无线充电器安全测试需求与分析

李 响，何 佳，董奇峰

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

无线充电技术能够让很多需要充电的便携式设备摆脱充电线的束缚，具有十分广阔的应用前景。世界上主要的电子产品制造商和无线充电标准组织已经研究并编写了无线充电产品的安全性、兼容性等标准。但是，目前中国还没有相应的无线充电安全测试国家标准。没有任何准入制度对无线充电产品的安全性进行约束，这也就导致了人们在使用无线充电时的安全无法得到保障。

1 无线充电器发展现状

传统充电器作为手机等电子产品的重要配件是必不可少的设备，但新兴的无线充电器在近一两年才逐步获得消费者的关注。随着电子产品的丰富化，充电器太多，导致充电不统一，很麻烦。于是无线充电器的产生就是为了解决这个问题的。虽然三星早在很多年前就已经关注这个问题，但是直到最近，苹果的最新系列手机等产品都全线支持无线充电，它才真正得到了人们的关注。

当下，世界上主要的无线充电主要集中通过3种方法来实现传输能量：电磁场感应、无线电波传输和共振作用。Qi是世界上第一个推广无线充电技术规范的标准化组织（WPC）发布的无线充电规范标准，它是基于电磁场感应原理来传输能量的，符合Qi规定的无线充电设备可以使用其专有的Qi标识（见图1）。目前可以支持Qi无线充电方式的手机有很多，苹果、三星、华为等品牌都在自己的产品里加入了无线充电功能。这使得无线充电的大范围应用成为可能。

图1 Qi标识

起初，无线充电器的发展比较缓慢，其充电的时间过于长，以致人们大多随身携带充电宝以防止电量不足。于是为了增加无线充电的效率，目前主流厂商都采用了更高效的快速无线充电协议。如：苹果7.5W充电协议、三星10W快充方案、华为15W快速充电技术等。使用快速无线充电技术，让使用者的充电时间大幅减小。未来可见，无线快速充电技术的发展，能够使电子产品的充电更佳方便，减少空间和速度的制约。

不仅充电速度在提升，无线充电器在其他功能方面也有显著发展。比如某些无线充电器含有不止一个发射线圈，它的感应区域非常大，充电状态极其稳定，不会时断时连。某些兼容竖放的无线充电器，使用者可以在充电时看视频刷微博。另外为了无线充电过程的安全，部分无线充电器支持最新的智能充电管理技术。综上，可以看见无线充电器的发展是快速而全面的。

2 无线充电器安全测试需求

无线充电器的工作方式特殊，无需与电子产品通过线缆连接，即可为电子产品中的电池传输电量。为了保护广大消费者人身安全，必须对无线充电器进行全面的检测，尤其是当前广泛应用Qi标准的无线充电技术产品。这些产品虽然都是基于电磁感应原理进行充电，但由于所用的芯片方案的不一样，导致不同品牌的无线充电器质量也不尽相同。例如：在无线充电器通电情况下，在充电底座平面上放置一个金属异物（如硬币、耳环等），假如这一刻异物检测（FOD）功能由于某种原因而失效，亦或是其产品就不具备异物检测功能的话，这个金属异物会在短时间内加热到很烫（一般能达到上百摄氏度），对使用者及周边造成潜在的危险。正是出于对无线充电器产品的质量担忧，近来国际上也对无线充电产品加大了监管力度。

2018年的时候，加拿大卫生部发表了一则无线充电器的召回公告，因为该产品存在不小的安全隐患，监管机构收到了一份无线充电器使用过程中发生冒烟的投诉。出现质量问题的产品类型为：cu9419，为中国制造。最重要的一点是，此无线充电器从未经过Qi标准测试获得Qi认证。而且这些无线充电器在美国和日本也发生过几起事故。因此，一旦产品配备的无线充电器出现问题，在国际上就会面临召回、停售等处罚，从而使市场上的相关产品质量得到保障。

