金屬異物對無線功率發射器溫升的影響

0   引言

無線功率傳輸大號是一種基于線圈之間的近場電磁感應，將電能從發射器傳輸到移動設備（接收器）的非接觸式電能傳輸方法（見圖1）。

無線功率發射器產生交變電流通過線圈產生方向不斷改變的交變磁場，磁場內如果存在金屬異物，其內部就會產生渦旋電流，渦旋電流的焦耳效應會使物質溫度上升^[1]。例如在手機無線充電器與手機間塞入鑰匙扣、硬幣等金屬異物后，金屬異物很快就會發熱，燙壞充電器和手機（見圖2），嚴重的可能使手機電池過熱發生爆炸。

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、信息技術和通信技術設備第1部分：安全要求》標準規定，用于近場無線功率傳輸的無線功率發射器可以加熱可能放置在發射器附近或放置在該發射器上的金屬異物。為了避免由于金屬異物的高溫產生灼傷，應對發射器按照以下步驟進行測試：

無線功率發射器置于室內，室內環境溫度為25±5 ℃，將每一種異物直接放置在發射器上進行一次試驗。每次試驗有4 個周期。

●   沒有接收器，異物直接接觸發射器；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。

發射器以最大發射功率工作。在每個周期內，異物可以在發射器上移動，以便找到能產生最高溫度的位置。試驗中，異物的溫度不得超過70 ℃ ^[1]。金屬異物有3 種，設計圖及實物見圖3~ 圖5。

2   無線充電發射器溫升比對

筆者對20 款手機無線充電器進行金屬異物溫升比對（見圖6），發現接收器與異物直接接觸時，金屬異物溫升普遍為四個周期內的最高值。以下僅展示接收器與異物直接接觸周期的溫度數據（見表1）。

表1 數據顯示，鋼盤金屬異物的溫度最高，鋁環和鋁箔的溫度高低不一。從金屬異物材質和結構上分析，鋼盤的面積最大，受磁場影響大，發熱量很高；而鋁環和鋁箔的面積較小，受磁環影響小，發熱量不如鋼盤。然而，大多數樣品都無法滿足IEC 62368-1:2018 所規定的70 ℃限值。筆者與許多手機無線充電器廠家進行溝通后發現，手機無線充電器維持正常工作時，鋼盤異物溫度超過70 ℃的情況并不少見。為了維持手機的接收功率不減少，發射器會輸出更多能量，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，無法準確地評價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[2]。從金屬異物自身形狀，以及接觸時間（僅數秒）和接觸面積（手指）來看，溫升限值不應一概而論，對金屬異物的溫升限值考核，采用“鋼盤嚴于鋁環，鋁環嚴于鋁箔”的原則，鋼盤的最高溫度不應高于85~100 ℃（筆者個人建議），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，無線功率發射時存在金屬異物是一種異常工作狀態，采取一定的功能性防護來避免或降低異常工作狀態導致的安全風險是可行的^[3]。

筆者建議，在IEC 62368-1:2018 基礎上，追加決議或增補件，對無線功率發射器增加異物識別功能，來阻斷金屬異物出現過高溫升的可能性。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 電子信息產品用低功率無線充電器通用規范》執行：

1）異物放置在發射器上，不使用接收器時，發射器應提示檢測到異物，異物及發射器表面溫度不超過限值；

2）異物與接收器同時放置在發射器上，發射器應提示檢測到異物，不進行功率傳輸，異物及發射器表面溫度不超過限值；

3）接收器正常工作中，將異物插入發射器與接收器之間，發射器應提示檢測到異物，不進行功率傳輸，異物及發射器表面溫度不超過限值。

4）未檢測到異物的情況下，異物及發射器表面溫度不超過限值。

將異物移開發射器線圈范圍外后，發射器應恢復。

4   結語

筆者認為，IEC 62368-1:2018 對無線功率發射器提出了金屬異物的溫升要求，原則上是為了提高產品安全系數。但從行業現況來看，70 ℃限值制定或許過于嚴苛。建議放寬要求，或增加異物識別規定，以便合理地規范無線功率發射器行業和產品質量。

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.手機近距離無線充電系統設計及仿真[J].滄州師范學院學報,2020,36(2):43-46,59.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年4月期）