淺議家電產(chǎn)品中電容式觸摸開關(guān)的評估

陳凌峰 鄧明興

（廣東加華美認(rèn)證有限公司 廣州 510663）

引言

本文通過分析電容式觸摸開關(guān)的原理與安全模型，闡述電容式觸摸開關(guān)檢測電路應(yīng)按照保護(hù)阻抗的要求進(jìn)行評估的依據(jù)和要求，進(jìn)而總結(jié)電容式觸摸開關(guān)對現(xiàn)有家用電器產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)可能帶來的挑戰(zhàn)，最后提出建議與工作方向。

1 工作原理與安全模型

1.1 工作原理

觸摸開關(guān)（或輕觸開關(guān)）其實(shí)是一個(gè)比較籠統(tǒng)的稱呼，按照工作原理，目前市場上電器產(chǎn)品常見的觸摸開關(guān)可以粗略分為兩大類類型。

第一類是傳統(tǒng)的觸頭式開關(guān)（或稱之為機(jī)械式輕觸開關(guān)）。這種開關(guān)的特點(diǎn)是通過觸頭的通斷來判定是否有按鍵按下。在實(shí)踐中，此類電路的供電許多時(shí)候采用的是類似于阻容降壓電路的形式，因此， 一般而言，此類結(jié)構(gòu)的按鍵面板必須滿足加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣的要求，并且通過相應(yīng)的測試進(jìn)行驗(yàn)證。

第二類可以統(tǒng)稱為電子開關(guān)類，其特點(diǎn)是不再采用觸頭的通斷來判斷是否有按鍵按下，而是通過電子電路的狀態(tài)改變來檢測是否有按鍵的行為。根據(jù)檢測電路的工作特點(diǎn)，大致可以分為電感式、阻抗式和電容式三種子類型，其中電感式不直接涉及人體，本文不做深入討論。阻抗式觸摸開關(guān)的特點(diǎn)是將人體視為一個(gè)阻抗，通過流經(jīng)人體的微電流來觸發(fā)相關(guān)電子電路：或者直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路，或者提供控制信號給控制芯片；這種開關(guān)最明顯的特點(diǎn)是使用金屬面板供人手觸摸，而金屬面板是電路的一部分。由于使用這種觸摸開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)明顯，因此，絕大多數(shù)認(rèn)證檢測機(jī)構(gòu)都能夠使用保護(hù)阻抗的相關(guān)要求對其進(jìn)行檢測和判定，本文不再對其進(jìn)行深入討論。

電容式觸摸開關(guān)是本文討論的重點(diǎn)。電容式觸摸開關(guān)的工作原理是利用人體的電容效應(yīng)：當(dāng)人體（通常是手指）觸摸到觸摸開關(guān)的感應(yīng)部位時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)小電容接入了電路中，從而引發(fā)電路工作狀態(tài)的變化，由此可以判定是否有按鍵的行為[1]。由于涉及到小電容（pF級）的檢測，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，盡管目前市場上各個(gè)制造商的具體實(shí)現(xiàn)方式各不相同，但是都可以歸納為圖1的模型：以專用集成電路為核心構(gòu)成檢測電路，當(dāng)手指觸摸到觸摸面板（通常是絕緣材料，圖中用灰色塊表示），人體等效電容通過觸摸面板及其覆蓋的電極（圖中用黑色環(huán)表示）形成的電容耦合到檢測電路中，于是專用集成電路檢測到電路狀態(tài)的變化，進(jìn)而輸出控制信號。

圖1 電容式觸摸開關(guān)工作原理示意圖

可見，從電氣產(chǎn)品安全的角度，不同類型觸摸開關(guān)的絕緣材料面板的性質(zhì)是不一樣的：對于傳統(tǒng)的機(jī)械式輕觸開關(guān)而言，觸摸面板的作用是將人體與開關(guān)進(jìn)一步隔離；而對于電容式觸摸開關(guān)而言，觸摸面板是作為耦合電容的電介質(zhì)。尤其特別的是，由于人體在電容式觸摸開關(guān)中是電路的組成部分，因此，人體接觸到的相關(guān)電路必須滿足保護(hù)阻抗的要求。

