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        金屬異物對(duì)無(wú)線功率發(fā)射器溫升的影響

        2021-02-09 13:13:24溫明森
        電子產(chǎn)品世界 2021年4期

        溫明森

        摘 要:依據(jù)IEC 62368-1:2018,闡述無(wú)線功率發(fā)射器的溫升要求。通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)限值過(guò)于嚴(yán)苛,建議放寬要求,或增加異物識(shí)別規(guī)定。

        關(guān)鍵詞:IEC 62368-1;無(wú)線功率發(fā)射器;金屬異物;溫升;異物識(shí)別

        0 引言

        無(wú)線功率傳輸大號(hào)是一種基于線圈之間的近場(chǎng)電磁感應(yīng),將電能從發(fā)射器傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備(接收器)的非接觸式電能傳輸方法(見圖1)。

        無(wú)線功率發(fā)射器產(chǎn)生交變電流通過(guò)線圈產(chǎn)生方向不斷改變的交變磁場(chǎng),磁場(chǎng)內(nèi)如果存在金屬異物,其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦旋電流,渦旋電流的焦耳效應(yīng)會(huì)使物質(zhì)溫度上升[1]。例如在手機(jī)無(wú)線充電器與手機(jī)間塞入鑰匙扣、硬幣等金屬異物后,金屬異物很快就會(huì)發(fā)熱,燙壞充電器和手機(jī)(見圖2),嚴(yán)重的可能使手機(jī)電池過(guò)熱發(fā)生爆炸。

        1 金屬異物的標(biāo)準(zhǔn)要求

        IEC 62368-1:2018 Audio/video, information and communication technology equipment-Part 1: Safety requirements《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備第1部分:安全要求》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,用于近場(chǎng)無(wú)線功率傳輸?shù)臒o(wú)線功率發(fā)射器可以加熱可能放置在發(fā)射器附近或放置在該發(fā)射器上的金屬異物。為了避免由于金屬異物的高溫產(chǎn)生灼傷,應(yīng)對(duì)發(fā)射器按照以下步驟進(jìn)行測(cè)試:

        無(wú)線功率發(fā)射器置于室內(nèi),室內(nèi)環(huán)境溫度為25±5 ℃,將每一種異物直接放置在發(fā)射器上進(jìn)行一次試驗(yàn)。

        每次試驗(yàn)有4個(gè)周期。

        ● 沒(méi)有接收器,異物直接接觸發(fā)射器;和

        ● 接收器與異物直接接觸;和

        ● 接收器距離異物2 mm放置;和

        ● 接收器距離異物5 mm放置。

        發(fā)射器以最大發(fā)射功率工作。在每個(gè)周期內(nèi),異物可以在發(fā)射器上移動(dòng),以便找到能產(chǎn)生最高溫度的位置。試驗(yàn)中,異物的溫度不得超過(guò)70 ℃[1]。金屬異物有3種,設(shè)計(jì)圖及實(shí)物見圖3~圖5。

        2 無(wú)線充電發(fā)射器溫升比對(duì)

        筆者對(duì)20款手機(jī)無(wú)線充電器進(jìn)行金屬異物溫升比對(duì)(見圖6),發(fā)現(xiàn)接收器與異物直接接觸時(shí),金屬異物溫升普遍為四個(gè)周期內(nèi)的最高值。以下僅展示接收器與異物直接接觸周期的溫度數(shù)據(jù)(見表1)。

        表1數(shù)據(jù)顯示,鋼盤金屬異物的溫度最高,鋁環(huán)和鋁箔的溫度高低不一。從金屬異物材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上分析,鋼盤的面積最大,受磁場(chǎng)影響大,發(fā)熱量很高;而鋁環(huán)和鋁箔的面積較小,受磁環(huán)影響小,發(fā)熱量不如鋼盤。然而,大多數(shù)樣品都無(wú)法滿足IEC 62368-1:2018所規(guī)定的70 ℃限值。筆者與許多手機(jī)無(wú)線充電器廠家進(jìn)行溝通后發(fā)現(xiàn),手機(jī)無(wú)線充電器維持正常工作時(shí),鋼盤異物溫度超過(guò)70 ℃的情況并不少見。為了維持手機(jī)的接收功率不減少,發(fā)射器會(huì)輸出更多能量,從而不可避免地加熱鋼盤,最后超出限值。

