杜绝各种危险与干扰因子 无线充电安全测试不可轻忽

2013-12-02 13:26:34来源: 新电子
    无线充电标准安规正逐渐受到市场重视。随着无线充电市场发展日益快速,未来15瓦以上的中功率无线充电即将成为市场新趋势,但功率提升亦加剧产品的使用风险,促使无线充电设备商势必须满足各项标准安全规范,为消费者提供安全又可靠的无线充电产品。

可携式电子设备的无线充电模组在2013年美国消费性电子展(CES)和世界行动通讯大会(MWC)新品推助下,产品取得认证的数量于2013年第一季攀上巅峰;其中,以无线充电联盟(WPC)为首的会员总数也在9月底逼近一百八十个,而三星(Samsung)领军的A4WP则已有六十三个会员,另具有AT&T加持而异军突起的无线电力事业联盟(PMA)亦有近一百个会员(表1)。无论厂商们是押宝或是倾向于融合不同联盟标准规格,可以确定的是,无线充电的市场热度正持续上升。  

无线充电技术发展至今,目前最完整的规格标准为WPC的Qi 1.1.3版本,其采用的最大电压是19伏特(V),最大传输功率为5瓦(W)。以3.5G的智慧型手机HTC One X+机种应用为例,电池电压约为4V,容量约为3000毫安时(mAh),也就是说电能容量约为12瓦时(Wh);若使用5W的充电器充电,至少也要2小时才能充饱电;若是平板电脑或笔记型电脑,就需要更久的时间,也因此市场对更大功率的无线充电设备需求开始升温。然而,在有线电力传输时,高电压存在着电击或火灾的危险,若是无线电力传输功率一旦又再提高,则会面临各种安全挑战,因此设备商须透过安规检测来确保产品安全。  

作用频率与辐射功率不高 生物安全无疑虑

微波炉与无线充电皆是利用共振原理。微波炉的作用频率是2,450MHz(2.45GHz),而目前Qi的作用频率是100?205kHz,A4WP虽然其通讯作用频率是2.4GHz,但其电力传输作用频率仅6.78MHz,其他新提案则最高到40.68MHz,离微波炉的作用频率非常远,因此目前的无线电力传输还不至于会产生如微波炉利用水分子将食物加热的作用。  

另外一个生活中的辐射源则为手机,其因为靠近脑部,因此所产生的辐射能量对人体的危害更备受争议。目前手机辐射量的规范上限为8W/Kg,欧盟则定义为安全辐射范围为2W/Kg,常用的全球行动通讯系统(GSM)手机,其辐射量则在0.22?1.49W/Kg之间。依照目前无线充电有效距离约在5公分以内,如果采取紧密接触型的无线充电,距离人体早就超过50公分,人体所吸收到的功率可谓微乎其微;若是采磁共振式的无线充电,线圈直径的两倍是能够维持40?50%传输率的上限,如果距离再增加,也会呈现随距离平方递减的趋势。因此倘若线圈直径增加,且功率再提高,确实有可能会造成辐射曝晒的危险,但由于目前感应线圈直径与辐射功率范围都还在允许范围之中,所以所有的联盟标准,皆尚未特别提及对于人体安全辐射功率的要求,或是量测问题。  
防磁材料立大功 通讯干扰免烦恼
目前以IEEE 802.11b/g/n为主的公用网路,运作频率为2.4GHz,近距离蓝牙(Bluetooth)也采相同频率,因此目前的无线电力传输作用频率均不至于直接造成讯号本身的误判。但是一般业余的无线通讯玩家则因为距离不同而采用从1,800kHz?29.7MHz的通讯频率,涵盖目前最受瞩目的6.78MHz范围,也因此业余的无线通讯玩家就有可能受到干扰。 

除了生物相容性问题外,电磁相容性(Electro-magnetic Compatibility)是另外一个最常被提出的安全疑虑。无线电力传输其实就是透过功率较高的电磁波之电磁感应,因此只要没有受到屏蔽的电子电机设备,都有可能因此受到干扰,小则会造成电力品质问题而影响设备运作,严重者可能会干扰数据运算而导致安全控制问题,所以需要电磁保护材料。在一般的电磁相容性测试,其中两项最为人所知的就是电磁辐射(EMI),指的是对其他设备的干扰;另外一项则是电磁耐受性(EMS),指的是受到其他设备的干扰。目前医疗器材进行的EMS测试场强度为1V/m,家电产品为3V/m,工业设备为10V/m,车用电子则为20V/m。以目前的低功率无线充电设备看来要符合EMC的要求并不难,虽然没有实测数据,但是未来随着传输功率上升,伴随着辐射场强度的增加,是否还能在一般设备能够耐受的范围就不一定了。 