1.2 安全模型

圖2是電容式觸摸開關(guān)的安全模型。首先，模型中CF電容代表人體，而CE電容代表觸摸面板構(gòu)成的耦合電容，通過阻抗Z3接入專用集成電路，構(gòu)成按鍵檢測電路。需要指出的是，實(shí)際中CF、CE均為電容值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的等效電容，并不是常規(guī)意義上所指的作為電子元件存在的電容。因此，從電氣產(chǎn)品安全的角度，至少在Z3的接入點(diǎn)處必須滿足保護(hù)阻抗的要求，人體接入電路才可以認(rèn)為是不會導(dǎo)致電擊的。

圖2 電容式觸摸開關(guān)的安全模型

其次，從供電-輸出的角度，可以將電容式觸摸開關(guān)專用集成電路簡化為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)（圖2），VDD是連接到阻容降壓電路的輸出端。也就是說，從電能傳遞的角度，專用集成電路內(nèi)部可以視為阻抗Z1和Z2的串聯(lián)電路，并且通過阻抗Z3連接到人體等效電容。顯然，以專用集成電路構(gòu)成的檢測電路，以及由阻容降壓元件構(gòu)成的供電電路，從元件的數(shù)量上而言，完全能夠滿足IEC 60335-1（或GB 4706.1）中第22.42 條關(guān)于保護(hù)阻抗電路中元件數(shù)量的要求，即由至少兩個(gè)獨(dú)立元件（at least two separate components）構(gòu)成[2,3]。

綜合以上，即便是對于阻容降壓電路供電的電容式觸摸開關(guān)，其檢測電路在理論上也必須滿足保護(hù)阻抗的要求，而其等效電路從結(jié)構(gòu)上而言也是可以滿足要求的。

2 評估要求

2.1 總則

本文按照“要求（條款）-設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)）-性能（檢測）”的技術(shù)路徑闡述如何應(yīng)用IEC 60335標(biāo)準(zhǔn)系列對電容式觸摸開關(guān)進(jìn)行安全評估，重點(diǎn)闡述與傳統(tǒng)觸頭式觸摸開關(guān)的異同之處，即電擊防護(hù)要求的差異，以及觸摸面板材料要求的差異。

2.2 電擊防護(hù)要求

如前所述，電容式觸摸開關(guān)電路中，人體以等效于電容的形式作為整個(gè)回路的一部分，因此，從電擊防護(hù)的角度，相關(guān)電路必須滿足保護(hù)阻抗的要求。在這個(gè)大原則之下，整個(gè)電容觸摸電路首先必須滿足標(biāo)準(zhǔn)對保護(hù)阻抗的特定要求：即，從設(shè)計(jì)的角度，結(jié)構(gòu)上必須滿足IEC 60335-1第22.42條對元件數(shù)量和質(zhì)量的要求；從性能的角度，通過保護(hù)阻抗的電流不能超過IEC 60335-1第8.1.4條的要求[2-5]。

其次，作為一種特殊的電子電路，電容式觸摸開關(guān)電路必須滿足標(biāo)準(zhǔn)中對電子電路的要求。盡管僅就其電路本身而言，一般都能滿足低功率電路（low-power circuit）的要求，但是由于IEC 60335-1第19.11條款要求在根據(jù)第19.11.2條模擬電子電路可能出現(xiàn)的（單一）故障時(shí)，流過保護(hù)阻抗的電流均不應(yīng)超過第8.1.4條的要求[2,3]。因此，在實(shí)際工作中，有必要將電容式觸摸開關(guān)電路集成到電子電路相關(guān)的檢測中進(jìn)行總體考慮。

第三，注意電容式觸摸電路對電氣強(qiáng)度試驗(yàn)的影響。根據(jù)IEC 60335-1第13.1條和第16.1條的規(guī)定，在進(jìn)行電氣強(qiáng)度測試前，保護(hù)阻抗必須先斷開[2,3]，也就是說，如果沒有斷開電容式觸摸開關(guān)電路而進(jìn)行電氣強(qiáng)度測試，測試方法是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的觸頭式觸摸開關(guān)顯然不同。

2.3 觸摸面板的材料要求

一般而言，非金屬材料觸摸面板都會根據(jù)實(shí)際情況，參照IEC 60335-1第30章對絕緣外殼材料的要求進(jìn)行評估，必要時(shí)甚至另外參照第21.2條的要求進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度測試。相對于傳統(tǒng)的觸頭式觸摸開關(guān)的觸摸面板，電容式觸摸開關(guān)的觸摸面板特殊之處在于通常不需參照支撐帶電部件的絕緣材料的要求進(jìn)行評估。

