IEC 60884-3-1標準要點解析及產品改善建議

付 杰 王凌霄 余 嘉 江朝軍 管 丹

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

引言

伴隨科技的發展以及人們消費觀念的轉變，市面上存在越來越多的多功能插座，而由于手機用量的日益增加，導致帶USB 充電功能的插座變得非常普遍。而現有的插座標準無法涉及到電源模塊這一塊的安全要求，所以對于帶USB 電源模塊的插座的安全認證與測試存在迫切的需求。鑒于此，國際電工委員會于2021年正式發布了第一版的帶USB 電源模塊插座特殊要求的標準，即IEC 60884-3-1，此項新的標準屬于IEC 60884-1（家用及類似用途插頭插座 第一部分：通用要求）范疇，在通標基礎上增加了電源模塊的特殊要求。主要針對USB 電源模塊的安全與EMC。本文將會對安全規范方面主要的關鍵要求與測試方法進行說明與闡述，方便此行業的相關研發和測試人員更快的了解標準，從而能快速掌握最新要求。

1 結構要求

1.1 內部線及固定要求

對于帶USB 電源的插座，在標準13 章和第14 章[2]里面分別對固定式插座和移動式插座中的內部導線進行了規范要求。明確定義內部線即使松脫也不能導致產品出現安全風險，對于錫焊連接的端子必須要求機械固定，比如采用勾焊（見圖1），套熱縮管和打膠固定的方式。對于內部線即使位移和松脫也不會導致爬電距離和電氣間隙變小的結構則對內部線不做以上要求（比如一些次級電路線，即使松脫也不會橋接初次級電路）。對于內部絕緣線的溫度和電壓等級必須滿足實際產品的要求，溫度值需通過溫升測試來判斷合適與否，工作電壓必須高于產品的工作電壓。當內部導線連接不同電壓線路時，電壓條件滿足高電壓電路要求。內部線的固定不能導致電氣間隙和爬電距離減小。

圖1 USB 插座內部結構

1.2 Y 電容的要求

跨接在USB 電源初級與次級間用作加強絕緣的電容，至少為一個額定電壓符合相應線路工作電壓的Y1 電容，兩個或者更多的Y2 電容串聯可以代替單一的Y1 電容。Y1 電容的額定電壓滿足產品電網市電電壓要求，若Y1線路上測量的有效值工作電壓高于電網電壓，Y1 的工作電壓滿足測量電壓要求。工作電壓超過250 V，但不高于500 V 的USB 電源，過壓等級按III 類算，需要使用2個Y1 電容跨接。

2 電氣性能要求

2.1 絕緣電阻和電氣強度

絕緣電阻測試重復IEC 60884-1 中17.2.1 要求，USB電源模塊置于插座線路中，SELV 線路之間與非SELV 線路間絕緣電阻要求大于7 MΩ（電源輸入對USB 端口）；SELV 線路間絕緣電阻大于5 MΩ（如Vbus-GND）。電氣強度測試重復IEC 60884-1 中17.3 中要求，USB 電源模塊置于插座線路中，對于裝置額定大于130 V 的，SELV 線路之間與非SELV 線路間電氣強度要求承受3 750 V 耐壓（電源輸入對USB 端口）；對于裝置額定不超過130 V 的，SELV 線路之間與非SELV 線路間電氣強度要求承受3 000 V 耐壓（電源輸入對USB 端口）；SELV 線路間耐壓要求500 V。這就對于設計過程中要注意控制初次級電氣間隙，變壓器膠帶的包覆和CY 電容的選型等幾個關鍵因數。