目前在WPC与A4WP的规范中,并没有列出EMC的要求,而是直接交给各国通讯管制单位处理,但是却没有提到其设备会产生典型的EMI数值。至于PMA阵营虽然标准尚未问世,但其董事会中有FCC作为观察员,比较有可能兼顾EMC的要求。然而,EMC可由减少辐射与增加防护能力而达成,但是在无法增强设备受干扰能力的情况下,辐射量如何能够控制,就是未来高功率无线电力传输的技术关键之一。 

传输功率遽增 电气安全性须多留意

大多人都以为采用无线传输电力,电线就会真的不见了,其实只有接收端与传输端中间那条线不见而已,目前的无线传输电力两侧仍然需要进行交流电压的转换。因此,所有有线电力传输的安全性问题,在目前的无线电力传输系统都仍然存在,只是有安全危险的位置移转出充电区域而已。 

由于无线传输电力是透过两个线圈的感应,目前为了让第二线圈能有足够的电压与电流进行充电,一般直流通用序列汇流排(USB)供电端(如行动电源、笔记型电脑等)除非加上直流转交流装置(变频器),否则就无法做为提供无线充电的电源。因此,目前无线传输电力发射器,都必须挂上一个变压器,与建筑物的交流电源连接,因此原本接到行动设备的电源连接器,就移转到了发射器上;本来可以透过USB简化的连接线设计,却又多出了一条电源线。目前所见,无论是WPC或A4WP均没有提到电源供应器的安全问题,也直接把问题留给了各国商品安全标准。 

慎防漏电问题 内建接收器安全有保障

为了减少接收器与发射器外接所造成的麻烦,WPC首先推出接收端内建的潮流,PMA与A4WP也随之推出了内建式发射设备的想法。由于无线传输电力透过的是线圈与广大的平面,因此发射端内建于家具或设备中成了较为可行的概念。 

然而,一旦为了扩充使用者数量,且须维持充电品质时,广大的桌面上就必须具备多个热点,在电源功率必须跟着随着热点增加而提高的情况下,内埋提供无线传输电力系统的家具,也因具有电源供应设备的角色而有产生漏电或火灾的危险,造成使用环境的安全疑虑。 

未来新式无线电力传输设备希望能达到一机多用的目标,屏除一对一卡槽的设计,也就是能够达到类似于电源延长线的功能。目前市售产品的设计是透过外接的接收器进行接电,换句话说,只要是接上接收器的电子产品,都可以取得发射器供应的电磁场。多孔延长线等供电设备都因为本身的电线粗细、塑胶材料绝缘性要求而设有安全的供电上限,或者避免因为过载而造成供电设备过载的绝缘性问题,亦必须防止过热造成的火灾问题。 

即使解决了操作频率、电磁干扰,无线电力传输业者还要解决一个安全上的难题,也就是磁场对于金属所产生的涡电流问题。电磁炉就是利用变化的电磁场,在金属材料上产生涡电流而达到加热目的的电机设备,同理,当无线充电发射端产生变化的电磁场时,路径上的金属材料都容易产生涡电流,而接收端的设备一定是有金属材料,如果涡电流无法做功,就会以热的形式耗散能量,但是如果针对已正在运作的电路,涡电流就可能会导致线路中电流或电压的增加,进而造成设备不正常运作。 

有鉴于此UL 2738是全球首部针对小型无线充电设备的相容性安全测试标准,在2010年10月14日由UL首次提出,并于2011年3月11日生效,也能够搭配携带式资讯产品安全标准(IEC/UL 62368-1)或电源供应设备安全标准(UL 1310/UL1012),做为一体化电子电机产品的电气安全标准。 

综上所述,行动设备透过电磁感应原理进行的无线充电设备仍有许多安全上的挑战必须克服,唯有功能加上安全,才能让使用者享受无线充电便捷。 

关键字:无线充电安全测试

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/1202/article_28370.html
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