由于我国目前没有对无线充电器进行监管，导致市场上的产品很难保证质量，通过给出无线充电器的测试评估方案，在一定程度上可以弥补市场监管的缺失，保证人民群众的使用安全。并且相关厂商可以通过测试结果来判断产品的质量好坏，对预先采购相关配件提供了理论依据。

3 无线充电器安全测试分析

世界大部分国家对电子产品都有认证的要求，特别是对安全认证的要求。我国的强制性认证标准GB4943.1-2011《信息技术设备安全第1部分：通用要求》就是为电子产品的电气安全保驾护航的。该标准的宗旨为对信息技术产品的设计、生产和使用中的安全起指导性作用。虽然无线充电器是一个新兴的产品领域，普及度远不如传统有线充电器那么高，但我们可以类比传统充电器适用的标准来考核其质量，毕竟无线充电器也是要接入220V供电的。

为了保护广大消费者人身安全，GB4943中制定了详细的测试要求，例如：电击和能量危险的防护、布线、元器件核查、标记和说明、电气绝缘、机械强度、结构设计、外壳的开孔、电池、印制板可燃性等等检测项目，由此可见对于波及到操作者人身安全的问题，需考查的项目非常繁琐复杂，所以我们需要有针对性的选择测试项来考核无线充电产品。

由于无线充电器传输效率的问题，其工作时会散发出不少的热量，如果这些热量没能及时排出，就会致使产品外壳内迅速升温，当达到外壳燃点时，外壳就会被点燃从而引发相关危险。所以无线充电器的温度监控和外壳、PCB的阻燃为考核的重点项目。

还有一点需要考虑的是市面上绝大部分的无线充电器都是基于Qi标准设计的。使用Qi标识的设备必须通过严格测试，以保证其安全性、充电效率和互操作性。我们从使用者的角度来考虑，认为安全性是广大群众最为关心的，毕竟人身安全才是产品立足的根本。因此Qi要求中的异物检测（FOD）项目也应该是我们的考核重点。

下面，我们简单介绍一下重点考核项目的具体测试法。

3.1 温升测试

为了评价在产品正常工作条件下的安全性能，进行发热试验是很有必要的。产品长期处于过高温度，直接的伤害为造成烫伤或使产品某些零部件可能成为引燃源。间接地伤害为影响产品自身材料的绝缘性能或机械性能。

对于无线充电器来说，我们必须考虑人体可能接触的设备任意外表面，并要分析内部元器件的发热情况，对重点发热部位进行温度的监控，以防止过热引起的危险。

针对无线充电器的温升测试，需通过产品的工作原理，初步选取理论上温升高的点位，然后用热电偶法测量并记录这些位置的温度，等待温度平稳后，记录最高的温度数值。

为了更准确地找到无线充电器的最大发热点，我们可以通过热像仪对无线充电器的发热情况大致扫描，虽然精度不算高，但为之后选择热电偶点位提供了方便。

有一点需要注意的是，无线充电器内部温升点布置结束后，需要安装好被测设备，使无线充电器外壳紧密合好，以防止增加散热开口从而导致测试结果的偏差。

由于无线充电器是发热量和冷却量不依赖环境温度的设备，试验在制造厂商规定的工作范围内的任何环境温度值下进行，在此种情况下，其温度的最大值不得高于：

T不得超过（Tmax＋Tamb－Tma） （ 1）

式中，T为实际测试温度；Tmax为标准要求的温度限值；Tamb为测试时的环境温度；Tma为制造商自行规定的最大环温或25℃（温带），取两者较高的。

测试应在最不利的电源电压下，也就是在额定电压或额定电压范围的上限和下限来进行温升试验。由于无线充电器在日常使用时大多是在室内的，我们应最可能的模拟真实情况，在室温下进行发热试验。

3.2 防火测试

控制火焰蔓延是一种被动的保护方法，我们可以选择和使用元器件、配线和材料的附加安全防护来减小火焰蔓延。必要时，使用第二重附加安全防护，例如防火防护外壳。这种方法适用于任何类型的设备。还有一种方法为隔离法。当有要求时，为了减小持续火焰燃烧或火焰蔓延的可能性，在潜在引燃源和可燃性材料之间最低限度的隔离要求可以利用距离隔离或使用防火挡板隔离来实现，这种隔板在一定情况下可以是符合要的PCB板。所以无线充电器的外壳及内部PCB板的防火性能需要达标，才能保证火灾发生时，不蔓延火焰，将损失降到最低。