2.2 非正常工作狀態試驗要點

標準101章節中提出非正常工作條件下的安全要求，在非正常工作狀態下輸入功率若不超過0.5 W，認為符合要求。非正常包含兩個方面的狀態測試，一個是失效條件下的測試，另一個就是USB 輸出過載狀態下的測試。失效條件主要包含如下幾個狀態：短路爬電距離和電氣間隙不符合標準要求的路徑。短路功能絕緣，如清漆和搪瓷。短路或斷開半導體器件。短路電解電容。短路或斷開不符合IEC 62368-1 附錄G 要求的電阻和電容；短路USB 電源的輸出端。PCB 上跨接雙重絕緣或加強絕緣的元件無需進行失效測試，如隔離變壓器，Y1 電容，光耦或類似元件，若USB 電源模塊元件的溫度由于自動保護裝置動作而受限，過載測試，先按照溫升章節19.101 b)條款執行，但施加額定1.1 倍的工作電壓，USB 輸出接通最大功率負載測試（通過逐漸增大調節USB 輸出獲得，可以是單口也可以是多口同時帶載，由USB 輸出端口的結構而定，USB 輸出最大功率的獲得，一般是保證內部線路或保護元件不動作而又能持續產生最大熱量的狀態）。上述試驗結束后，繼續依據溫升章節19.101 b）條款執行，但電流同時施加在插座和USB 輸出端口上，USB 輸出端口施加最大的輸出功率，插座與USB 端口的總的輸入電流之和達到測試要求電流值。插座端子溫升不可超過55 K。則計算保護元件動作后2 min 的溫度值。

3 溫升試驗要求

溫升試驗在IEC 60884-1 標準19 章基礎上新增19.101 條款，針對插座帶有USB 電源模塊的測試要求。插座按照如下描述的1），2）與3）進行試驗[2]：

1）依據IEC 60884-1 19.1 章節要求測試，USB 電源按正常使用置于插座線路中，但USB 輸出不帶負載。對于接下來的測試要求2）與3）若有接地線路，對接地線路不進行試驗。

2）依據IEC 60884-1 19.1 章節要求測試，插座按照額定電壓和額定電流進行加載，直到達到恒溫或4 h，取兩者時間短的來計算。穩態的定義為溫升不超過1 K/h。USB 輸出按照最不利的額定輸出電壓和電流進行帶載。也就是說USB輸出和AC插孔同時工作條件下進行試驗。當在執行測試條款2）時，USB 帶有過溫保護功能且過溫保護動作，需要依據條款3）要求重新試驗。

圖2 USB 輸出與AC 插孔同時帶載

3）重復上述測試條款2）的試驗步驟，但插座插孔不予帶載， USB 輸出按照最不利的額定輸出電壓和電流進行帶載,過溫保護裝置不可動作。

在進行2）與3）過程中，測量點溫升不可超過表101 中對應的19.101 欄規定溫升限值。測試結束后產品功能要求正常。

4 機械強度要求

24章節中機械強度增加了對USB端口部分的要求，在24.10（多孔插座的跌落試驗）[1]測試結束后，需進行USB 部分初次級間的耐壓試驗。同時增加24.101 條款[2]，針對于USB 端口的執行如下3 個項目的機械強度試驗：

1）USB 端口的橫向應力試驗，使用標準USB 頭（符合IEC 62680 尺寸要求）插入USB 端口，施加0.2 N.m的應力，扭力施加在測試插頭上，持續時間60 s+5 s，然后旋轉90 °，共4 個方向測試。

2）USB 端口在插入過程中所承受的機械應力試驗，先使用相應的USB 插頭對端口進行50 次的插拔試驗，然后USB 測試插頭垂直與USB 端口時間40 N 的力，維持1 min 再拔出試驗插頭。

3）USB 端口擺錘沖擊試驗，等效重量250 g，測試條件和步驟依據IEC 60884-1 24.1 方式執行，高度為80 mm，測試施加軸向力在USB 插頭上（USB 插頭插入到USB 端口中）。

