無線充電器安全測試需求與分析

李 響，何 佳，董奇峰

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

無線充電技術能夠讓很多需要充電的便攜式設備擺脫充電線的束縛，具有十分廣闊的應用前景。世界上主要的電子產品制造商和無線充電標準組織已經研究并編寫了無線充電產品的安全性、兼容性等標準。但是，目前中國還沒有相應的無線充電安全測試國家標準。沒有任何準入制度對無線充電產品的安全性進行約束，這也就導致了人們在使用無線充電時的安全無法得到保障。

1 無線充電器發展現狀

傳統充電器作為手機等電子產品的重要配件是必不可少的設備，但新興的無線充電器在近一兩年才逐步獲得消費者的關注。隨著電子產品的豐富化，充電器太多，導致充電不統一，很麻煩。于是無線充電器的產生就是為了解決這個問題的。雖然三星早在很多年前就已經關注這個問題，但是直到最近，蘋果的最新系列手機等產品都全線支持無線充電，它才真正得到了人們的關注。

當下，世界上主要的無線充電主要集中通過3種方法來實現傳輸能量：電磁場感應、無線電波傳輸和共振作用。Qi是世界上第一個推廣無線充電技術規范的標準化組織（WPC）發布的無線充電規范標準，它是基于電磁場感應原理來傳輸能量的，符合Qi規定的無線充電設備可以使用其專有的Qi標識（見圖1）。目前可以支持Qi無線充電方式的手機有很多，蘋果、三星、華為等品牌都在自己的產品里加入了無線充電功能。這使得無線充電的大范圍應用成為可能。

圖1 Qi標識

起初，無線充電器的發展比較緩慢，其充電的時間過于長，以致人們大多隨身攜帶充電寶以防止電量不足。于是為了增加無線充電的效率，目前主流廠商都采用了更高效的快速無線充電協議。如：蘋果7.5W充電協議、三星10W快充方案、華為15W快速充電技術等。使用快速無線充電技術，讓使用者的充電時間大幅減小。未來可見，無線快速充電技術的發展，能夠使電子產品的充電更佳方便，減少空間和速度的制約。

不僅充電速度在提升，無線充電器在其他功能方面也有顯著發展。比如某些無線充電器含有不止一個發射線圈，它的感應區域非常大，充電狀態極其穩定，不會時斷時連。某些兼容豎放的無線充電器，使用者可以在充電時看視頻刷微博。另外為了無線充電過程的安全，部分無線充電器支持最新的智能充電管理技術。綜上，可以看見無線充電器的發展是快速而全面的。

2 無線充電器安全測試需求

無線充電器的工作方式特殊，無需與電子產品通過線纜連接，即可為電子產品中的電池傳輸電量。為了保護廣大消費者人身安全，必須對無線充電器進行全面的檢測，尤其是當前廣泛應用Qi標準的無線充電技術產品。這些產品雖然都是基于電磁感應原理進行充電，但由于所用的芯片方案的不一樣，導致不同品牌的無線充電器質量也不盡相同。例如：在無線充電器通電情況下，在充電底座平面上放置一個金屬異物（如硬幣、耳環等），假如這一刻異物檢測（FOD）功能由于某種原因而失效，亦或是其產品就不具備異物檢測功能的話，這個金屬異物會在短時間內加熱到很燙（一般能達到上百攝氏度），對使用者及周邊造成潛在的危險。正是出于對無線充電器產品的質量擔憂，近來國際上也對無線充電產品加大了監管力度。

2018年的時候，加拿大衛生部發表了一則無線充電器的召回公告，因為該產品存在不小的安全隱患，監管機構收到了一份無線充電器使用過程中發生冒煙的投訴。出現質量問題的產品類型為：cu9419，為中國制造。最重要的一點是，此無線充電器從未經過Qi標準測試獲得Qi認證。而且這些無線充電器在美國和日本也發生過幾起事故。因此，一旦產品配備的無線充電器出現問題，在國際上就會面臨召回、停售等處罰，從而使市場上的相關產品質量得到保障。

由于我國目前沒有對無線充電器進行監管，導致市場上的產品很難保證質量，通過給出無線充電器的測試評估方案，在一定程度上可以彌補市場監管的缺失，保證人民群眾的使用安全。并且相關廠商可以通過測試結果來判斷產品的質量好壞，對預先采購相關配件提供了理論依據。

