IC限流器在音视频、信息技术标准中的测试要求和应用前景

陈俊鹏

摘要：首先，介绍了GB 4943.1 —2022 标准中各类功率源的分级要求和不同功率源所要求的安全防护等级。其次，通过介绍一种集成电路（integrated circuit，IC）限流器的工作原理和内部结构，分析IC 限流器在GB 4943.1 —2022 标准中测试要求的合理性。最后，介绍了IC 限流器在GB 4943.1 —2022 标准中的测试方法和所需的仪器配置，IC 限流器的限流作用可以帮助电子产品降低防火等级，其在电子产品领域具有广泛的应用前景和良好的经济效益。

关键词：IC 限流器；GB 4943.1 — 2022 标准；功率源；防火防护外壳

中图分类号：TN40；TM471；G307 文献标识码：A

0 引言

GB 4943.1 — 2022 标准于2023 年8 月1 日正式实施，代替GB 4943.1 — 2011 标准和GB 8898 —2011 标准。GB 4943.1 — 2022 标准修改采用IEC62368-1：2018《音视频、信息技术和通信技术设备 第1 部分：安全要求》。在GB 4943.1 — 2022标准中，引起发热的电能量源可以划分为功率等级1 级功率源（power source class 1，PS1）、PS2、PS3，不同功率等级对设备安全防护的要求也有所不同，功率源等级越高，其要求的安全防护（防火等级）也越高。此外，此标准6.6 条款（连接附加设备引起着火的安全防护）中要求传递连接设备或附件的功率应被限制在PS2，或应符合附录Q.1 [1-2]。这就要求设备如电脑、显示器、电视等的数据输出口，特别是通用串行总线（universal serial bus，USB）端口的功率等级必须限制在PS2 及以下或符合附录Q.1 的要求。而这些端口通常采用集成电路（integrated circuit，IC）限流器来限制功率输出，从而满足标准要求。

1 IC限流器在GB 4943.1—2022标准中应满足的要求

IC 限流器主要用于USB 端口和一些可携带式设备的内置锂电池，通过限制电流输出来限制输出功率，从而将输出功率限制在PS2 及以下。如果由于外部环境因素（过高的温度或过低的温度等）、长时间连续的通断工作、异常工作或单一故障（输出过载或短路等），导致IC 限流器失效，原本限制在PS2 及以下的功率源变为PS3，使得只需要基本安全防护的设备不能满足标准要求。因此IC 限流器的可靠性直接影响设备安全防护等级的要求。GB 4943.1 — 2022 标准中的附录G.9 规定了IC 限流器的测试要求，其至少需要6 个样品，并且按照表G.11 的程序要求进行试验。其试验程序包括高低温的预处理、IC 限流器使能端（EN/ENB）的打开和关闭循环、输出的短路和输出的过载等，测试要求主要考核IC 限流器的可靠性。IC 限流器作为限制功率源等级的主要元器件，必须要有充足可靠的性能，才能保证其所搭载的设备不会因为外部环境因素、异常或单一故障而使原本的PS1 或PS2 变成PS3，从而导致设备不符合标准要求。