GB4943.1-2011标准规定应适当采用元器件以及采用适当的结构，使高温引起的引燃危险减小到最低限度。所以我们需充分考虑无线充电器的潜在引燃源，再结合其自身的产品结构，可以对产品的上下壳体、PCB电路板做针焰防火测试。这样就能考核产品对于火焰的意外发生是否可以起到抑制蔓延的作用。

针焰试验方法是模拟电子设备在故障条件下如损耗电流流经泄漏通路、元件过载、接触不良等局部小火焰是否会引起附近元件起火。试验所用的外壳等材料必须为完整部件，火焰的气源为丁烷（纯度不低于95%），火焰施加位置见图2。

图2 针焰试验装置（单位为毫米）

3.3 异物检测（FOD）

异物检测是无线充电器最重要也是最不可或缺的安全功能。异物检测中的异物主要为铁磁性金属，例如图钉、硬币等。铁磁性金属自身为一个闭合的回路。当其放在变化的磁场中时，穿过此闭合回路的磁通量便会发生改变，进而在铁磁性金属内部产生感应电流。感应电流在金属内部流经便会发生损耗从而致金属开始发热，这就是涡流效应。无线充电系统正常工作时，在发射端与接收端间会存在变化的磁场，当金属异物出现在磁场中，金属就会升高温度。温度达到一定程度就可能损坏无线充电产品。异物检测的作用就是当有异物放在无线充电底座上面时，无线充电器要有能力把它检测出来，以防异物在无线充电工作时发热造成相关危险。下面我们以最常见的手机无线充电器为例，来对异物检测的具体实施方法进行说明。

为了模拟现实生活中的情景，需要准备标准金属异物来代替日常生活经常能看见的金属小件物品，例如硬币、回形针等。试验中，有三种标准金属异物，分别为钢片、铝环和铝箔，期间通过热电偶法，来测量金属异物有无过高温升。将无线充电器置于温度在25℃±5℃的室内，将异物置于与无线充电器直接接触位置逐一进行试验，每次试验有以下四个步骤：一是不使用手机，异物直接与无线充电器接触；二是手机置于与异物直接接触位置；三是手机置于与异物相隔2mm位置；四是手机置于与异物相隔5mm位置。每个循环中，可在无线充电器上移动异物以便找到产生最高温度的位置。测试中，异物的温度应不超过表1中T的值。实际判定结果时，可以根据金属异物的种类，判断出接触时间，即可找到对应的限值。

表1 可触及零部件的接触温度限值

4 结束语

近年来，由于无线充电技术的发展，各大手机厂家也相继发布了支持无线充电的产品，这也使得很多厂家开始研发制造相关的无线充电器。随意打开淘宝，无线充电器五花八门，价格不一。并且，无线充电设备未来将广泛应用于国防建设、航空航天、通信等领域，涉及国家安全、科技发展和人民生活多个方面。然而，我国目前并没有无线充电设备的相应准入制度，在保证无线充电产品的安全性方面无据可依，不能在源头上保障消费者的使用安全。为了减少无线充电产品在制造、销售、使用过程中可能出现的种种问题，我国急需建立完善的市场准入制度，以保证流入市场的无线充电产品对国家和人民不会产生危害。

本文根据无线充电器工作的基本原理和特点，分析了无线充电器的测试需求，并利用相关的国内外标准，提出了需重点考核的测试项目和方法，项目包括：温升测试、防火测试和异物检测。这对于我国建立无线充电产品的市场准入制度，可以提供一些有益的帮助。并且无线充电器的设计者也可参考其中的一些要求进行产品研发和预测试。最后也期望，随着无线充电技术的迅速发展、市场准入制度的不断完善，越来越多的无线充电产品将会给人们带来安全而便捷的生活体验。