家用和类似用途电器可编程电子电路功能安全要求解读.pdf
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1、2023 年 7 月/Jul.2023 97技术创新/家用和类似用途电器可编程电子电路功能安全要求解读易壮成 魏 云(莱茵技术(上海)有限公司 上海 200072)摘要:鉴于家用和类似用途电器功能安全问题日益普遍,详细解读了 IEC 60335-1 对可编程保护电子电路的测试流程,阐述了 IEC 60730-1 定义的 B 级控制功能的三种指定架构的保护原理。并进一步说明了家电产品的其他功能安全要求与控制功能的联系,还介绍了 ISO 13849-1 机械安全控制系统的设计通则在机器人产品功能安全的运用情况。对三个标准的功能安全的基本逻辑的共通之处进行了研究。关键词:保护电子电路;架构;可编程电
2、子电路;控制功能;功能安全;故障累积Abstract:In view of the increasingly common functional safety problems of household and similar electrical appliances,the test flow of the programmable protective electronic circuits in IEC 60335-1 is explained in detail,and the protection principles of three designated structures
3、of Class B control function defined in IEC 60730-1 are described.The correlation between other functional requirements of household appliances and control function is further explained,and the application of general design principles of machinery safety control systems of ISO 13849-1 in the function
4、al safety of robot products is also introduced.The common points of the underlying logic about functional safety of the three standards are studied.Key words:protective electronic circuit;structure;programmable electronic circuit;control function;functional safety;accumulation of faultsInterpretatio
5、n of Functional Safety Requirements of Programmable Electronic Circuits for Household and Similar Electrical Appliances引言在家用电器及其它电子电气产品中,可编程电子电路除了用于满足消费者使用需求外,也越来越广泛地被运用到功能安全中。家庭和商用机器人产品是行业未来的发展趋势,其要面对复杂多变的使用场景,必定有更多的功能安全要求。对于实验室来说,除了需要具备复杂电子电路的分析能力,对于功能安全要求的深入理解显得尤为重要。1 保护电子电路的测试流程1.1 保护电子电路(PEC)的定
6、义IEC 60335-1 给出了保护电子电路(后面简称 PEC)的定义:防止非正常运行状态下出现危险的电子电路;并加了备注:电路中的部分也可以起到功能作用1。关于这个定义可得出几个结论:起保护作用的电路中至少包括一个电子元件;在正常运行情况下,该电路也可能动作;PEC 动作通常表现为电流截止(负载电路断开);98日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation预防的危险包括热危险,也包括触电危险和机械危险。PEC实质上是针对19章非正常试验的功能安全概念。除非特殊注明,一般不适用于涉及到其他功能安全的章节。本文重点关注可编程保护电
7、子电路。1.2 GB 4706.1 与 IEC 60335-1 的 19.11.3 要求对比GB 4706.1 的 19.11.3 规定,如果器具在 19 章试验时PEC 动作,则需要在 PEC 中模拟 19.11.2 a)-f)的单一故障条件,重复进行相关非正常试验2。这意味着,有关PEC 的测试应放在非正常试验的最后来进行。IEC 60335-1 的 19.11.3 增加了两个细节规定。故障插入时间的规定:在器具开机前后任一时间点都需要模拟 19.11.2 a)-g)的单一故障。若电路设计只有开机自检,则无法诊断出开机一段时间后的故障。对器具工作状态的要求,即:如果在 PEC 模拟故障后,
8、器具无法正常工作,后续相关的非正常试验不需要再重复1。此时用户能够识别出产品已出现故障,故障累积条件不再成立。1.3 可编程保护电子电路的测试流程如果器具在进行某个 19 章非正常试验时发现是由PEC 提供保护,还需要在 PEC 动作后进行 19.11.4.1-19.11.4.7(以下简称 19.11.4)的强电磁干扰试验。由于19.11.3 连同 19.2,19.6 以及有人照管产品 19.7 试验时动作的 PEC 不用进行强电磁干扰试验,且 19.11.3 的测试经常导致样品(线路板)的损坏,因此 PEC 先应考核19.11.4,再考核 19.11.31。按照 19.11.3 的要求,如果
