金屬異物對無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器溫升的影響

0   引言

無(wú)線(xiàn)功率傳輸大號是一種基于線(xiàn)圈之間的近場(chǎng)電磁感應，將電能從發(fā)射器傳輸到移動(dòng)設備（接收器）的非接觸式電能傳輸方法（見(jiàn)圖1）。

無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器產(chǎn)生交變電流通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生方向不斷改變的交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內如果存在金屬異物，其內部就會(huì )產(chǎn)生渦旋電流，渦旋電流的焦耳效應會(huì )使物質(zhì)溫度上升^[1]。例如在手機無(wú)線(xiàn)充電器與手機間塞入鑰匙扣、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（見(jiàn)圖2），嚴重的可能使手機電池過(guò)熱發(fā)生爆炸。

1   金屬異物的標準要求

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)設備第1部分：安全要求》標準規定，用于近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)功率傳輸的無(wú)線(xiàn)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，應對發(fā)射器按照以下步驟進(jìn)行測試：

無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器置于室內，室內環(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。每次試驗有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，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。試驗中，異物的溫度不得超過(guò)70 ℃ ^[1]。金屬異物有3 種，設計圖及實(shí)物見(jiàn)圖3~ 圖5。

2   無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器溫升比對

筆者對20 款手機無(wú)線(xiàn)充電器進(jìn)行金屬異物溫升比對（見(jiàn)圖6），發(fā)現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據（見(jiàn)表1）。

表1 數據顯示，鋼盤(pán)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)和結構上分析，鋼盤(pán)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(pán)。然而，大多數樣品都無(wú)法滿(mǎn)足IEC 62368-1:2018 所規定的70 ℃限值。筆者與許多手機無(wú)線(xiàn)充電器廠(chǎng)家進(jìn)行溝通后發(fā)現，手機無(wú)線(xiàn)充電器維持正常工作時(shí)，鋼盤(pán)異物溫度超過(guò)70 ℃的情況并不少見(jiàn)。為了維持手機的接收功率不減少，發(fā)射器會(huì )輸出更多能量，從而不可避免地加熱鋼盤(pán)，最后超出限值。

IEC 62368-1:2018 根據IEC Guide 117 規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 是基于危險的灼傷指南，存在局限性，無(wú)法準確地評價(jià)熱容量和有限熱流的小型金屬異物和其他類(lèi)似裝置的熱灼傷危險[2]。從金屬異物自身形狀，以及接觸時(shí)間（僅數秒）和接觸面積（手指）來(lái)看，溫升限值不應一概而論，對金屬異物的溫升限值考核，采用“鋼盤(pán)嚴于鋁環(huán)，鋁環(huán)嚴于鋁箔”的原則，鋼盤(pán)的最高溫度不應高于85~100 ℃（筆者個(gè)人建議），或許較為合理。

3   異物識別功能

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。因此可以認為，無(wú)線(xiàn)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來(lái)避免或降低異常工作狀態(tài)導致的安全風(fēng)險是可行的^[3]。

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

異物識別功能可以參考GB/T 37687-2019《信息技術(shù) 電子信息產(chǎn)品用低功率無(wú)線(xiàn)充電器通用規范》執行：

1）異物放置在發(fā)射器上，不使用接收器時(shí)，發(fā)射器應提示檢測到異物，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)射器應提示檢測到異物，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)射器應提示檢測到異物，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(kāi)發(fā)射器線(xiàn)圈范圍外后，發(fā)射器應恢復。

4   結語(yǔ)

筆者認為，IEC 62368-1:2018 對無(wú)線(xiàn)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。但從行業(yè)現況來(lái)看，70 ℃限值制定或許過(guò)于嚴苛。建議放寬要求，或增加異物識別規定，以便合理地規范無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器行業(yè)和產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻：

[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.手機近距離無(wú)線(xiàn)充電系統設計及仿真[J].滄州師范學(xué)院學(xué)報,2020,36(2):43-46,59.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）