电水壶方案浅析

电水壶是一种常见的家用电器，通常基于蒸气智能感应控温技术，常备过热保护、水沸或水干自动断电等功能，可将水快速煮沸，使用便捷。随着生活的需要，当前的电水壶正在向多功能方向发展，如防漏、防烫、水、保温、养生、远程控制等。工程师设计电水壶前需了解和遵循的国际通用标准是IEC60335（IEC60335-1 家用和类似用途电器的安全通用要求以及IEC60335-2-15 液体加热器具的特殊要求）；国家标准是GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》、GB 4706.19-2008《家用和类似用途电器的安全 液体加热器的特殊要求》和GB/T 22089-2008《电水壶性能要求及试验方法》。

 最简单的电水壶主要分为底座和铁壶两部分，下半部分底座的主要功能是把220V的交流电导入到水壶底部的链接器上，底座拆开后可见三角插头对应的火线、零线与地线接线柱。地线对应底座中间的圆孔触点、火线和零线的触点在小圆与大圆的侧面，同时这三个触点与电热水壶底部触点对应。上半部分铁壶由壶身（带刻度、标注最大烧水量）、手柄、蒸汽开关、电热丝/发热盘、限流电阻、氦氖指示灯和温控开关（防干烧开关）组成。底部的加热部件也是电水壶的核心部分，通常采用电阻线圈将电能转化为热能，再将热量传导到整个铁壶，烧开壶内的水，开关部分比较巧妙，蒸汽开关可以受气体控制，开始烧水时按下开关，开关闭合，指示灯亮；当壶内水沸腾后，水蒸气将通过唯一的小孔，蹿到开关处，强大的单向气流把开关弹开从而达到自动断电的功能，指示灯灭。和限流电阻并联的指示灯是氦氖灯泡，这种灯泡可以采用220V供电，耐高压用于指示水壶是否处于上电状态。

图2、电水壶结构及电路图

在了解了水的加热原理后，那么电水壶在水烧开之后，或者水烧干之后，可以自动断电，这又是什么原理呢？蒸汽开关、温控开关这两个重要部件起到了关键作用。

“蒸汽开关”和“温控开关”其实都是利用了双金属片的原理，它的核心部分是一个蝶形金属薄片。双金属片是由二种或多种具有合适性能的金属或其它材料所组成的一种复合材料。由于各组元层的热膨胀程度不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲。

图3、双金属片机械开关

当热水壶内的水沸腾时，产生大量水蒸汽，它们通过底部小孔进入碟型双金属片的位置。蒸汽使得金属片的温度迅速上升，一旦超过某个值（蒸汽开关的触发温度通常为100℃），金属片会发生弯曲形变，从而切断电源停止加热。

图4、蒸汽开关

温控开关固定在水壶底部，一般都处在闭合的状态。如果蒸汽开关发生故障不能及时切断电源时，水就会一直被烧干，水壶底部会过热，此时防干烧开关触发。如图所示，与金属片连接的有一根圆柱，感温面实时检测壶底的温度变化，一旦温度过热，防干烧开关的蝶形金属片开始向下变形弯曲，从而把圆柱下面的导线接触片压下去，从而切断电源避免烧坏水壶。
 

图5、温控开关

以上就是最常见最简单的电水壶了。以下一款带按键带显示功能的九阳电水壶，根据博主“24c01硬件电子”的拆解可见，电水壶壶底就有电源板、加热丝、按键板、显示数码管和温度传感器等组件了。该电水壶的拆解图片如下图所示：

图6、九阳电水壶拆解

首先是电源板和壶底，可以看到热水壶的接电部分，最中间是火线，第二圈是零线，最外圈是地线，同时热水壶的壶体金属部分也是连接到地线的，这个也是为了保证我们人体的安全。关于电源及周边部分，只看到了差模防护火线和零线之间加了一个压敏电阻（丝印HEL 100561K），没有看到做EMC的共模防护，除此以外还有STRIX温控器、保险丝、X电容、继电器、点解电容、变压器、光耦、蜂鸣器等元器件：

图7、电水壶壶底正面拆截图

其次看电源板的背面，可以看到主控采用的是中颖的SH79F084，是一个基于8051兼容流水指令的8位单片机。电源芯片丝印G38654，是一个反激的拓扑，应该是输出12V，经过一个78L05给单片机以及数码管按键板供电。左下角采用了一个sot23的三极管S8050和1N4148作为继电器的控制部分，控制电水壶的加热和调温，继电器型号是永能的YX201H-S-11DMF：

图8、电水壶电源板背面

接下来是平平无奇的按键板，像这种三根线，想都不用想，基本就是ADC按键跑不了的。

图9、电水壶按键板

显示数码管部分采用的是TT1628的控制芯片，然后与MCU一起控制数码管：

图10、电水壶显示数码管部分

最终该款九阳电水壶能实现45℃冲泡奶粉，55℃溶解蜂蜜，75℃冲泡燕麦，85℃冲泡绿茶和100℃白水烧开的多段式恒温功能。

还有eWiseTech拆解的西摩小智电水壶，在传统电水壶上加上了智能控制的功能，可以通过WiFi和手机连接，在手机应用上设置预约用水时间、实时查看水温、调节烧水模式（煮沸、保温、偏好等），还有冷水通知，缺水报警的功能。

图11、西摩小智电水壶（图源：eWiseTech）
 

这款智能电水壶采用了庆科（MXCHIP）的EMW3162的WiFi无线通信模块，来实现智能操控，内含一颗意法半导体的主控芯片STM32F205RGT6和博通的WiFi芯片BCM43362。周边配套元器件有友旺的低压差线性稳压器UTC1117、安森美/飞兆的光耦MOC3023、夏普的光耦PC817、一颗可控硅BT139、芯朋的AC/DC转换芯片PN8355、爱福的继电器、STRIX的温控开关、一颗温度传感器和加热组件等。

图12、西摩小智电水壶部分元器件组成

近年来电热水壶除了接地保护防漏电（地线）、水开自动断电（蒸汽开关）、防干烧保护（温控开关）和过热保护（热熔断器）等安全性设计，还逐渐融入红外测温传感器，进一步提升了智能化水平。与蒸汽式自动断电开关和温控器相比，红外测温传感器能够直接、实时监测壶内水温变化。当水温达到沸点时，它会迅速将信息反馈至控制系统，实现自动断电或降低功率，从而避免人工定时或过度加热。这种方式不仅提升了烧水效率，还显著减少了能源消耗，更符合现代社会低碳节能的理念。例如，用户无需时刻守在水壶旁，一旦水开，电热水壶就能自动停止加热，避免能源浪费。

同时，红外测温传感器还具备更强的安全保护功能。当水壶表面温度超过预设阈值时，传感器会立即触发安全机制，自动切断电源，有效防止干烧、内部器件过热短路等隐患，大幅提升使用安全性和用户体验。例如，当壶内意外缺水时，传感器能及时检测到异常高温并主动断电，防患于未然。

以领麦微为代表的国产厂商已经在这一领域取得突破，其W-TRS-5.5Dx系列高精度数字红外热电堆传感器集成MEMS热电堆芯片、NTC热敏电阻及信号调理ASIC，搭载24位ADC和低噪声PGA，具备免校准高精度测温、毫秒级响应、低功耗等优势。该产品不仅达到了国际先进水平，还以更优的性价比实现了国产替代，为国内电热水壶行业注入了新的活力。

审核编辑 黄宇