金属异物对无线功率发射器温升的影响

0   引言

无线功率传输大号是一种基于线圈之间的近场电磁感应，将电能从发射器传输到移动设备（接收器）的非接触式电能传输方法（见图1）。

无线功率发射器产生交变电流通过线圈产生方向不断改变的交变磁场，磁场内如果存在金属异物，其内部就会产生涡旋电流，涡旋电流的焦耳效应会使物质温度上升^[1]。例如在手机无线充电器与手机间塞入钥匙扣、硬币等金属异物后，金属异物很快就会发热，烫坏充电器和手机（见图2），严重的可能使手机电池过热发生爆炸。

1   金属异物的标准要求

IEC 62368-1:2018 Audio/video, information and communication technology equipment-Part 1: Safety requirements《音视频、信息技术和通信技术设备第1部分：安全要求》标准规定，用于近场无线功率传输的无线功率发射器可以加热可能放置在发射器附近或放置在该发射器上的金属异物。为了避免由于金属异物的高温产生灼伤，应对发射器按照以下步骤进行测试：

无线功率发射器置于室内，室内环境温度为25±5 ℃，将每一种异物直接放置在发射器上进行一次试验。每次试验有4 个周期。

●   没有接收器，异物直接接触发射器；和

●   接收器与异物直接接触；和

●   接收器距离异物2 mm 放置；和

●   接收器距离异物5 mm 放置。

发射器以最大发射功率工作。在每个周期内，异物可以在发射器上移动，以便找到能产生最高温度的位置。试验中，异物的温度不得超过70 ℃ ^[1]。金属异物有3 种，设计图及实物见图3~ 图5。

2   无线充电发射器温升比对

笔者对20 款手机无线充电器进行金属异物温升比对（见图6），发现接收器与异物直接接触时，金属异物温升普遍为四个周期内的最高值。以下仅展示接收器与异物直接接触周期的温度数据（见表1）。

表1 数据显示，钢盘金属异物的温度最高，铝环和铝箔的温度高低不一。从金属异物材质和结构上分析，钢盘的面积最大，受磁场影响大，发热量很高；而铝环和铝箔的面积较小，受磁环影响小，发热量不如钢盘。然而，大多数样品都无法满足IEC 62368-1:2018 所规定的70 ℃限值。笔者与许多手机无线充电器厂家进行沟通后发现，手机无线充电器维持正常工作时，钢盘异物温度超过70 ℃的情况并不少见。为了维持手机的接收功率不减少，发射器会输出更多能量，从而不可避免地加热钢盘，最后超出限值。

IEC 62368-1:2018 根据IEC Guide 117 规定了金属异物温升限值为70 ℃，可追溯为可触及零部件的接触温度限值——非常短时间的偶然接触的把手、旋钮、手柄等以及表面（1 ～ 10 s）的TS2 限值。而IEC Guide 117 是基于危险的灼伤指南，存在局限性，无法准确地评价热容量和有限热流的小型金属异物和其他类似装置的热灼伤危险[2]。从金属异物自身形状，以及接触时间（仅数秒）和接触面积（手指）来看，温升限值不应一概而论，对金属异物的温升限值考核，采用“钢盘严于铝环，铝环严于铝箔”的原则，钢盘的最高温度不应高于85~100 ℃（笔者个人建议），或许较为合理。

3   异物识别功能

由于IEC 62368-1:2018 制定的金属异物温升限值为70 ℃，划归到TS2 限值。因此可以认为，无线功率发射时存在金属异物是一种异常工作状态，采取一定的功能性防护来避免或降低异常工作状态导致的安全风险是可行的^[3]。

笔者建议，在IEC 62368-1:2018 基础上，追加决议或增补件，对无线功率发射器增加异物识别功能，来阻断金属异物出现过高温升的可能性。如果增加了异物识别功能，则维持原金属异物70 ℃温升要求，也符合情理。

异物识别功能可以参考GB/T 37687-2019《信息技术 电子信息产品用低功率无线充电器通用规范》执行：

1）异物放置在发射器上，不使用接收器时，发射器应提示检测到异物，异物及发射器表面温度不超过限值；

2）异物与接收器同时放置在发射器上，发射器应提示检测到异物，不进行功率传输，异物及发射器表面温度不超过限值；

3）接收器正常工作中，将异物插入发射器与接收器之间，发射器应提示检测到异物，不进行功率传输，异物及发射器表面温度不超过限值。

4）未检测到异物的情况下，异物及发射器表面温度不超过限值。

将异物移开发射器线圈范围外后，发射器应恢复。

4   结语

笔者认为，IEC 62368-1:2018 对无线功率发射器提出了金属异物的温升要求，原则上是为了提高产品安全系数。但从行业现况来看，70 ℃限值制定或许过于严苛。建议放宽要求，或增加异物识别规定，以便合理地规范无线功率发射器行业和产品质量。

参考文献：

[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]王莹,刘海婷,刘云柱,等.IEC/TC108上海会议综述[J].安全与电磁兼容,2020,(1):31-32,45.

[4]梁永峰,李正,宋翔宇.手机近距离无线充电系统设计及仿真[J].沧州师范学院学报,2020,36(2):43-46,59.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年4月期）