付 杰 王凌霄 余 嘉 江朝軍 管 丹

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315314）

引言

伴隨科技的發(fā)展以及人們消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，市面上存在越來(lái)越多的多功能插座，而由于手機(jī)用量的日益增加，導(dǎo)致帶USB 充電功能的插座變得非常普遍。而現(xiàn)有的插座標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法涉及到電源模塊這一塊的安全要求，所以對(duì)于帶USB 電源模塊的插座的安全認(rèn)證與測(cè)試存在迫切的需求。鑒于此，國(guó)際電工委員會(huì)于2021年正式發(fā)布了第一版的帶USB 電源模塊插座特殊要求的標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 60884-3-1，此項(xiàng)新的標(biāo)準(zhǔn)屬于IEC 60884-1（家用及類(lèi)似用途插頭插座 第一部分：通用要求）范疇，在通標(biāo)基礎(chǔ)上增加了電源模塊的特殊要求。主要針對(duì)USB 電源模塊的安全與EMC。本文將會(huì)對(duì)安全規(guī)范方面主要的關(guān)鍵要求與測(cè)試方法進(jìn)行說(shuō)明與闡述，方便此行業(yè)的相關(guān)研發(fā)和測(cè)試人員更快的了解標(biāo)準(zhǔn)，從而能快速掌握最新要求。

1 結(jié)構(gòu)要求

1.1 內(nèi)部線及固定要求

對(duì)于帶USB 電源的插座，在標(biāo)準(zhǔn)13 章和第14 章[2]里面分別對(duì)固定式插座和移動(dòng)式插座中的內(nèi)部導(dǎo)線進(jìn)行了規(guī)范要求。明確定義內(nèi)部線即使松脫也不能導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于錫焊連接的端子必須要求機(jī)械固定，比如采用勾焊（見(jiàn)圖1），套熱縮管和打膠固定的方式。對(duì)于內(nèi)部線即使位移和松脫也不會(huì)導(dǎo)致爬電距離和電氣間隙變小的結(jié)構(gòu)則對(duì)內(nèi)部線不做以上要求（比如一些次級(jí)電路線，即使松脫也不會(huì)橋接初次級(jí)電路）。對(duì)于內(nèi)部絕緣線的溫度和電壓等級(jí)必須滿足實(shí)際產(chǎn)品的要求，溫度值需通過(guò)溫升測(cè)試來(lái)判斷合適與否，工作電壓必須高于產(chǎn)品的工作電壓。當(dāng)內(nèi)部導(dǎo)線連接不同電壓線路時(shí)，電壓條件滿足高電壓電路要求。內(nèi)部線的固定不能導(dǎo)致電氣間隙和爬電距離減小。

圖1 USB 插座內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 Y 電容的要求

跨接在USB 電源初級(jí)與次級(jí)間用作加強(qiáng)絕緣的電容，至少為一個(gè)額定電壓符合相應(yīng)線路工作電壓的Y1 電容，兩個(gè)或者更多的Y2 電容串聯(lián)可以代替單一的Y1 電容。Y1 電容的額定電壓滿足產(chǎn)品電網(wǎng)市電電壓要求，若Y1線路上測(cè)量的有效值工作電壓高于電網(wǎng)電壓，Y1 的工作電壓滿足測(cè)量電壓要求。工作電壓超過(guò)250 V，但不高于500 V 的USB 電源，過(guò)壓等級(jí)按III 類(lèi)算，需要使用2個(gè)Y1 電容跨接。

2 電氣性能要求

2.1 絕緣電阻和電氣強(qiáng)度

絕緣電阻測(cè)試重復(fù)IEC 60884-1 中17.2.1 要求，USB電源模塊置于插座線路中，SELV 線路之間與非SELV 線路間絕緣電阻要求大于7 MΩ（電源輸入對(duì)USB 端口）；SELV 線路間絕緣電阻大于5 MΩ（如Vbus-GND）。電氣強(qiáng)度測(cè)試重復(fù)IEC 60884-1 中17.3 中要求，USB 電源模塊置于插座線路中，對(duì)于裝置額定大于130 V 的，SELV 線路之間與非SELV 線路間電氣強(qiáng)度要求承受3 750 V 耐壓（電源輸入對(duì)USB 端口）；對(duì)于裝置額定不超過(guò)130 V 的，SELV 線路之間與非SELV 線路間電氣強(qiáng)度要求承受3 000 V 耐壓（電源輸入對(duì)USB 端口）；SELV 線路間耐壓要求500 V。這就對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意控制初次級(jí)電氣間隙，變壓器膠帶的包覆和CY 電容的選型等幾個(gè)關(guān)鍵因數(shù)。

