淺議家電產品中電容式觸摸開關的評估

陳凌峰 鄧明興

（廣東加華美認證有限公司 廣州 510663）

引言

本文通過分析電容式觸摸開關的原理與安全模型，闡述電容式觸摸開關檢測電路應按照保護阻抗的要求進行評估的依據和要求，進而總結電容式觸摸開關對現有家用電器產品安全標準可能帶來的挑戰，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（或輕觸開關）其實是一個比較籠統的稱呼，按照工作原理，目前市場上電器產品常見的觸摸開關可以粗略分為兩大類類型。

第一類是傳統的觸頭式開關（或稱之為機械式輕觸開關）。這種開關的特點是通過觸頭的通斷來判定是否有按鍵按下。在實踐中，此類電路的供電許多時候采用的是類似于阻容降壓電路的形式，因此， 一般而言，此類結構的按鍵面板必須滿足加強絕緣或雙重絕緣的要求，并且通過相應的測試進行驗證。

第二類可以統稱為電子開關類，其特點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改變來檢測是否有按鍵的行為。根據檢測電路的工作特點，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。阻抗式觸摸開關的特點是將人體視為一個阻抗，通過流經人體的微電流來觸發相關電子電路：或者直接驅動開關電路，或者提供控制信號給控制芯片；這種開關最明顯的特點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的電路結構特點明顯，因此，絕大多數認證檢測機構都能夠使用保護阻抗的相關要求對其進行檢測和判定，本文不再對其進行深入討論。

電容式觸摸開關是本文討論的重點。電容式觸摸開關的工作原理是利用人體的電容效應：當人體（通常是手指）觸摸到觸摸開關的感應部位時，相當于一個小電容接入了電路中，從而引發電路工作狀態的變化，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，電路結構較為復雜，因此，盡管目前市場上各個制造商的具體實現方式各不相同，但是都可以歸納為圖1的模型：以專用集成電路為核心構成檢測電路，當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的變化，進而輸出控制信號。

圖1 電容式觸摸開關工作原理示意圖

可見，從電氣產品安全的角度，不同類型觸摸開關的絕緣材料面板的性質是不一樣的：對于傳統的機械式輕觸開關而言，觸摸面板的作用是將人體與開關進一步隔離；而對于電容式觸摸開關而言，觸摸面板是作為耦合電容的電介質。尤其特別的是，由于人體在電容式觸摸開關中是電路的組成部分，因此，人體接觸到的相關電路必須滿足保護阻抗的要求。

1.2 安全模型

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

圖2 電容式觸摸開關的安全模型

其次，從供電-輸出的角度，可以將電容式觸摸開關專用集成電路簡化為一個二端口網絡（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，專用集成電路內部可以視為阻抗Z1和Z2的串聯電路，并且通過阻抗Z3連接到人體等效電容。顯然，以專用集成電路構成的檢測電路，以及由阻容降壓元件構成的供電電路，從元件的數量上而言，完全能夠滿足IEC 60335-1（或GB 4706.1）中第22.42 條關于保護阻抗電路中元件數量的要求，即由至少兩個獨立元件（at least two separate components）構成[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，其檢測電路在理論上也必須滿足保護阻抗的要求，而其等效電路從結構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）-設計（結構）-性能（檢測）”的技術路徑闡述如何應用IEC 60335標準系列對電容式觸摸開關進行安全評估，重點闡述與傳統觸頭式觸摸開關的異同之處，即電擊防護要求的差異，以及觸摸面板材料要求的差異。

2.2 電擊防護要求

如前所述，電容式觸摸開關電路中，人體以等效于電容的形式作為整個回路的一部分，因此，從電擊防護的角度，相關電路必須滿足保護阻抗的要求。在這個大原則之下，整個電容觸摸電路首先必須滿足標準對保護阻抗的特定要求：即，從設計的角度，結構上必須滿足IEC 60335-1第22.42條對元件數量和質量的要求；從性能的角度，通過保護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，電容式觸摸開關電路必須滿足標準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條款要求在根據第19.11.2條模擬電子電路可能出現的（單一）故障時，流過保護阻抗的電流均不應超過第8.1.4條的要求[2,3]。因此，在實際工作中，有必要將電容式觸摸開關電路集成到電子電路相關的檢測中進行總體考慮。

第三，注意電容式觸摸電路對電氣強度試驗的影響。根據IEC 60335-1第13.1條和第16.1條的規定，在進行電氣強度測試前，保護阻抗必須先斷開[2,3]，也就是說，如果沒有斷開電容式觸摸開關電路而進行電氣強度測試，測試方法是不符合標準要求的，這一點與傳統的觸頭式觸摸開關顯然不同。

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實際情況，參照IEC 60335-1第30章對絕緣外殼材料的要求進行評估，必要時甚至另外參照第21.2條的要求進行機械強度測試。相對于傳統的觸頭式觸摸開關的觸摸面板，電容式觸摸開關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行評估。

對于電容式觸摸開關面板而言，在引用IEC 60335-1第30.1條進行球壓測試時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IEC 60335-1第3.6.4條有關“帶電部件”的定義的注1，符合第8.1.4條要求的保護阻抗電路并不認為是帶電件，因此，電容式觸摸開關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，其性質屬于電器部件而非機械部件[6]，因此，CTL臨時決議《PDSH 2164-2021 Touch control supporting live part》中有關“至少125 ℃的球壓試驗”一般而言并不適用于電容式觸摸開關的面板。

3 討論

3.1 誤判與漏判問題

對于認證檢測機構而言，如果沒有從保護阻抗的視角對電容式觸摸開關檢測電路進行評估，不僅存在誤判和漏判的風險，而且還有可能誤導企業，無謂地增加產品地成本、影響產品的性能。以下就常見的誤判、漏判問題進行討論。

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條對保護阻抗的要求，沒有引用以上條款對電容式觸摸開關電路進行評估。

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：當采用阻容降壓電路進行供電時，會誤將電容式觸摸開關電路視同傳統的觸頭式觸摸開關電路，對與其相關的爬電距離和電氣間隙按照危險帶電部件（live part）的要求進行評估，從而產生誤判。

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條的電氣強度試驗中關于“保護阻抗必須在測試前先斷開”的要求，從而未能按照標準的要求開展測試，所得到的測試結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

不同于傳統的按鍵開關——通常使用者必須有意識地按下按鍵才能觸發，電容式觸摸開關的觸發依靠的是感應到周圍合適的電容值，但是現行IEC 60335系列標準對于此類電子開關如何可靠地觸發（以及如何可靠地不被觸發）尚未有成熟的評判標準。IEC 60335對于開關動作的可靠性的考核，一般是沿用第24.1.3條，但是，相關的評估顯然僅適用于傳統的機械式開關。至于考察電子開關的第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，目前只能是依賴相關企業的產品設計。限于篇幅，相關問題不再展開。

4 結論與建議

從產品安全的角度，電容式觸摸開關電路的檢測電路部分必須滿足保護阻抗的要求；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，在認證檢測過程中，很可能出現誤判、漏判。特別地，目前IEC體系的家電產品標準對于電子開關的操作可靠性的關注程度不盡理想，認證檢測機構及相關企業應對此有一定的警覺。