3 無線充電器安全測試分析

世界大部分國家對電子產品都有認證的要求，特別是對安全認證的要求。我國的強制性認證標準GB4943.1-2011《信息技術設備安全第1部分：通用要求》就是為電子產品的電氣安全保駕護航的。該標準的宗旨為對信息技術產品的設計、生產和使用中的安全起指導性作用。雖然無線充電器是一個新興的產品領域，普及度遠不如傳統有線充電器那么高，但我們可以類比傳統充電器適用的標準來考核其質量，畢竟無線充電器也是要接入220V供電的。

為了保護廣大消費者人身安全，GB4943中制定了詳細的測試要求，例如：電擊和能量危險的防護、布線、元器件核查、標記和說明、電氣絕緣、機械強度、結構設計、外殼的開孔、電池、印制板可燃性等等檢測項目，由此可見對于波及到操作者人身安全的問題，需考查的項目非常繁瑣復雜，所以我們需要有針對性的選擇測試項來考核無線充電產品。

由于無線充電器傳輸效率的問題，其工作時會散發出不少的熱量，如果這些熱量沒能及時排出，就會致使產品外殼內迅速升溫，當達到外殼燃點時，外殼就會被點燃從而引發相關危險。所以無線充電器的溫度監控和外殼、PCB的阻燃為考核的重點項目。

還有一點需要考慮的是市面上絕大部分的無線充電器都是基于Qi標準設計的。使用Qi標識的設備必須通過嚴格測試，以保證其安全性、充電效率和互操作性。我們從使用者的角度來考慮，認為安全性是廣大群眾最為關心的，畢竟人身安全才是產品立足的根本。因此Qi要求中的異物檢測（FOD）項目也應該是我們的考核重點。

下面，我們簡單介紹一下重點考核項目的具體測試法。

3.1 溫升測試

為了評價在產品正常工作條件下的安全性能，進行發熱試驗是很有必要的。產品長期處于過高溫度，直接的傷害為造成燙傷或使產品某些零部件可能成為引燃源。間接地傷害為影響產品自身材料的絕緣性能或機械性能。

對于無線充電器來說，我們必須考慮人體可能接觸的設備任意外表面，并要分析內部元器件的發熱情況，對重點發熱部位進行溫度的監控，以防止過熱引起的危險。

針對無線充電器的溫升測試，需通過產品的工作原理，初步選取理論上溫升高的點位，然后用熱電偶法測量并記錄這些位置的溫度，等待溫度平穩后，記錄最高的溫度數值。

為了更準確地找到無線充電器的最大發熱點，我們可以通過熱像儀對無線充電器的發熱情況大致掃描，雖然精度不算高，但為之后選擇熱電偶點位提供了方便。

有一點需要注意的是，無線充電器內部溫升點布置結束后，需要安裝好被測設備，使無線充電器外殼緊密合好，以防止增加散熱開口從而導致測試結果的偏差。

由于無線充電器是發熱量和冷卻量不依賴環境溫度的設備，試驗在制造廠商規定的工作范圍內的任何環境溫度值下進行，在此種情況下，其溫度的最大值不得高于：

T不得超過（Tmax＋Tamb－Tma） （ 1）

式中，T為實際測試溫度；Tmax為標準要求的溫度限值；Tamb為測試時的環境溫度；Tma為制造商自行規定的最大環溫或25℃（溫帶），取兩者較高的。

測試應在最不利的電源電壓下，也就是在額定電壓或額定電壓范圍的上限和下限來進行溫升試驗。由于無線充電器在日常使用時大多是在室內的，我們應最可能的模擬真實情況，在室溫下進行發熱試驗。

3.2 防火測試

控制火焰蔓延是一種被動的保護方法，我們可以選擇和使用元器件、配線和材料的附加安全防護來減小火焰蔓延。必要時，使用第二重附加安全防護，例如防火防護外殼。這種方法適用于任何類型的設備。還有一種方法為隔離法。當有要求時，為了減小持續火焰燃燒或火焰蔓延的可能性，在潛在引燃源和可燃性材料之間最低限度的隔離要求可以利用距離隔離或使用防火擋板隔離來實現，這種隔板在一定情況下可以是符合要的PCB板。所以無線充電器的外殼及內部PCB板的防火性能需要達標，才能保證火災發生時，不蔓延火焰，將損失降到最低。

