路的供电许多时候采用的是类似于阻容降压电路的形式，因此， 一般而言，此类结构的按键面板必须满足加强绝缘或双重绝缘的要求，并且通过相应的测试进行验证。

第二类可以统称为电子开关类，其特点是不再采用触头的通断来判断是否有按键按下，而是通过电子电路的状态改变来检测是否有按键的行为。根据检测电路的工作特点，大致可以分为电感式、阻抗式和电容式三种子类型，其中电感式不直接涉及人体，本文不做深入讨论。阻抗式触摸开关的特点是将人体视为一个阻抗，通过流经人体的微电流来触发相关电子电路：或者直接驱动开关电路，或者提供控制信号给控制芯片；这种开关最明显的特点是使用金属面板供人手触摸，而金属面板是电路的一部分。由于使用这种触摸开关的电路结构特点明显，因此，绝大多数认证检测机构都能够使用保护阻抗的相关要求对其进行检测和判定，本文不再对其进行深入讨论。

电容式触摸开关是本文讨论的重点。电容式触摸开关的工作原理是利用人体的电容效应：当人体（通常是手指）触摸到触摸开关的感应部位时，相当于一个小电容接入了电路中，从而引发电路工作状态的变化，由此可以判定是否有按键的行为[1]。由于涉及到小电容（pF级）的检测，电路结构较为复杂，因此，尽管目前市场上各个制造商的具体实现方式各不相同，但是都可以归纳为图1的模型：以专用集成电路为核心构成检测电路，当手指触摸到触摸面板（通常是绝缘材料，图中用灰色块表示），人体等效电容通过触摸面板及其覆盖的电极（图中用黑色环表示）形成的电容耦合到检测电路中，于是专用集成电路检测到电路状态的变化，进而输出控制信号。

图1 电容式触摸开关工作原理示意图

可见，从电气产品安全的角度，不同类型触摸开关的绝缘材料面板的性质是不一样的：对于传统的机械式轻触开关而言，触摸面板的作用是将人体与开关进一步隔离；而对于电容式触摸开关而言，触摸面板是作为耦合电容的电介质。尤其特别的是，由于人体在电容式触摸开关中是电路的组成部分，因此，人体接触到的相关电路必须满足保护阻抗的要求。

1.2 安全模型

图2是电容式触摸开关的安全模型。首先，模型中CF电容代表人体，而CE电容代表触摸面板构成的耦合电容，通过阻抗Z3接入专用集成电路，构成按键检测电路。需要指出的是，实际中CF、CE均为电容值在一定范围内波动的等效电容，并不是常规意义上所指的作为电子元件存在的电容。因此，从电气产品安全的角度，至少在Z3的接入点处必须满足保护阻抗的要求，人体接入电路才可以认为是不会导致电击的。

图2 电容式触摸开关的安全模型

其次，从供电-输出的角度，可以将电容式触摸开关专用集成电路简化为一个二端口网络（图2），VDD是连接到阻容降压电路的输出端。也就是说，从电能传递的角度，专用集成电路内部可以视为阻抗Z1和Z2的串联电路，并且通过阻抗Z3连接到人体等效电容。显然，以专用集成电路构成的检测电路，以及由阻容降压元件构成的供电电路，从元件的数量上而言，完全能够满足IEC 60335-1（或GB 4706.1）中第22.42 条关于保护阻抗电路中元件数量的要求，即由至少两个独立元件（at least two separate components）构成[2,3]。

综合以上，即便是对于阻容降压电路供电的电容式触摸开关，其检测电路在理论上也必须满足保护阻抗的要求，而其等效电路从结构上而言也是可以满足要求的。

2 评估要求

2.1 总则

本文按照“要求（条款）-设计（结构）-性能（检测）”的技术路径阐述如何应用IEC 60335标准系列对电容式触摸开关进行安全评估，重点阐述与传统触头式触摸开关的异同之处，即电击防护要求的差异，以及触摸面板材料要求的差异。

2.2 电击防护要求

如前所述，电容式触摸开关电路中，人体以等效于电容的形式作为整个回路的一部分，因此，从电击防护的角度，相关电路必须满足保护阻抗的要求。在这个大原则之下，整个电容触摸电路首先必须满足标准对保护阻抗的特定要求：即，从设计的角度，结构上必须满足IEC 60335-1第22.42条对元件数量和质量的要求；从性能的角度，通过保护阻抗的电流不能超过IEC 60335-1第8.1.4条的要求[2-5]。