2 IC限流器的工作原理和测试方法

IC 限流器内部主要是由场效应晶体管（fieldeffect transistor，FET）来限制输出电流，内部利用集成控制电路（Control）来控制芯片的不同状况。以某公司的IC 限流器为例，图1 为IC 限流器内部结构，其中，Fault Delay 表示故障延迟电路，OCB 表示故障条件错误标志，GND 表示接地。IC 限流器输入（IN）引脚和输出（OUT）引脚之间串联一个结型场效应晶体管（junction fieldeffect transistor，JFET），该JFET 的栅极由内部控制电路控制。正常状态下，JFET 是导通的，当栅极与输出引脚电压减小到JEFT 的导通电压以下时，该JFET 漏—源之间的导电沟道会被夹断，JFET 截止，起到保护电路的作用。EN/ENB 引脚为IC 限流器的使能端，控制IC 限流器的工作状态，外部电路也可以通过该引脚来控制IC 限流器的开启和关闭。该引脚的可靠性是GB 4943.1 — 2022 标准中对IC 限流器测试要求的重点考核项目，标准中表G.11 试验程序的第1、2、3、7 行都是对该引脚的循环开关试验。因为当IC 限流器内部出现故障不能对过流进行保护时，设备可以通过该引脚来关闭IC 限流器，以保护电路，限制功率输出。该IC限流器内部还集成了欠压锁定电路（UVLO）、过流保护电路（OCP）、驱动电路（Driver）、过温保护电路（OTP）。与IC 限流器的使能端引脚一样，当IC 限流器出现欠压、过流、过温等情况时，这些内部保护电路可以通过内置的控制电路控制输入端和输出端之间的JFET，来限制IC 限流器的输出，从而保护电路。由于该内置的保护电路和控制电路都是由FET 组成，一个IC 限流器内集成了几十万个FET，而在电场力的作用下，晶体管内的载流子通过漂移运动来工作。半导体材料具有热敏性，晶体管的参数几乎都與温度有关。在高温环境下，晶体管内的载流子热运动加剧[3]，增大了正常工作中IC 限流器的电流，使原本能控制JFET 截止的电压，因为温度升高，而不能截止，并且有可能使设备的功率源等级发生跳级，导致设备不符合标准要求。在低温环境下，晶体管内的载流子运动减弱，IC 限流器内的控制电路也可能无法正常工作，进而不能有效限制功率的输出。由此可见，环境温度对IC 限流器的性能参数产生了重大的影响。GB 4943.1 —2022 标准对IC 限流器的考核还考量了不同环境温度的影响，在表G.11 试验程序中的预处理条件是将样品在70℃ 和-30℃ 下进行预处理3 h，然后再进行相关的试验，试验后样品应按其适用的规格限制电流或器件开路[1]。

图2 为IC 限流器的外围电路，其中，Pull-UpResistor 表示上拉电阻，Supply Voltage 表示供应电压，Over-Current Signal 表示过流信号输出，ChipEnable 表示芯片使能端，Vbus 表示USB 电压。外围电路主要是串联在输出电路中，设备可以通过OCB 输出判断IC 限流器是否出现故障，从而通过使能端（EN/ENB 引脚）关闭IC 限流器。输入/ 输出引脚上的电容主要是吸收IC 限流器输入/ 输出端产生的尖峰电流。一般IC 限流器的封装非常小，长度通常只有几毫米，其外围引脚也非常密集，在进行测试时，很难对引脚进行外接器件，所以需要厂商把IC 限流器焊接在已经布置完成的印刷电路板（printed circuit board，PCB） 上进行送样测试（图3）。

IC 限流器的测试原理如图4 所示。在仪器配置中，输入端需要一个直流稳压电源，根据GB4943.1 — 2022 标准中表G.11 的器件输出负载要求，输出端需要1 个直流负载、若干个0 Ω 的电阻和若干个470 μF 的电容。由于IC 限流器需要在高低温环境下具有很高的可靠性，所以需要一个至少能提供-30 ～ 70℃ 温度环境的高低温试验箱。在GB4943.1 — 2022 标准中表G.11 测试要求的第1 行中，需要对使能端进行打开和关闭10 000 次循环，因此在使能端和输入引脚间接入一个开关，同时在使能端与地间接一个510 kΩ 左右的下拉电阻，防止在IC 限流器使能端工作时（开关闭合），外接电源直接短路，对电源造成损伤。在进行10 000 次使能端试验时，只需对开关进行通断10 000 次试验，并且使用开关寿命试验机（测试开关寿命）来替代IC限流器的使能端循环试验。

