IC限流器在音視頻、信息技術標準中的測試要求和應用前景

陳俊鵬

摘要：首先，介紹了GB 4943.1 —2022 標準中各類功率源的分級要求和不同功率源所要求的安全防護等級。其次，通過介紹一種集成電路（integrated circuit，IC）限流器的工作原理和內部結構，分析IC 限流器在GB 4943.1 —2022 標準中測試要求的合理性。最后，介紹了IC 限流器在GB 4943.1 —2022 標準中的測試方法和所需的儀器配置，IC 限流器的限流作用可以幫助電子產品降低防火等級，其在電子產品領域具有廣泛的應用前景和良好的經濟效益。

關鍵詞：IC 限流器；GB 4943.1 — 2022 標準；功率源；防火防護外殼

中圖分類號：TN40；TM471；G307 文獻標識碼：A

0 引言

GB 4943.1 — 2022 標準于2023 年8 月1 日正式實施，代替GB 4943.1 — 2011 標準和GB 8898 —2011 標準。GB 4943.1 — 2022 標準修改采用IEC62368-1：2018《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1 部分：安全要求》。在GB 4943.1 — 2022標準中，引起發熱的電能量源可以劃分為功率等級1 級功率源（power source class 1，PS1）、PS2、PS3，不同功率等級對設備安全防護的要求也有所不同，功率源等級越高，其要求的安全防護（防火等級）也越高。此外，此標準6.6 條款（連接附加設備引起著火的安全防護）中要求傳遞連接設備或附件的功率應被限制在PS2，或應符合附錄Q.1 [1-2]。這就要求設備如電腦、顯示器、電視等的數據輸出口，特別是通用串行總線（universal serial bus，USB）端口的功率等級必須限制在PS2 及以下或符合附錄Q.1 的要求。而這些端口通常采用集成電路（integrated circuit，IC）限流器來限制功率輸出，從而滿足標準要求。

1 IC限流器在GB 4943.1—2022標準中應滿足的要求

IC 限流器主要用于USB 端口和一些可攜帶式設備的內置鋰電池，通過限制電流輸出來限制輸出功率，從而將輸出功率限制在PS2 及以下。如果由于外部環境因素（過高的溫度或過低的溫度等）、長時間連續的通斷工作、異常工作或單一故障（輸出過載或短路等），導致IC 限流器失效，原本限制在PS2 及以下的功率源變為PS3，使得只需要基本安全防護的設備不能滿足標準要求。因此IC 限流器的可靠性直接影響設備安全防護等級的要求。GB 4943.1 — 2022 標準中的附錄G.9 規定了IC 限流器的測試要求，其至少需要6 個樣品，并且按照表G.11 的程序要求進行試驗。其試驗程序包括高低溫的預處理、IC 限流器使能端（EN/ENB）的打開和關閉循環、輸出的短路和輸出的過載等，測試要求主要考核IC 限流器的可靠性。IC 限流器作為限制功率源等級的主要元器件，必須要有充足可靠的性能，才能保證其所搭載的設備不會因為外部環境因素、異常或單一故障而使原本的PS1 或PS2 變成PS3，從而導致設備不符合標準要求。

