淺析快充的發(fā)展與電磁兼容測(cè)試

劉穎 楊楠 李滟 趙羽聲 楊統(tǒng)乾

（中家院（北京）檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100176）

隨著電子產(chǎn)品功能的增多，耗電量也隨之增大，而電池的進(jìn)步速度遠(yuǎn)不及電子產(chǎn)品的發(fā)展速度，因此消費(fèi)者對(duì)快充有了迫切需求。為了迎合消費(fèi)者，各大廠商們分別推出了快充適配器（簡(jiǎn)稱快充），解決了人們的“充電焦慮”問題。

快充產(chǎn)品的更新迭代，功率多種多樣，最大功率18 W、20 W、30 W、40 W、65 W、100 W 不等，歷年的國(guó)家監(jiān)督抽查和地方監(jiān)督抽查結(jié)果，使得快充產(chǎn)品的質(zhì)量問題備受關(guān)注。本文全面分析了快充電磁兼容的影響因素，為最終提高產(chǎn)品質(zhì)量和認(rèn)證效率提供技術(shù)及管理建議。

1 快充概述及主流快充協(xié)議

2018 年3 月，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)YDB 195-2018《移動(dòng)通信終端快速充電技術(shù)要求和測(cè)試方法》，標(biāo)準(zhǔn)中指出“快速充電模式”的概念為一個(gè)由適配器、線纜和終端組成的充電系統(tǒng)，從初始充電狀態(tài)開始，至充電30 分鐘，通過提高適配器的輸出電壓或輸出電流，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電池的平均電流大于等于3 A 或總充電量大于等于電池額定容量的60%的充電方式”。這就意味著只有“充電30 分鐘，電流≥3 A 或者總充電量≥60%”的適配器產(chǎn)品，才能叫做“快充”[1]。

1.1 快充端口

目前快充USB 常用兩種接口（如圖1 所示）：USB-A 和USB-C。USB-A，就是我們常見的USB 矩形接口，有正反面，接口較厚，傳播速度一般，只能單向傳輸。USB-C 接口就是我們常說的Type-C 接口，橢圓形接口，接口較薄，高達(dá)24 pin的引腳能讓接口支持100 W 電力傳輸和20 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸，且支持雙向傳輸，不分正反面且支持雙面盲插。

圖1 USB-A 和USB-C 接口

快充產(chǎn)品除了接口不同外，協(xié)議也有所不同。高通QC協(xié)議、PD 協(xié)議是現(xiàn)今最為普及的快充標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在手機(jī)、平板、筆記本電腦等設(shè)備上。隨著時(shí)間推移，這兩大快充標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。

1.2 主流快充協(xié)議

1.2.1 高通QC 協(xié)議

從2013 年到現(xiàn)在，高通QC 快充協(xié)議有近9 年的歷史了，充電功率提升了10 倍，充電速度更是提升了不止10 倍。如圖2所示，QC 1.0 開啟快充時(shí)代打破USB-IF 當(dāng)時(shí)5 V 1.5 A 的上限電流，提升到5 V 2 A。QC 2.0 支持 5 V、9 V、12 V 和20 V 四檔電壓輸出，電流支持 1.5 A 和2 A 兩種規(guī)格輸出。采用高壓快充技術(shù)，降壓轉(zhuǎn)化損耗較大，充電時(shí)發(fā)熱較為嚴(yán)重。QC 3.0的電壓采用了3.6 V～20 V 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最大電流提升到了3 A，低壓高流的快充方式，不僅降低了發(fā)熱量還提升了充電速度。高通QC 4.0/4.0+更是開始全面支持Type-C 接口，兼容USB PD 協(xié)議。直至2020 年7 月推出Quick Charge 5.0（簡(jiǎn)稱QC 5.0）充電解決方案，100 W+功率，5 分鐘充滿50%。QC 5.0充分利用了USB PD 協(xié)議，支持向下兼容QC 2.0/3.0/4.0。還充分利用了USB PD 及USB-C 技術(shù)，與USB 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容。

圖2 QC 發(fā)展史

1.2.2 PD 協(xié)議

USB PD（USB Power Delivery）協(xié)議，是USB-IF 在2012 年提出的。USB-IF 發(fā)布的PD 協(xié)議引入了Type-C 接口，并成功將Type-C 接口在PD2.0 后推向主流市場(chǎng)，成為主流接口之一。USB PD 3.0 和USB PD 2.0 相比，依然是支持5 V 3 A、9 V 3 A、12 V 3 A、15 V 3 A、20 V 5 A 輸出，最大功率100 W（如圖3 所示），這一更新并沒有讓手機(jī)市場(chǎng)快充協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)混亂的局面得到改善，快充協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)依然是各自為營(yíng)，互不兼容。

圖3 PD 發(fā)展史

直到USB-IF 發(fā)布USB PD 3.0 的重要更新—可編程電源PPS（Programmable Power Supply），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高通QC 3.0/4.0、聯(lián)發(fā)科PE 2.0/3.0、OPPO VOOC、華為SuperCharge 等協(xié)議的收錄，意味著PD 3.0-PPS 可以完美支持這四種快充方案。USB-IF 甚至已經(jīng)與中國(guó)工信部的泰爾實(shí)驗(yàn)室達(dá)成了共識(shí)，未來將與國(guó)標(biāo)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，旨在為當(dāng)今的快速充電解決方案提供統(tǒng)一的規(guī)范。