對于電容式觸摸開關(guān)面板而言，在引用IEC 60335-1第30.1條進(jìn)行球壓測試時(shí)必須明確其通常不屬于“支撐帶電部件（live part）的絕緣材料”：根據(jù)IEC 60335-1第3.6.4條有關(guān)“帶電部件”的定義的注1，符合第8.1.4條要求的保護(hù)阻抗電路并不認(rèn)為是帶電件，因此，電容式觸摸開關(guān)的面板顯然不能歸類為第30.1條的“支撐帶電部件的絕緣材料“。需要指出的是，電容式觸摸開關(guān)中面板下的彈簧，其根本作用是作為傳感器的一部分，其性質(zhì)屬于電器部件而非機(jī)械部件[6]，因此，CTL臨時(shí)決議《PDSH 2164-2021 Touch control supporting live part》中有關(guān)“至少125 ℃的球壓試驗(yàn)”一般而言并不適用于電容式觸摸開關(guān)的面板。

3 討論

3.1 誤判與漏判問題

對于認(rèn)證檢測機(jī)構(gòu)而言，如果沒有從保護(hù)阻抗的視角對電容式觸摸開關(guān)檢測電路進(jìn)行評估，不僅存在誤判和漏判的風(fēng)險(xiǎn)，而且還有可能誤導(dǎo)企業(yè)，無謂地增加產(chǎn)品地成本、影響產(chǎn)品的性能。以下就常見的誤判、漏判問題進(jìn)行討論。

第一種常見誤判漏判問題是忽視IEC 60335-1第8.1.4條、第22.42條對保護(hù)阻抗的要求，沒有引用以上條款對電容式觸摸開關(guān)電路進(jìn)行評估。

第二種常見誤判漏判問題是提出不合理的爬電距離和電氣間隙要求：當(dāng)采用阻容降壓電路進(jìn)行供電時(shí)，會誤將電容式觸摸開關(guān)電路視同傳統(tǒng)的觸頭式觸摸開關(guān)電路，對與其相關(guān)的爬電距離和電氣間隙按照危險(xiǎn)帶電部件（live part）的要求進(jìn)行評估，從而產(chǎn)生誤判。

第三種常見誤判漏判問題是忽視IEC 60335-1第13.1條和第16.1條的電氣強(qiáng)度試驗(yàn)中關(guān)于“保護(hù)阻抗必須在測試前先斷開”的要求，從而未能按照標(biāo)準(zhǔn)的要求開展測試，所得到的測試結(jié)果有可能存在誤判問題。

第四種常見誤判漏判問題是誤將電容式觸摸開關(guān)的觸摸面板歸類為第30.1條的“支撐帶電部件的絕緣材料”（包括誤引CTL臨時(shí)決議《PDSH 2164-2021 Touch control supporting live part》的要求），而提出不合理的“至少125 ℃”的球壓測試要求。

3.2 挑戰(zhàn)

不同于傳統(tǒng)的按鍵開關(guān)——通常使用者必須有意識地按下按鍵才能觸發(fā)，電容式觸摸開關(guān)的觸發(fā)依靠的是感應(yīng)到周圍合適的電容值，但是現(xiàn)行IEC 60335系列標(biāo)準(zhǔn)對于此類電子開關(guān)如何可靠地觸發(fā)（以及如何可靠地不被觸發(fā)）尚未有成熟的評判標(biāo)準(zhǔn)。IEC 60335對于開關(guān)動(dòng)作的可靠性的考核，一般是沿用第24.1.3條，但是，相關(guān)的評估顯然僅適用于傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)。至于考察電子開關(guān)的第19.11.4條的評估手段也不適用：即便是第19.11.4.1條，評估的角度也只是基于IEC 61000-4-3的ESD測試。因此，對于上述挑戰(zhàn)，目前只能是依賴相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。限于篇幅，相關(guān)問題不再展開。

4 結(jié)論與建議

從產(chǎn)品安全的角度，電容式觸摸開關(guān)電路的檢測電路部分必須滿足保護(hù)阻抗的要求；即便在通過阻容降壓電路供電的場合，該要求也是適用的。如果忽視了這種要求，在認(rèn)證檢測過程中，很可能出現(xiàn)誤判、漏判。特別地，目前IEC體系的家電產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對于電子開關(guān)的操作可靠性的關(guān)注程度不盡理想，認(rèn)證檢測機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)應(yīng)對此有一定的警覺。