2 IC限流器的工作原理和測試方法

IC 限流器內部主要是由場效應晶體管（fieldeffect transistor，FET）來限制輸出電流，內部利用集成控制電路（Control）來控制芯片的不同狀況。以某公司的IC 限流器為例，圖1 為IC 限流器內部結構，其中，Fault Delay 表示故障延遲電路，OCB 表示故障條件錯誤標志，GND 表示接地。IC 限流器輸入（IN）引腳和輸出（OUT）引腳之間串聯一個結型場效應晶體管（junction fieldeffect transistor，JFET），該JFET 的柵極由內部控制電路控制。正常狀態下，JFET 是導通的，當柵極與輸出引腳電壓減小到JEFT 的導通電壓以下時，該JFET 漏—源之間的導電溝道會被夾斷，JFET 截止，起到保護電路的作用。EN/ENB 引腳為IC 限流器的使能端，控制IC 限流器的工作狀態，外部電路也可以通過該引腳來控制IC 限流器的開啟和關閉。該引腳的可靠性是GB 4943.1 — 2022 標準中對IC 限流器測試要求的重點考核項目，標準中表G.11 試驗程序的第1、2、3、7 行都是對該引腳的循環開關試驗。因為當IC 限流器內部出現故障不能對過流進行保護時，設備可以通過該引腳來關閉IC 限流器，以保護電路，限制功率輸出。該IC限流器內部還集成了欠壓鎖定電路（UVLO）、過流保護電路（OCP）、驅動電路（Driver）、過溫保護電路（OTP）。與IC 限流器的使能端引腳一樣，當IC 限流器出現欠壓、過流、過溫等情況時，這些內部保護電路可以通過內置的控制電路控制輸入端和輸出端之間的JFET，來限制IC 限流器的輸出，從而保護電路。由于該內置的保護電路和控制電路都是由FET 組成，一個IC 限流器內集成了幾十萬個FET，而在電場力的作用下，晶體管內的載流子通過漂移運動來工作。半導體材料具有熱敏性，晶體管的參數幾乎都與溫度有關。在高溫環境下，晶體管內的載流子熱運動加劇[3]，增大了正常工作中IC 限流器的電流，使原本能控制JFET 截止的電壓，因為溫度升高，而不能截止，并且有可能使設備的功率源等級發生跳級，導致設備不符合標準要求。在低溫環境下，晶體管內的載流子運動減弱，IC 限流器內的控制電路也可能無法正常工作，進而不能有效限制功率的輸出。由此可見，環境溫度對IC 限流器的性能參數產生了重大的影響。GB 4943.1 —2022 標準對IC 限流器的考核還考量了不同環境溫度的影響，在表G.11 試驗程序中的預處理條件是將樣品在70℃ 和-30℃ 下進行預處理3 h，然后再進行相關的試驗，試驗后樣品應按其適用的規格限制電流或器件開路[1]。

圖2 為IC 限流器的外圍電路，其中，Pull-UpResistor 表示上拉電阻，Supply Voltage 表示供應電壓，Over-Current Signal 表示過流信號輸出，ChipEnable 表示芯片使能端，Vbus 表示USB 電壓。外圍電路主要是串聯在輸出電路中，設備可以通過OCB 輸出判斷IC 限流器是否出現故障，從而通過使能端（EN/ENB 引腳）關閉IC 限流器。輸入/ 輸出引腳上的電容主要是吸收IC 限流器輸入/ 輸出端產生的尖峰電流。一般IC 限流器的封裝非常小，長度通常只有幾毫米，其外圍引腳也非常密集，在進行測試時，很難對引腳進行外接器件，所以需要廠商把IC 限流器焊接在已經布置完成的印刷電路板（printed circuit board，PCB） 上進行送樣測試（圖3）。

IC 限流器的測試原理如圖4 所示。在儀器配置中，輸入端需要一個直流穩壓電源，根據GB4943.1 — 2022 標準中表G.11 的器件輸出負載要求，輸出端需要1 個直流負載、若干個0 Ω 的電阻和若干個470 μF 的電容。由于IC 限流器需要在高低溫環境下具有很高的可靠性，所以需要一個至少能提供-30 ～ 70℃ 溫度環境的高低溫試驗箱。在GB4943.1 — 2022 標準中表G.11 測試要求的第1 行中，需要對使能端進行打開和關閉10 000 次循環，因此在使能端和輸入引腳間接入一個開關，同時在使能端與地間接一個510 kΩ 左右的下拉電阻，防止在IC 限流器使能端工作時（開關閉合），外接電源直接短路，對電源造成損傷。在進行10 000 次使能端試驗時，只需對開關進行通斷10 000 次試驗，并且使用開關壽命試驗機（測試開關壽命）來替代IC限流器的使能端循環試驗。