上述測試結束后，產品不可出現以下安全風險，如測試指接觸帶電部件，初級線路短路，爬電距離和電氣間隙變小，USB 電源出現有可能引起安全的位移等。

5 EMC 要求

EMC 的測試在本標準中進行了具體的說明（抗擾度測試見圖4），且對測試的負載和線有了具體的規定，要求USB 端口Vbus 與Groud 間的容抗為（1±0.1 uf），容抗具有典型的等效串聯阻抗（阻抗要求在10 kHz 時0.6 Ω；1 MHz 時0.0 1Ω）。測試負載線要求至少為1 m 的屏蔽線，USB 電線有專用的電源回路導線，電源回路不可經過屏蔽層。傳導發射符合IEC 61000-3-2 要求，輻射發射要求符合CISPR Class B 要求。

圖3 溫升測試限值

圖4 EMC 測試項目

6 結合上述要點陳述對現有產品開發的一些改善建議

產品在結構設計時，USB 電源的PCBA 上的輸入線需要額外的機械固定（如：勾焊，打膠固定，套管方式等），內部走線需要避開銳邊和次級金屬部件。橋接初次級的引線需要可靠固定，防止因脫落導致可觸及的USB 端口帶電，銅件上可以采用點焊和勾焊的方式，點焊的線不宜太細，容易斷絲脫落。（建議至少0.5 平方以上），PCBA上的線可以打膠或通過倒扣方式來固定，電壓要求300 V，溫度建議選擇至少105 ℃的，80 ℃在溫升測試時線皮溫度容易超標。

在Y 電容選型時，要注意相關產品標準對帶USB 插座的過壓等級的分類，比如英國插座過壓等級為OVC III（電源瞬態過壓4 000 VPeak），所以在Y 電容選用時需要選兩個Y1 電容串聯或者在PCB 初級電路加MOV，MOV 需要串聯溫度保險絲。

溫升測試里面增加了USB 與插座同時帶載測試的要求，內部環溫會增加，這里面的難點就在于插座部分的端子溫升45 K，比較容易受到電源部分高發熱元件的影響，如功率MOS，變壓器，同步整流芯片等高發熱元件。所以建議在結構允許的情況下，盡量將插座端子遠離USB 模塊。若因結構受限，需要在保證插座部分自身低溫升條件下，選用效率比較高的電源方然，減少功率元件的熱損耗，降低電源的自身溫升或盡量通過給電源發熱元件散熱的方式去降低整個內部溫升（如通過導熱膠，散熱片）（見圖5，圖6，表1驗證數據）去保證溫升的符合性。為保證產品順利通過非正常狀態下溫升試驗和單一失效試驗，USB 電源模塊在應選用合適規格的保險電阻和慢熔斷保險絲（快熔斷保險容易受到通電時浪涌電流造成的損壞），同時IC 過流保護的閥值設計不應太大，過流點越大，USB 過載測試時內部元件的溫度也會更高，容易導致插座端子超過55 K，適當的過流設置能更有利于測試的通過。單一失效過程中，保險裝置的及時保護可以防止內部溫度過高和起火，能有效的保證產品安全和滿足測試要求。

圖5 導熱膠給變壓器散熱

圖6 散熱墊給芯片扇熱

表1 測試驗證數據

由于此標準不允許存在功能接地線路，對于產品內部走線復雜的產品，在EMC 傳導和輻射測試時容易超標的情況，在電源初級可以選用X 電容和濾波電感來降低電磁噪音，同時可以將內部線盡量避開高頻線路元件如：變壓器，MOS 管，驅動芯片等。對于浪涌測試容易失效的條件，建議保險絲和整流橋的選型，整流橋耐壓至少1 kV，保險絲盡量選慢斷型。

7 結語

新的標準對未來的USB 插座帶來了更精準的安全定義與說明，將插座與電源的安全合二為一來考量，彌補了現有認證測試機制中的分別評估的漏洞，給未來多功能的產品發展也有一定的指導意義。本文通過以上對帶USB 電源插座的標準條款要點闡述與說明，將標準中的關鍵要求與測試參數進行了解析，對于產品的的開發設計結合標準的要求提出了相關的改善建議，希望能給相關從業人員帶來一定的參考作用。