陳俊鵬

摘要：首先，介紹了GB 4943.1 —2022 標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析IC 限流器在GB 4943.1 —2022 標(biāo)準(zhǔn)中測試要求的合理性。最后，介紹了IC 限流器在GB 4943.1 —2022 標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品降低防火等級，其在電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：IC 限流器；GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)；功率源；防火防護(hù)外殼

中圖分類號：TN40；TM471；G307 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)于2023 年8 月1 日正式實施，代替GB 4943.1 — 2011 標(biāo)準(zhǔn)和GB 8898 —2011 標(biāo)準(zhǔn)。GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)修改采用IEC62368-1：2018《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1 部分：安全要求》。在GB 4943.1 — 2022標(biāo)準(zhǔn)中，引起發(fā)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(shè)備安全防護(hù)的要求也有所不同，功率源等級越高，其要求的安全防護(hù)（防火等級）也越高。此外，此標(biāo)準(zhǔn)6.6 條款（連接附加設(shè)備引起著火的安全防護(hù)）中要求傳遞連接設(shè)備或附件的功率應(yīng)被限制在PS2，或應(yīng)符合附錄Q.1 [1-2]。這就要求設(shè)備如電腦、顯示器、電視等的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)要求。

1 IC限流器在GB 4943.1—2022標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)滿足的要求

IC 限流器主要用于USB 端口和一些可攜帶式設(shè)備的內(nèi)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(huán)境因素（過高的溫度或過低的溫度等）、長時間連續(xù)的通斷工作、異常工作或單一故障（輸出過載或短路等），導(dǎo)致IC 限流器失效，原本限制在PS2 及以下的功率源變?yōu)镻S3，使得只需要基本安全防護(hù)的設(shè)備不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此IC 限流器的可靠性直接影響設(shè)備安全防護(hù)等級的要求。GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)中的附錄G.9 規(guī)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(jìn)行試驗。其試驗程序包括高低溫的預(yù)處理、IC 限流器使能端（EN/ENB）的打開和關(guān)閉循環(huán)、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(shè)備不會因為外部環(huán)境因素、異?；騿我还收隙乖镜腜S1 或PS2 變成PS3，從而導(dǎo)致設(shè)備不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 IC限流器的工作原理和測試方法

IC 限流器內(nèi)部主要是由場效應(yīng)晶體管（fieldeffect transistor，F(xiàn)ET）來限制輸出電流，內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中，F(xiàn)ault Delay 表示故障延遲電路，OCB 表示故障條件錯誤標(biāo)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(lián)一個結(jié)型場效應(yīng)晶體管（junction fieldeffect transistor，JFET），該JFET 的柵極由內(nèi)部控制電路控制。正常狀態(tài)下，JFET 是導(dǎo)通的，當(dāng)柵極與輸出引腳電壓減小到JEFT 的導(dǎo)通電壓以下時，該JFET 漏—源之間的導(dǎo)電溝道會被夾斷，JFET 截止，起到保護(hù)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(tài)，外部電路也可以通過該引腳來控制IC 限流器的開啟和關(guān)閉。該引腳的可靠性是GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)中對IC 限流器測試要求的重點考核項目，標(biāo)準(zhǔn)中表G.11 試驗程序的第1、2、3、7 行都是對該引腳的循環(huán)開關(guān)試驗。因為當(dāng)IC 限流器內(nèi)部出現(xiàn)故障不能對過流進(jìn)行保護(hù)時，設(shè)備可以通過該引腳來關(guān)閉IC 限流器，以保護(hù)電路，限制功率輸出。該IC限流器內(nèi)部還集成了欠壓鎖定電路（UVLO）、過流保護(hù)電路（OCP）、驅(qū)動電路（Driver）、過溫保護(hù)電路（OTP）。與IC 限流器的使能端引腳一樣，當(dāng)IC 限流器出現(xiàn)欠壓、過流、過溫等情況時，這些內(nèi)部保護(hù)電路可以通過內(nèi)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(hù)電路。由于該內(nèi)置的保護(hù)電路和控制電路都是由FET 組成，一個IC 限流器內(nèi)集成了幾十萬個FET，而在電場力的作用下，晶體管內(nèi)的載流子通過漂移運動來工作。半導(dǎo)體材料具有熱敏性，晶體管的參數(shù)幾乎都與溫度有關(guān)。在高溫環(huán)境下，晶體管內(nèi)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(shè)備的功率源等級發(fā)生跳級，導(dǎo)致設(shè)備不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在低溫環(huán)境下，晶體管內(nèi)的載流子運動減弱，IC 限流器內(nèi)的控制電路也可能無法正常工作，進(jìn)而不能有效限制功率的輸出。由此可見，環(huán)境溫度對IC 限流器的性能參數(shù)產(chǎn)生了重大的影響。GB 4943.1 —2022 標(biāo)準(zhǔn)對IC 限流器的考核還考量了不同環(huán)境溫度的影響，在表G.11 試驗程序中的預(yù)處理條件是將樣品在70℃ 和-30℃ 下進(jìn)行預(yù)處理3 h，然后再進(jìn)行相關(guān)的試驗，試驗后樣品應(yīng)按其適用的規(guī)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(yīng)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(lián)在輸出電路中，設(shè)備可以通過OCB 輸出判斷IC 限流器是否出現(xiàn)故障，從而通過使能端（EN/ENB 引腳）關(guān)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(chǎn)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(jìn)行測試時，很難對引腳進(jìn)行外接器件，所以需要廠商把IC 限流器焊接在已經(jīng)布置完成的印刷電路板（printed circuit board，PCB） 上進(jìn)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(wěn)壓電源，根據(jù)GB4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)中表G.11 的器件輸出負(fù)載要求，輸出端需要1 個直流負(fù)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(huán)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(huán)境的高低溫試驗箱。在GB4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)中表G.11 測試要求的第1 行中，需要對使能端進(jìn)行打開和關(guān)閉10 000 次循環(huán)，因此在使能端和輸入引腳間接入一個開關(guān)，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(guān)閉合），外接電源直接短路，對電源造成損傷。在進(jìn)行10 000 次使能端試驗時，只需對開關(guān)進(jìn)行通斷10 000 次試驗，并且使用開關(guān)壽命試驗機(jī)（測試開關(guān)壽命）來替代IC限流器的使能端循環(huán)試驗。