3 IC限流器的應用前景

IC 限流器在電子產品中的應用廣泛，特別是其限流作用，可以將設備內的功率源降低到PS2 甚至PS1 以下，從而降低設備防火外殼的要求，降低設備成本。特別是在一些帶二次鋰離子組的設備中，按照GB 4943.1 — 2022 標準中M.4.3 條款的要求，只要二次鋰離子電池組的功率源超過PS1，就要依據6.4.8 條款提供防火防護外殼。而《全國電子產品安全標準化技術委員會決議 第009 號》提出，二次鋰電池組的組成電池的外殼不認為是電池組的外殼，不論其是否滿足防火的要求，都不能作為二次鋰電池組的防火防護外殼。這就要求只要二次鋰電池組的輸出功率源高于PS1，其整機外殼就需要防火外殼，而作為電阻性引燃源的二次鋰電池組如果離外殼的距離小于5 mm，根據GB 4943.1 —2022 標準中6.4.8.4 條款的要求，整機防火外殼甚至需要滿足附錄S.2 條款的要求或使用垂直燃燒0級（V-0 級）的材料，這大大增加了設備的成本。而在一些小功率設備中，特別是帶二次鋰離子電池組的藍牙音箱（支付寶、微信使用的收款音箱等），往往為了增加續航而使用較大容量的鋰電池，使得電池輸出的功率源大于PS1，這樣的設備就需要至少垂直燃燒1 級（V-1 級）的防火外殼。如果在這些電池的輸出端使用IC 限流器，將電池的功率源限制在PS1 及以下，設備外殼就不再需要防火防護外殼，僅需水平燃燒（HB）材質的外殼即可，大大降低了設備的成本。

GB 4943.1 — 2022 標準中定義在正常工作條件下30 s 后測量，耗散功率大于15 W [1] 的引燃源為電阻性引燃源。由其6.5 條款（內部和外部布線）可知，在PS2 電路和PS3 電路中，內部或外部布線上的絕緣應滿足GB/T 18380 系列標準或GB/T5169.23 標準的阻燃要求。因為這些給PS2 或PS3電路供電的內部或外部線材，可能是直接連接在電阻性引燃源上，存在起火的風險，所以這些線材需要滿足阻燃要求。上述描述的功率源大于PS1 的鋰電池組，有的也會用到排線，這些排線也要滿足防火要求，這無疑增加了設備成本，所以將鋰電池組的功率源降低至PS1 及以下的IC 限流器可以節省設備塑料外殼和電池排線的成本。在一些小功率電子產品中（云終端等），會使用直流風扇以降低設備的溫度。這些直流風扇額定功率非常小，如果按其額定功率計算不會超過PS1，但為其供電的主板一般沒有限流設計，其最大功率輸出可超過PS1。如圖5 所示，某網絡終端風扇輸出端口最大輸出電流可達8.350 A，最大功率輸出甚至達到75.951 W，遠遠高于PS1。如果這些風扇供電端未使用IC 限流器，這就要求這些風扇排線也必須滿足GB 4943.1 — 2022 標準中6.5 條款的阻燃要求，增加了設備的成本。

4 結語

IC 限流器在電子產品中的應用可以有效限制功率輸出，降低產品外殼和內外布線的防火要求，但作為集成了大量晶體管的IC 限流器芯片，其工作狀態受環境溫度影響較大，必須具有良好的可靠性，若其限流失效，將直接影響設備的安全性能。因此作為設備中的安規關鍵元器件，其必須先通過GB 4943.1 — 2022 標準中附錄G.9 的試驗。這些IC限流器體積小，可以廣泛應用于各類電子產品中，但是IC 限流器在電子產品整機進行試驗時，需要6 組樣品，會耗費較長的時間。對于整機認證時間有要求的，可以采購經過認證的IC 限流器，這樣不但可縮短認證周期，還可節省使用高阻燃材料而產生的成本費用。綜上，IC 限流器在電子產品中具有很重要的實用價值和經濟效益。

參考文獻

[1] 國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會. 音視頻、信息技術和通信技術設備 第1 部分：安全要求：GB 4943.1 —2022 [S].北京：中國標準出版社，2022.

[2] Audio/video，information and communication t e c h n o l o g y e q u i p m e n t – p a r t 1 ： s a f e t yrequirements： IEC 62368-1：2023[S/OL].[ 2 0 2 4 - 0 1 - 2 0 ] . h t t p s ： / / w e b s t o r e . i e c . c h /publication/85813.

[3] 劉斌. 現代電工理論知識講座（七）[J]. 家電維修（大眾版），2009（7）：46-48.