其次，作为一种特殊的电子电路，电容式触摸开关电路必须满足标准中对电子电路的要求。尽管仅就其电路本身而言，一般都能满足低功率电路（low-power circuit）的要求，但是由于IEC 60335-1第19.11条款要求在根据第19.11.2条模拟电子电路可能出现的（单一）故障时，流过保护阻抗的电流均不应超过第8.1.4条的要求[2,3]。因此，在实际工作中，有必要将电容式触摸开关电路集成到电子电路相关的检测中进行总体考虑。

第三，注意电容式触摸电路对电气强度试验的影响。根据IEC 60335-1第13.1条和第16.1条的规定，在进行电气强度测试前，保护阻抗必须先断开[2,3]，也就是说，如果没有断开电容式触摸开关电路而进行电气强度测试，测试方法是不符合标准要求的，这一点与传统的触头式触摸开关显然不同。

2.3 触摸面板的材料要求

一般而言，非金属材料触摸面板都会根据实际情况，参照IEC 60335-1第30章对绝缘外壳材料的要求进行评估，必要时甚至另外参照第21.2条的要求进行机械强度测试。相对于传统的触头式触摸开关的触摸面板，电容式触摸开关的触摸面板特殊之处在于通常不需参照支撑带电部件的绝缘材料的要求进行评估。

对于电容式触摸开关面板而言，在引用IEC 60335-1第30.1条进行球压测试时必须明确其通常不属于“支撑带电部件（live part）的绝缘材料”：根据IEC 60335-1第3.6.4条有关“带电部件”的定义的注1，符合第8.1.4条要求的保护阻抗电路并不认为是带电件，因此，电容式触摸开关的面板显然不能归类为第30.1条的“支撑带电部件的绝缘材料“。需要指出的是，电容式触摸开关中面板下的弹簧，其根本作用是作为传感器的一部分，其性质属于电器部件而非机械部件[6]，因此，CTL临时决议《PDSH 2164-2021 Touch control supporting live part》中有关“至少125 ℃的球压试验”一般而言并不适用于电容式触摸开关的面板。

3 讨论

3.1 误判与漏判问题

对于认证检测机构而言，如果没有从保护阻抗的视角对电容式触摸开关检测电路进行评估，不仅存在误判和漏判的风险，而且还有可能误导企业，无谓地增加产品地成本、影响产品的性能。以下就常见的误判、漏判问题进行讨论。

第一种常见误判漏判问题是忽视IEC 60335-1第8.1.4条、第22.42条对保护阻抗的要求，没有引用以上条款对电容式触摸开关电路进行评估。

第二种常见误判漏判问题是提出不合理的爬电距离和电气间隙要求：当采用阻容降压电路进行供电时，会误将电容式触摸开关电路视同传统的触头式触摸开关电路，对与其相关的爬电距离和电气间隙按照危险带电部件（live part）的要求进行评估，从而产生误判。

第三种常见误判漏判问题是忽视IEC 60335-1第13.1条和第16.1条的电气强度试验中关于“保护阻抗必须在测试前先断开”的要求，从而未能按照标准的要求开展测试，所得到的测试结果有可能存在误判问题。

第四种常见误判漏判问题是误将电容式触摸开关的触摸面板归类为第30.1条的“支撑带电部件的绝缘材料”（包括误引CTL临时决议《PDSH 2164-2021 Touch control supporting live part》的要求），而提出不合理的“至少125 ℃”的球压测试要求。

3.2 挑战

不同于传统的按键开关——通常使用者必须有意识地按下按键才能触发，电容式触摸开关的触发依靠的是感应到周围合适的电容值，但是现行IEC 60335系列标准对于此类电子开关如何可靠地触发（以及如何可靠地不被触发）尚未有成熟的评判标准。IEC 60335对于开关动作的可靠性的考核，一般是沿用第24.1.3条，但是，相关的评估显然仅适用于传统的机械式开关。至于考察电子开关的第19.11.4条的评估手段也不适用：即便是第19.11.4.1条，评估的角度也只是基于IEC 61000-4-3的ESD测试。因此，对于上述挑战，目前只能是依赖相关企业的产品设计。限于篇幅，相关问题不再展开。

4 结论与建议

从产品安全的角度，电容式触摸开关电路的检测电路部分必须满足保护阻抗的要求；即便在通过阻容降压电路供电的场合，该要求也是适用的。如果忽视了这种要求，在认证检测过程中，很可能出现误判、漏判。特别地，目前IEC体系的家电产品标准对于电子开关的操作可靠性的关注程度不尽理想，认证检测机构及相关企业应对此有一定的警觉。