3 IC限流器的應(yīng)用前景

IC 限流器在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用廣泛，特別是其限流作用，可以將設(shè)備內(nèi)的功率源降低到PS2 甚至PS1 以下，從而降低設(shè)備防火外殼的要求，降低設(shè)備成本。特別是在一些帶二次鋰離子組的設(shè)備中，按照GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)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(jù)6.4.8 條款提供防火防護(hù)外殼。而《全國電子產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(rèn)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(hù)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(jī)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(jù)GB 4943.1 —2022 標(biāo)準(zhǔn)中6.4.8.4 條款的要求，整機(jī)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(shè)備的成本。而在一些小功率設(shè)備中，特別是帶二次鋰離子電池組的藍(lán)牙音箱（支付寶、微信使用的收款音箱等），往往為了增加續(xù)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(shè)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(shè)備外殼就不再需要防火防護(hù)外殼，僅需水平燃燒（HB）材質(zhì)的外殼即可，大大降低了設(shè)備的成本。

GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部和外部布線）可知，在PS2 電路和PS3 電路中，內(nèi)部或外部布線上的絕緣應(yīng)滿足GB/T 18380 系列標(biāo)準(zhǔn)或GB/T5169.23 標(biāo)準(zhǔn)的阻燃要求。因為這些給PS2 或PS3電路供電的內(nèi)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(fēng)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(shè)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(jié)省設(shè)備塑料外殼和電池排線的成本。在一些小功率電子產(chǎn)品中（云終端等），會使用直流風(fēng)扇以降低設(shè)備的溫度。這些直流風(fēng)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(shè)計，其最大功率輸出可超過PS1。如圖5 所示，某網(wǎng)絡(luò)終端風(fēng)扇輸出端口最大輸出電流可達(dá)8.350 A，最大功率輸出甚至達(dá)到75.951 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PS1。如果這些風(fēng)扇供電端未使用IC 限流器，這就要求這些風(fēng)扇排線也必須滿足GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)中6.5 條款的阻燃要求，增加了設(shè)備的成本。

4 結(jié)語

IC 限流器在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用可以有效限制功率輸出，降低產(chǎn)品外殼和內(nèi)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(tài)受環(huán)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(shè)備的安全性能。因此作為設(shè)備中的安規(guī)關(guān)鍵元器件，其必須先通過GB 4943.1 — 2022 標(biāo)準(zhǔn)中附錄G.9 的試驗。這些IC限流器體積小，可以廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中，但是IC 限流器在電子產(chǎn)品整機(jī)進(jìn)行試驗時，需要6 組樣品，會耗費較長的時間。對于整機(jī)認(rèn)證時間有要求的，可以采購經(jīng)過認(rèn)證的IC 限流器，這樣不但可縮短認(rèn)證周期，還可節(jié)省使用高阻燃材料而產(chǎn)生的成本費用。綜上，IC 限流器在電子產(chǎn)品中具有很重要的實用價值和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1 部分：安全要求：GB 4943.1 —2022 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2022.

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