引言

安全性是指，产品所具有的不导致人员伤亡、系统损坏、重大财产损失或不危及人员健康和环境的能力。安全性是各类产品的一种共有的固有属性，与可靠性、维修性和保障性等密切相关，是各种产品必须满足的首要设计要求，是通过设计赋予的产品属性。因此在产品研制过程中针对GJB/Z 99-1997《系统安全工程手册》提出的15类危险，需要采用各种不同的安全性设计方法（详见表1）。

本文以某家用电器着火案例为分析对象，简要介绍了着火事故的分析思路以及故障—安全设计的基本原则和设计方法。

表1 危险类型及对应的控制原则

1、家用电器着火案例分析

      某公司生产的某家用电器产品在市场终端出现烧毁的现象，烧毁的典型照片见图1。产品内部有3块PCBA，分别是显示板、电源板和主板，电源板与主板作为一个组件安装在同一个电控盒内。拆开整机外壳后发现烧毁痕迹集中在电源板与主板组件上，见图2。对烧毁组件进行再拆解可见主板大面积熏黑，有明显的烧毁形貌，而电源板表面干净，无明显烧毁形貌，典型形貌见图3。

1.1、外观检查

      对失效品进行外观检查发现，失效品的失效形貌基本一致，高温碳化区域均集中在主板的LED驱动IC，见图4和图5，而电源板上没有明显的烧毁形貌。

1.2、电源板电性能测试

      样品的电源板实现交流输入转化为13V直流输出功能。电源板主要由PFC电路和LLC电路两部分组成，其中PFC电路实现将交流输入转化为约390V直流电压；LLC电路实现将PFC的390V输出电压转换为13V直流输出。

      测试失效品的电源板的PFC输出电压、13V输出电压发现，PFV输出电压均正常，但13V输出电压远超出额定值，测得最高电压为28.75V，最低电压为22.67V。

1.3、LED驱动IC功率分析

      从失效品的主板外观检查结果得知，LED驱动IC附近均存在高温碳化的痕迹，结合失效品的电源板的13V输出电压测试结果，怀疑LED驱动IC存在过功率现象，因此测试并评估在不同输入电压下LED驱动IC的功率。

      设置电源电压从13V开始，以1V为步进逐步提高至18V。当电压高于14V时，流过LED的电流维持在约0.96A，由于流过LED的电流维持不变，故LED上的压降也维持不变，那么输入电压增加的部分就都消耗在LED的驱动IC上。所以当电源板输出电压过高时会导致LED驱动IC功率过高、温度急剧上升，最终使样品出现烧毁。

1.4电源板输出异常分析

      样品的电源板所使用的开关电源拓扑为LLC型半桥谐振：通过调整开关频率（占空比固定，约为50%）以保证在不同负载情况下输出电压稳定。

      稳定输出电压的负反馈电路以光耦为核心，通过测量失效品电源板上光耦的CTR值发现，失效品的CTR最大值为28%，远低于规格书中300%～600%。

      过低的CTR使光耦在同等输入电流情况下，接收三极管流过的电流非常微弱。当输出电压偏高时，光耦的发光二极管电流IF增加，但是由于CTR非常小造成光耦接收三极管电流ICE无法相应增加，进而导致电源IC的开关频率无法进行调整，同时由于在电源板输出回路中没有设计过压检测控制电路（即在输出电压过高时切断电源输出），最终使电源的13V输出电压持续偏高。

1.5、分析结果

      对失效品的电源板上的光耦进行制样并进行SEM观察发现，失效光耦缺少保护发光二极管的软胶（属于工艺缺陷），使得发光二极管在与硬质导光胶的交界处容易发生开裂（见图6～图9），导致发光二极管发出的光强度低于良品，进而导致CTR降低而失效。光耦失效后导致电源板输出电压过高，进而使得LED灯条驱动IC的功率急剧上升，最终使主板烧毁。

1.6整改建议

1）更换物料，同时对新引入的物料进行包括结构分析、参数一致性等手段在内的新品认证和来料认证，保证物料的高可靠性。

2）在电源板输出回路中加入过压检测控制电路，在输出电压过高时切断电源输出，保护主板，即故障—安全设计

2 故障—安全设计

      故障—安全设计是确保故障发生后不会影响系统安全，或使系统处于不会伤害人员或损坏产品的工作状态。在大多数的应用中，这种设计在系统发生故障时发挥作用并使系统停止工作。

2.1、在任何情况下，必须保证的故障—安全设计的基本原则如下：

1）保证人员安全；

2）保护环境，避免引起爆炸或火灾之类的灾难事故；

3）防止产品损坏；

4）防止降低产品性能使用或丧失功能。

2.2、故障—安全设计包括如下三类方法：

参考文献：

[1] GB 4706.1-2005, 家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求.

[2] GJB/Z 99-1997, 系统安全工程手册.

[3]赵廷第, 焦健等. 安全性设计分析与验证.