2 快充的EMC 測(cè)試分析

快充產(chǎn)品，屬于電源適配器的一種，要符合國(guó)家適配器標(biāo)準(zhǔn)的CCC 強(qiáng)制性認(rèn)證。需要同時(shí)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)（EMC）要求。在2019 年電源適配器產(chǎn)品質(zhì)量國(guó)家監(jiān)督抽查項(xiàng)目中，電源適配器的不合格率高達(dá)20%[2]。2020 年貴州省市場(chǎng)監(jiān)管局發(fā)布了關(guān)于流通領(lǐng)域彩色電視機(jī)等22 中產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查情況的公告，公告指出電源適配器產(chǎn)品12 家銷售者銷售的22 個(gè)批次產(chǎn)品不合格[3]。其中EMC的不合格項(xiàng)目為傳導(dǎo)騷擾電壓（150 kHz～30 MHz）和輻射發(fā)射（30 MHz～1 GHz）項(xiàng)目。

傳導(dǎo)騷擾干擾信號(hào)通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電纜相互干擾。傳導(dǎo)干擾分為差模干擾和共模干擾。差模干擾是指以兩根導(dǎo)線作為往返傳輸路徑，頻率在1 MHz 以內(nèi)，一般是因?yàn)殚_關(guān)切換過程中電流變化所產(chǎn)生的。共模干擾是指在導(dǎo)線與地（機(jī)殼）之間傳輸，一般在高頻容易通過空間感應(yīng)到電纜上，頻率集中在1 MHz 以上，是由電壓變化所產(chǎn)生的。差模干擾和共模干擾區(qū)別示意圖如圖4 所示。輻射騷擾則是指通過磁場(chǎng)能量以空間傳播的方式傳輸?shù)酱郎y(cè)器件的噪聲。本文從騷擾頻段的角度進(jìn)行分析，找到了影響因素，并提出解決辦法如表1 所示。

表1 電磁兼容影響因素頻段分析

圖4 差模噪聲與共模噪聲區(qū)別

濾波電容、濾波電感均為快充產(chǎn)品電磁兼容試驗(yàn)的關(guān)鍵元器件，因此關(guān)鍵元器件如何選擇同樣是至關(guān)重要的。

2.1 濾波電容的選擇[4]

由表1 可以看出，X 電容、Y 電容對(duì)差模和共模干擾起到一定的濾波作用。X 電容是跨接在電力線（L-N）之間的電容，一般選擇耐高紋波的聚酯薄膜類電容；Y 電容是跨接在電力線和地之間（L-E，N-E）一般是成對(duì)出現(xiàn)，Y 電容由于漏電流的限制，電容值不能太大，通常采用高壓和耐浪涌雷擊的瓷片電容。由于快充產(chǎn)品功率大、升溫快，需要電容器件耐高溫。快充盡管采用了準(zhǔn)諧振模式和氮化鎵功率管等來提高效率，但功率密度的提高還是噪聲快充內(nèi)部元件的提升，因此選取耐高溫85℃以上的電解電容。

2.2 濾波電感的選擇

共模電感必須有足夠高的阻抗，因此需要選擇高磁導(dǎo)率的錳鋅鐵氧體和非晶材質(zhì)。抑制差模的電感，要求磁芯材質(zhì)在偏磁場(chǎng)下仍能保持磁導(dǎo)率指標(biāo)。因此材質(zhì)選擇具有高Bs 值的金屬磁粉芯磁環(huán)和開路鐵氧體磁芯，使用鐵鎳鉬、鐵鎳50、鐵硅鋁三種閉合磁路的金屬磁粉芯磁環(huán)。

當(dāng)存在兩個(gè)不同的阻抗信號(hào)時(shí)，差模噪聲和共模噪聲會(huì)相互轉(zhuǎn)變，一般在快充產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)主要控制電路網(wǎng)絡(luò)中的寄生電容和電感，使其最小，從而避免差模和共模電流的產(chǎn)生。另外如果環(huán)路面積過大，同樣會(huì)造成差模超標(biāo)，差模噪聲還會(huì)轉(zhuǎn)化為共模噪聲。環(huán)路面積減小，差模干擾也會(huì)變小，同時(shí)差模向共模轉(zhuǎn)換也會(huì)變小。綜述以上分析和建議希望能為產(chǎn)品制造商和認(rèn)證工程師在產(chǎn)品研發(fā)、認(rèn)證時(shí)提供有益的參考，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)束語

回顧快充的發(fā)展歷程，目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)快充輸出接口與手機(jī)接口的統(tǒng)一，協(xié)議的統(tǒng)一仍需各廠商及USB-IF 組織的努力。快充的高利潤(rùn)促使市場(chǎng)產(chǎn)品參差不齊，在發(fā)展技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，切記忽略產(chǎn)品質(zhì)量，給消費(fèi)者帶來使用隱患。本文對(duì)快充產(chǎn)品對(duì)電磁兼容項(xiàng)目的分析，希望能為企業(yè)人員的設(shè)計(jì)和消費(fèi)者的選購(gòu)帶來建議，并希望試驗(yàn)室和企業(yè)能夠以此為參考，共同提高產(chǎn)品質(zhì)量。