2.2 非正常工作狀態(tài)試驗(yàn)要點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)101章節(jié)中提出非正常工作條件下的安全要求，在非正常工作狀態(tài)下輸入功率若不超過(guò)0.5 W，認(rèn)為符合要求。非正常包含兩個(gè)方面的狀態(tài)測(cè)試，一個(gè)是失效條件下的測(cè)試，另一個(gè)就是USB 輸出過(guò)載狀態(tài)下的測(cè)試。失效條件主要包含如下幾個(gè)狀態(tài)：短路爬電距離和電氣間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的路徑。短路功能絕緣，如清漆和搪瓷。短路或斷開(kāi)半導(dǎo)體器件。短路電解電容。短路或斷開(kāi)不符合IEC 62368-1 附錄G 要求的電阻和電容；短路USB 電源的輸出端。PCB 上跨接雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的元件無(wú)需進(jìn)行失效測(cè)試，如隔離變壓器，Y1 電容，光耦或類(lèi)似元件，若USB 電源模塊元件的溫度由于自動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作而受限，過(guò)載測(cè)試，先按照溫升章節(jié)19.101 b)條款執(zhí)行，但施加額定1.1 倍的工作電壓，USB 輸出接通最大功率負(fù)載測(cè)試（通過(guò)逐漸增大調(diào)節(jié)USB 輸出獲得，可以是單口也可以是多口同時(shí)帶載，由USB 輸出端口的結(jié)構(gòu)而定，USB 輸出最大功率的獲得，一般是保證內(nèi)部線路或保護(hù)元件不動(dòng)作而又能持續(xù)產(chǎn)生最大熱量的狀態(tài)）。上述試驗(yàn)結(jié)束后，繼續(xù)依據(jù)溫升章節(jié)19.101 b）條款執(zhí)行，但電流同時(shí)施加在插座和USB 輸出端口上，USB 輸出端口施加最大的輸出功率，插座與USB 端口的總的輸入電流之和達(dá)到測(cè)試要求電流值。插座端子溫升不可超過(guò)55 K。則計(jì)算保護(hù)元件動(dòng)作后2 min 的溫度值。

3 溫升試驗(yàn)要求

溫升試驗(yàn)在IEC 60884-1 標(biāo)準(zhǔn)19 章基礎(chǔ)上新增19.101 條款，針對(duì)插座帶有USB 電源模塊的測(cè)試要求。插座按照如下描述的1），2）與3）進(jìn)行試驗(yàn)[2]：

1）依據(jù)IEC 60884-1 19.1 章節(jié)要求測(cè)試，USB 電源按正常使用置于插座線路中，但USB 輸出不帶負(fù)載。對(duì)于接下來(lái)的測(cè)試要求2）與3）若有接地線路，對(duì)接地線路不進(jìn)行試驗(yàn)。

2）依據(jù)IEC 60884-1 19.1 章節(jié)要求測(cè)試，插座按照額定電壓和額定電流進(jìn)行加載，直到達(dá)到恒溫或4 h，取兩者時(shí)間短的來(lái)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)的定義為溫升不超過(guò)1 K/h。USB 輸出按照最不利的額定輸出電壓和電流進(jìn)行帶載。也就是說(shuō)USB輸出和AC插孔同時(shí)工作條件下進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)在執(zhí)行測(cè)試條款2）時(shí)，USB 帶有過(guò)溫保護(hù)功能且過(guò)溫保護(hù)動(dòng)作，需要依據(jù)條款3）要求重新試驗(yàn)。