GB4943.1-2011標準規定應適當采用元器件以及采用適當的結構，使高溫引起的引燃危險減小到最低限度。所以我們需充分考慮無線充電器的潛在引燃源，再結合其自身的產品結構，可以對產品的上下殼體、PCB電路板做針焰防火測試。這樣就能考核產品對于火焰的意外發生是否可以起到抑制蔓延的作用。

針焰試驗方法是模擬電子設備在故障條件下如損耗電流流經泄漏通路、元件過載、接觸不良等局部小火焰是否會引起附近元件起火。試驗所用的外殼等材料必須為完整部件，火焰的氣源為丁烷（純度不低于95%），火焰施加位置見圖2。

圖2 針焰試驗裝置（單位為毫米）

3.3 異物檢測（FOD）

異物檢測是無線充電器最重要也是最不可或缺的安全功能。異物檢測中的異物主要為鐵磁性金屬，例如圖釘、硬幣等。鐵磁性金屬自身為一個閉合的回路。當其放在變化的磁場中時，穿過此閉合回路的磁通量便會發生改變，進而在鐵磁性金屬內部產生感應電流。感應電流在金屬內部流經便會發生損耗從而致金屬開始發熱，這就是渦流效應。無線充電系統正常工作時，在發射端與接收端間會存在變化的磁場，當金屬異物出現在磁場中，金屬就會升高溫度。溫度達到一定程度就可能損壞無線充電產品。異物檢測的作用就是當有異物放在無線充電底座上面時，無線充電器要有能力把它檢測出來，以防異物在無線充電工作時發熱造成相關危險。下面我們以最常見的手機無線充電器為例，來對異物檢測的具體實施方法進行說明。

為了模擬現實生活中的情景，需要準備標準金屬異物來代替日常生活經常能看見的金屬小件物品，例如硬幣、回形針等。試驗中，有三種標準金屬異物，分別為鋼片、鋁環和鋁箔，期間通過熱電偶法，來測量金屬異物有無過高溫升。將無線充電器置于溫度在25℃±5℃的室內，將異物置于與無線充電器直接接觸位置逐一進行試驗，每次試驗有以下四個步驟：一是不使用手機，異物直接與無線充電器接觸；二是手機置于與異物直接接觸位置；三是手機置于與異物相隔2mm位置；四是手機置于與異物相隔5mm位置。每個循環中，可在無線充電器上移動異物以便找到產生最高溫度的位置。測試中，異物的溫度應不超過表1中T的值。實際判定結果時，可以根據金屬異物的種類，判斷出接觸時間，即可找到對應的限值。

表1 可觸及零部件的接觸溫度限值

4 結束語

近年來，由于無線充電技術的發展，各大手機廠家也相繼發布了支持無線充電的產品，這也使得很多廠家開始研發制造相關的無線充電器。隨意打開淘寶，無線充電器五花八門，價格不一。并且，無線充電設備未來將廣泛應用于國防建設、航空航天、通信等領域，涉及國家安全、科技發展和人民生活多個方面。然而，我國目前并沒有無線充電設備的相應準入制度，在保證無線充電產品的安全性方面無據可依，不能在源頭上保障消費者的使用安全。為了減少無線充電產品在制造、銷售、使用過程中可能出現的種種問題，我國急需建立完善的市場準入制度，以保證流入市場的無線充電產品對國家和人民不會產生危害。

本文根據無線充電器工作的基本原理和特點，分析了無線充電器的測試需求，并利用相關的國內外標準，提出了需重點考核的測試項目和方法，項目包括：溫升測試、防火測試和異物檢測。這對于我國建立無線充電產品的市場準入制度，可以提供一些有益的幫助。并且無線充電器的設計者也可參考其中的一些要求進行產品研發和預測試。最后也期望，隨著無線充電技術的迅速發展、市場準入制度的不斷完善，越來越多的無線充電產品將會給人們帶來安全而便捷的生活體驗。