3 IC限流器的应用前景

IC 限流器在电子产品中的应用广泛，特别是其限流作用，可以将设备内的功率源降低到PS2 甚至PS1 以下，从而降低设备防火外壳的要求，降低设备成本。特别是在一些带二次锂离子组的设备中，按照GB 4943.1 — 2022 标准中M.4.3 条款的要求，只要二次锂离子电池组的功率源超过PS1，就要依据6.4.8 条款提供防火防护外壳。而《全国电子产品安全标准化技术委员会决议 第009 号》提出，二次锂电池组的组成电池的外壳不认为是电池组的外壳，不论其是否满足防火的要求，都不能作为二次锂电池组的防火防护外壳。这就要求只要二次锂电池组的输出功率源高于PS1，其整机外壳就需要防火外壳，而作为电阻性引燃源的二次锂电池组如果离外壳的距离小于5 mm，根据GB 4943.1 —2022 标准中6.4.8.4 条款的要求，整机防火外壳甚至需要满足附录S.2 条款的要求或使用垂直燃烧0级（V-0 级）的材料，这大大增加了设备的成本。而在一些小功率设备中，特别是带二次锂离子电池组的蓝牙音箱（支付宝、微信使用的收款音箱等），往往为了增加续航而使用较大容量的锂电池，使得电池输出的功率源大于PS1，这样的设备就需要至少垂直燃烧1 级（V-1 级）的防火外壳。如果在这些电池的输出端使用IC 限流器，将电池的功率源限制在PS1 及以下，设备外壳就不再需要防火防护外壳，仅需水平燃烧（HB）材质的外壳即可，大大降低了设备的成本。

GB 4943.1 — 2022 标准中定义在正常工作条件下30 s 后测量，耗散功率大于15 W [1] 的引燃源为电阻性引燃源。由其6.5 条款（内部和外部布线）可知，在PS2 电路和PS3 电路中，内部或外部布线上的绝缘应满足GB/T 18380 系列标准或GB/T5169.23 标准的阻燃要求。因为这些给PS2 或PS3电路供电的内部或外部线材，可能是直接连接在电阻性引燃源上，存在起火的风险，所以这些线材需要满足阻燃要求。上述描述的功率源大于PS1 的锂电池组，有的也会用到排线，这些排线也要满足防火要求，这无疑增加了设备成本，所以将锂电池组的功率源降低至PS1 及以下的IC 限流器可以节省设备塑料外壳和电池排线的成本。在一些小功率电子产品中（云终端等），会使用直流风扇以降低设备的温度。这些直流风扇额定功率非常小，如果按其额定功率计算不会超过PS1，但为其供电的主板一般没有限流设计，其最大功率输出可超过PS1。如图5 所示，某网络终端风扇输出端口最大输出电流可达8.350 A，最大功率输出甚至达到75.951 W，远远高于PS1。如果这些风扇供电端未使用IC 限流器，这就要求这些风扇排线也必须满足GB 4943.1 — 2022 标准中6.5 条款的阻燃要求，增加了设备的成本。

4 结语

IC 限流器在电子产品中的应用可以有效限制功率输出，降低产品外壳和内外布线的防火要求，但作为集成了大量晶体管的IC 限流器芯片，其工作状态受环境温度影响较大，必须具有良好的可靠性，若其限流失效，将直接影响设备的安全性能。因此作为设备中的安规关键元器件，其必须先通过GB 4943.1 — 2022 标准中附录G.9 的试验。这些IC限流器体积小，可以广泛应用于各类电子产品中，但是IC 限流器在电子产品整机进行试验时，需要6 组样品，会耗费较长的时间。对于整机认证时间有要求的，可以采购经过认证的IC 限流器，这样不但可缩短认证周期，还可节省使用高阻燃材料而产生的成本费用。综上，IC 限流器在电子产品中具有很重要的实用价值和经济效益。

参考文献

[1] 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会. 音视频、信息技术和通信技术设备 第1 部分：安全要求：GB 4943.1 —2022 [S].北京：中国标准出版社，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. 现代电工理论知识讲座（七）[J]. 家电维修（大众版），2009（7）：46-48.