圖2 USB 輸出與AC 插孔同時(shí)帶載

3）重復(fù)上述測(cè)試條款2）的試驗(yàn)步驟，但插座插孔不予帶載， USB 輸出按照最不利的額定輸出電壓和電流進(jìn)行帶載,過(guò)溫保護(hù)裝置不可動(dòng)作。

在進(jìn)行2）與3）過(guò)程中，測(cè)量點(diǎn)溫升不可超過(guò)表101 中對(duì)應(yīng)的19.101 欄規(guī)定溫升限值。測(cè)試結(jié)束后產(chǎn)品功能要求正常。

4 機(jī)械強(qiáng)度要求

24章節(jié)中機(jī)械強(qiáng)度增加了對(duì)USB端口部分的要求，在24.10（多孔插座的跌落試驗(yàn)）[1]測(cè)試結(jié)束后，需進(jìn)行USB 部分初次級(jí)間的耐壓試驗(yàn)。同時(shí)增加24.101 條款[2]，針對(duì)于USB 端口的執(zhí)行如下3 個(gè)項(xiàng)目的機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)：

1）USB 端口的橫向應(yīng)力試驗(yàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)USB 頭（符合IEC 62680 尺寸要求）插入U(xiǎn)SB 端口，施加0.2 N.m的應(yīng)力，扭力施加在測(cè)試插頭上，持續(xù)時(shí)間60 s+5 s，然后旋轉(zhuǎn)90 °，共4 個(gè)方向測(cè)試。

2）USB 端口在插入過(guò)程中所承受的機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)，先使用相應(yīng)的USB 插頭對(duì)端口進(jìn)行50 次的插拔試驗(yàn)，然后USB 測(cè)試插頭垂直與USB 端口時(shí)間40 N 的力，維持1 min 再拔出試驗(yàn)插頭。

3）USB 端口擺錘沖擊試驗(yàn)，等效重量250 g，測(cè)試條件和步驟依據(jù)IEC 60884-1 24.1 方式執(zhí)行，高度為80 mm，測(cè)試施加軸向力在USB 插頭上（USB 插頭插入到USB 端口中）。

上述測(cè)試結(jié)束后，產(chǎn)品不可出現(xiàn)以下安全風(fēng)險(xiǎn)，如測(cè)試指接觸帶電部件，初級(jí)線路短路，爬電距離和電氣間隙變小，USB 電源出現(xiàn)有可能引起安全的位移等。

5 EMC 要求

EMC 的測(cè)試在本標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了具體的說(shuō)明（抗擾度測(cè)試見(jiàn)圖4），且對(duì)測(cè)試的負(fù)載和線有了具體的規(guī)定，要求USB 端口Vbus 與Groud 間的容抗為（1±0.1 uf），容抗具有典型的等效串聯(lián)阻抗（阻抗要求在10 kHz 時(shí)0.6 Ω；1 MHz 時(shí)0.0 1Ω）。測(cè)試負(fù)載線要求至少為1 m 的屏蔽線，USB 電線有專(zhuān)用的電源回路導(dǎo)線，電源回路不可經(jīng)過(guò)屏蔽層。傳導(dǎo)發(fā)射符合IEC 61000-3-2 要求，輻射發(fā)射要求符合CISPR Class B 要求。

圖3 溫升測(cè)試限值

圖4 EMC 測(cè)試項(xiàng)目

6 結(jié)合上述要點(diǎn)陳述對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一些改善建議

產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，USB 電源的PCBA 上的輸入線需要額外的機(jī)械固定（如：勾焊，打膠固定，套管方式等），內(nèi)部走線需要避開(kāi)銳邊和次級(jí)金屬部件。橋接初次級(jí)的引線需要可靠固定，防止因脫落導(dǎo)致可觸及的USB 端口帶電，銅件上可以采用點(diǎn)焊和勾焊的方式，點(diǎn)焊的線不宜太細(xì)，容易斷絲脫落。（建議至少0.5 平方以上），PCBA上的線可以打膠或通過(guò)倒扣方式來(lái)固定，電壓要求300 V，溫度建議選擇至少105 ℃的，80 ℃在溫升測(cè)試時(shí)線皮溫度容易超標(biāo)。

