金屬異物對(duì)無線功率發(fā)射器溫升的影響

0   引言

無線功率傳輸大號(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）。

無線功率發(fā)射器產(chǎn)生交變電流通過線圈產(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)無線功率傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/無線功率發(fā)射器">無線功率發(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   無線充電發(fā)射器溫升比對(duì)

筆者對(duì)20 款手機(jī)無線充電器進(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)樣品都無法滿足IEC 62368-1:2018 所規(guī)定的70 ℃限值。筆者與許多手機(jī)無線充電器廠家進(jìn)行溝通后發(fā)現(xiàn)，手機(jī)無線充電器維持正常工作時(shí)，鋼盤異物溫度超過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。

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)無線功率發(fā)射器增加異物識(shí)別功能，來阻斷金屬異物出現(xiàn)過高溫升的可能性。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

筆者認(rèn)為，IEC 62368-1:2018 對(duì)無線功率發(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)況來看，70 ℃限值制定或許過于嚴(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.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）