        注:接收器與異物直接接觸。

        IEC 62368-1:2018根據(jù)IEC Guide 117規(guī)定了金屬異物溫升限值為70 ℃,可追溯為可觸及零部件的接觸溫度限值——非常短時(shí)間的偶然接觸的把手、旋鈕、手柄等以及表面(1~10 s)的TS2限值。而IEC Guide 117是基于危險(xiǎn)的灼傷指南,存在局限性,無(wú)法準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)熱容量和有限熱流的小型金屬異物和其他類似裝置的熱灼傷危險(xiǎn)[2]。從金屬異物自身形狀,以及接觸時(shí)間(僅數(shù)秒)和接觸面積(手指)來(lái)看,溫升限值不應(yīng)一概而論,對(duì)金屬異物的溫升限值考核,采用“鋼盤嚴(yán)于鋁環(huán),鋁環(huán)嚴(yán)于鋁箔”的原則,鋼盤的最高溫度不應(yīng)高于85~100 ℃(筆者個(gè)人建議),或許較為合理。

        3 異物識(shí)別功能

        由于IEC 62368-1:2018制定的金屬異物溫升限值為70 ℃,劃歸到TS2限值。因此可以認(rèn)為,無(wú)線功率發(fā)射時(shí)存在金屬異物是一種異常工作狀態(tài),采取一定的功能性防護(hù)來(lái)避免或降低異常工作狀態(tài)導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)是可行的[3]。

        筆者建議,在IEC 62368-1:2018基礎(chǔ)上,追加決議或增補(bǔ)件,對(duì)無(wú)線功率發(fā)射器增加異物識(shí)別功能,來(lái)阻斷金屬異物出現(xiàn)過(guò)高溫升的可能性。如果增加了異物識(shí)別功能,則維持原金屬異物70 ℃溫升要求,也符合情理。

        異物識(shí)別功能可以參考GB/T 37687-2019《信息技術(shù) 電子信息產(chǎn)品用低功率無(wú)線充電器通用規(guī)范》執(zhí)行:

        1)異物放置在發(fā)射器上,不使用接收器時(shí),發(fā)射器應(yīng)提示檢測(cè)到異物,異物及發(fā)射器表面溫度不超過(guò)限值;

        2)異物與接收器同時(shí)放置在發(fā)射器上,發(fā)射器應(yīng)提示檢測(cè)到異物,不進(jìn)行功率傳輸,異物及發(fā)射器表面溫度不超過(guò)限值;

        3)接收器正常工作中,將異物插入發(fā)射器與接收器之間,發(fā)射器應(yīng)提示檢測(cè)到異物,不進(jìn)行功率傳輸,異物及發(fā)射器表面溫度不超過(guò)限值。

        4)未檢測(cè)到異物的情況下,異物及發(fā)射器表面溫度不超過(guò)限值。

        將異物移開發(fā)射器線圈范圍外后,發(fā)射器應(yīng)恢復(fù)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        筆者認(rèn)為,IEC 62368-1:2018對(duì)無(wú)線功率發(fā)射器提出了金屬異物的溫升要求,原則上是為了提高產(chǎn)品安全系數(shù)。但從行業(yè)現(xiàn)況來(lái)看,70 ℃限值制定或許過(guò)于嚴(yán)苛。建議放寬要求,或增加異物識(shí)別規(guī)定,以便合理地規(guī)范無(wú)線功率發(fā)射器行業(yè)和產(chǎn)品質(zhì)量。

        參考文獻(xiàn):

        [1] IEC 62368-1:2018. Audio/video, information and communication technology equipment-Part 1:Safety requirements[S].

        [2] IEC 62368-2:2019.Audio/video, information and communication technology equipment-Part 2: Explanatory information related to IEC 62368-1:2018[S].

        [3]王瑩,劉海婷,劉云柱,等.IEC/TC108上海會(huì)議綜述[J].安全與電磁兼容,2020,(1):31-32,45.

        [4]梁永峰,李正,宋翔宇.手機(jī)近距離無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J].滄州師范學(xué)院學(xué)報(bào),2020,36(2):43-46,59.

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