在Y 電容選型時(shí)，要注意相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶USB 插座的過(guò)壓等級(jí)的分類(lèi)，比如英國(guó)插座過(guò)壓等級(jí)為OVC III（電源瞬態(tài)過(guò)壓4 000 VPeak），所以在Y 電容選用時(shí)需要選兩個(gè)Y1 電容串聯(lián)或者在PCB 初級(jí)電路加MOV，MOV 需要串聯(lián)溫度保險(xiǎn)絲。

溫升測(cè)試?yán)锩嬖黾恿薝SB 與插座同時(shí)帶載測(cè)試的要求，內(nèi)部環(huán)溫會(huì)增加，這里面的難點(diǎn)就在于插座部分的端子溫升45 K，比較容易受到電源部分高發(fā)熱元件的影響，如功率MOS，變壓器，同步整流芯片等高發(fā)熱元件。所以建議在結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量將插座端子遠(yuǎn)離USB 模塊。若因結(jié)構(gòu)受限，需要在保證插座部分自身低溫升條件下，選用效率比較高的電源方然，減少功率元件的熱損耗，降低電源的自身溫升或盡量通過(guò)給電源發(fā)熱元件散熱的方式去降低整個(gè)內(nèi)部溫升（如通過(guò)導(dǎo)熱膠，散熱片）（見(jiàn)圖5，圖6，表1驗(yàn)證數(shù)據(jù)）去保證溫升的符合性。為保證產(chǎn)品順利通過(guò)非正常狀態(tài)下溫升試驗(yàn)和單一失效試驗(yàn)，USB 電源模塊在應(yīng)選用合適規(guī)格的保險(xiǎn)電阻和慢熔斷保險(xiǎn)絲（快熔斷保險(xiǎn)容易受到通電時(shí)浪涌電流造成的損壞），同時(shí)IC 過(guò)流保護(hù)的閥值設(shè)計(jì)不應(yīng)太大，過(guò)流點(diǎn)越大，USB 過(guò)載測(cè)試時(shí)內(nèi)部元件的溫度也會(huì)更高，容易導(dǎo)致插座端子超過(guò)55 K，適當(dāng)?shù)倪^(guò)流設(shè)置能更有利于測(cè)試的通過(guò)。單一失效過(guò)程中，保險(xiǎn)裝置的及時(shí)保護(hù)可以防止內(nèi)部溫度過(guò)高和起火，能有效的保證產(chǎn)品安全和滿足測(cè)試要求。

圖5 導(dǎo)熱膠給變壓器散熱

圖6 散熱墊給芯片扇熱

表1 測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)

由于此標(biāo)準(zhǔn)不允許存在功能接地線路，對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)部走線復(fù)雜的產(chǎn)品，在EMC 傳導(dǎo)和輻射測(cè)試時(shí)容易超標(biāo)的情況，在電源初級(jí)可以選用X 電容和濾波電感來(lái)降低電磁噪音，同時(shí)可以將內(nèi)部線盡量避開(kāi)高頻線路元件如：變壓器，MOS 管，驅(qū)動(dòng)芯片等。對(duì)于浪涌測(cè)試容易失效的條件，建議保險(xiǎn)絲和整流橋的選型，整流橋耐壓至少1 kV，保險(xiǎn)絲盡量選慢斷型。

7 結(jié)語(yǔ)

新的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)未來(lái)的USB 插座帶來(lái)了更精準(zhǔn)的安全定義與說(shuō)明，將插座與電源的安全合二為一來(lái)考量，彌補(bǔ)了現(xiàn)有認(rèn)證測(cè)試機(jī)制中的分別評(píng)估的漏洞，給未來(lái)多功能的產(chǎn)品發(fā)展也有一定的指導(dǎo)意義。本文通過(guò)以上對(duì)帶USB 電源插座的標(biāo)準(zhǔn)條款要點(diǎn)闡述與說(shuō)明，將標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵要求與測(cè)試參數(shù)進(jìn)行了解析，對(duì)于產(chǎn)品的的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的要求提出了相關(guān)的改善建議，希望能給相關(guān)從業(yè)人員帶來(lái)一定的參考作用。