9、 PEC 插入单一故障后器具无法正常工作,对应的非正常的试验就中止,这里的正常工作是指:1)连续运行产品能够工作到稳定状态;2)其它产品能够工作满一个周期。然而试验中止并不意味着 PEC 不需要进一步的评估。此时存在针对 PEC 的故障诊断电路,监测到插入的 PEC故障后让器具无法正常工作。而 19.11.3 要求的故障插入可以认为是 19.11.2 试验的一部分,这时故障诊断电路就转化为了 19.11.2 非正常试验时的 PEC。该 PEC 不能遗漏对应的 19.11.3 和 19.11.4 试验,在进行测试时应加以注意。当器具插入 19.11.3 要求的故障后,器具在无法正常工作后中止重复
10、的非正常试验,这一点仅对一个特定的故障条件成立。一个 PEC 可能同时存在多个故障条件,19.11.3 需要对 PEC 所有的故障条件进行模拟。诊断电路不一定能监测出所有故障,需要分别加以考虑以确保测试的充分性。插入 19.11.2 的单一故障时,实际操作中有时不可能也不必覆盖所有的测试点,这就要求从业人员具备较强的电路分析能力。综合考虑故障插入测试的充分性和必要性,找出最有代表性的故障点(能覆盖其他的故障条件),某些故障无法模拟时可插入其他等效的故障。一个靠可编程电子电路提供保护的家电产品,其PEC 的详细测试流程总结如图 1。1.4 软件评估的条件只有当可编程 PEC 在 19 章的某一个
11、非正常试验下作为最后的必要保护措施时,才须对 PEC 进行软件评估3。例如 19.11.3 试验时,在 PEC 中插入 19.11.2 的故障条件时失效的软件,其实并不需要做软件评估,除非这个软件会作为其它故障插入后重复试验的最后保护措施的一部分4。同时,只有当最终的符合性依赖可编程电子电路的某个正确输出,可编程 PEC 才需要进行软件评估。驱动信号连到控制芯片并不一定代表对软件的依赖。以图 2为例,加热 L 的信号受芯片控制,驱动继电器 RY 作为执行单元。PTC2,PTC3是热敏元件,只要其中一个断开,即可直接切断继电器的线圈电流,确保 RY 断开。这个保护机理与加热L的信号无关,不依赖芯
12、片的正确输出。推而广之,如果模拟 19.11.2 条件 f),将控制芯片所有连接到执行单元的输出都置于故障的条件下,19 章的测试也能通过,证明非正常试验的符合性完全不依赖可编程电子电路,则不需要进行软件评估5。注意,图 2 中加热 L 的信号不能被正常工作时动作2023 年 7 月/Jul.2023 99技术创新/2 B 级控制功能与保护电子电路的三种指定架构2.1 IEC 60730-1 B 级控制功能的相关要求6与保护电子电路的联系IEC 60730-1 的附录 H 对电子控制器定义了三种控制功能:其中 A 级控制功能与产品的使用性有关而与安全无关;B 级控制功能的失效不会直接导致危险,
13、但如果与其他的故障结合,则会导致危险;对于 PEC 来说,其他故障相当于 19 章规定的各种非正常工作条件。而 C级控制功能的失效,会直接导致危险的产生。B 级控制功能要求插入单一故障后,进入如下模式之一:1)控制器失效且与安全相关的输出断电;或进入确保安全的模式;2)控制器在故障反应时间内触发动作,但可重置。重置后故障触发功能保持不变;3)控制器继续工作,故障在随后的运行序列中被诊断出,导致 1)或 2)的状态;4)控制器持续工作,所有的安全功能不受损。IEC 60335-1 中 19.11.3 的要求在 PEC 内插入 19.11.2 中的某一个故障下重复考察 19 章,实际上就是要求 P
14、EC符合 B 级控制功能的要求。在单一故障插入后,器具如果进入上述的第 1)2)3)种状态,视为相关电路具备某种故障诊断措施,由于器具不具备持续的工作能力,因此不需要考虑故障叠加(不需要重复 19 章测试)。只有进入第 4)种状态时,需要考虑与其他故障的结合,重复测试才是必须的。图 1 保护电子电路测试流程图 2 不依赖芯片输出的保护电路的温度传感器控制,让 RY 反复动作。因为这种情况下19.14 章试验要求短路 RY1,相当于所有的传感器同时失效,无法满足非正常试验的要求。100日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation
15、由于某些方面的要求(比如元器件的单一故障的规定,电磁干扰测试等)存在差异,IEC 60335-1 的标准不再采用 B 级和 C 级控制功能的定义。IEC 60335-1 附录 R 中的软件评估最低要求是需要符合表 R.1,这其实对应IEC 60730-1 中的 B 级控制功能,符合 B 级控制功能的三种指定架构也被 IEC 60335-1 引用;C 级指定架构则被认为自动符合 B 级控制功能的要求。2.2 没有比较监测的双通道架构如图 3 所示的电路中,NTC1,NTC2,NTC3 分别是三个传感元件,其温度设置由低到高;对应的 T1,T2,T3 是三个电子执行元件,T1 是正常工作时动作,T
16、2,T3 是非正常工作时动作。R 是工作负载。正常工作时,NTC1/T1 的组合相当于温控器(A 级控制功能)。19.11.2 试验中 T2 短路时,T1 动作,此时 NTC1/T1 转变成PEC。按照19.11.3的要求,继续短路T1,此时T3动作。相应地,T3 短路时,最终保护措施是 T2。因此 T2+T3+芯片+NTC2+NTC3 所在的保护电子电路的软件,需要软件评估。NTC1+T1 虽然在测试过程中一度转变成了PEC,但都没有作为最终保护措施,因此相关输入/输出不需要做软件评估。这种架构,相当于B级控制功能在插入单一故障后,器具进入模式 4)。如果制造商为了降低返修率,对温控电路进行
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