IEC 60884-3-1标准要点解析及产品改善建议

付 杰 王凌霄 余 嘉 江朝军 管 丹

（公牛集团股份有限公司 慈溪 315314）

引言

伴随科技的发展以及人们消费观念的转变，市面上存在越来越多的多功能插座，而由于手机用量的日益增加，导致带USB 充电功能的插座变得非常普遍。而现有的插座标准无法涉及到电源模块这一块的安全要求，所以对于带USB 电源模块的插座的安全认证与测试存在迫切的需求。鉴于此，国际电工委员会于2021年正式发布了第一版的带USB 电源模块插座特殊要求的标准，即IEC 60884-3-1，此项新的标准属于IEC 60884-1（家用及类似用途插头插座 第一部分：通用要求）范畴，在通标基础上增加了电源模块的特殊要求。主要针对USB 电源模块的安全与EMC。本文将会对安全规范方面主要的关键要求与测试方法进行说明与阐述，方便此行业的相关研发和测试人员更快的了解标准，从而能快速掌握最新要求。

1 结构要求

1.1 内部线及固定要求

对于带USB 电源的插座，在标准13 章和第14 章[2]里面分别对固定式插座和移动式插座中的内部导线进行了规范要求。明确定义内部线即使松脱也不能导致产品出现安全风险，对于锡焊连接的端子必须要求机械固定，比如采用勾焊（见图1），套热缩管和打胶固定的方式。对于内部线即使位移和松脱也不会导致爬电距离和电气间隙变小的结构则对内部线不做以上要求（比如一些次级电路线，即使松脱也不会桥接初次级电路）。对于内部绝缘线的温度和电压等级必须满足实际产品的要求，温度值需通过温升测试来判断合适与否，工作电压必须高于产品的工作电压。当内部导线连接不同电压线路时，电压条件满足高电压电路要求。内部线的固定不能导致电气间隙和爬电距离减小。

图1 USB 插座内部结构

1.2 Y 电容的要求

跨接在USB 电源初级与次级间用作加强绝缘的电容，至少为一个额定电压符合相应线路工作电压的Y1 电容，两个或者更多的Y2 电容串联可以代替单一的Y1 电容。Y1 电容的额定电压满足产品电网市电电压要求，若Y1线路上测量的有效值工作电压高于电网电压，Y1 的工作电压满足测量电压要求。工作电压超过250 V，但不高于500 V 的USB 电源，过压等级按III 类算，需要使用2个Y1 电容跨接。

2 电气性能要求

2.1 绝缘电阻和电气强度

绝缘电阻测试重复IEC 60884-1 中17.2.1 要求，USB电源模块置于插座线路中，SELV 线路之间与非SELV 线路间绝缘电阻要求大于7 MΩ（电源输入对USB 端口）；SELV 线路间绝缘电阻大于5 MΩ（如Vbus-GND）。电气强度测试重复IEC 60884-1 中17.3 中要求，USB 电源模块置于插座线路中，对于装置额定大于130 V 的，SELV 线路之间与非SELV 线路间电气强度要求承受3 750 V 耐压（电源输入对USB 端口）；对于装置额定不超过130 V 的，SELV 线路之间与非SELV 线路间电气强度要求承受3 000 V 耐压（电源输入对USB 端口）；SELV 线路间耐压要求500 V。这就对于设计过程中要注意控制初次级电气间隙，变压器胶带的包覆和CY 电容的选型等几个关键因数。

2.2 非正常工作状态试验要点

标准101章节中提出非正常工作条件下的安全要求，在非正常工作状态下输入功率若不超过0.5 W，认为符合要求。非正常包含两个方面的状态测试，一个是失效条件下的测试，另一个就是USB 输出过载状态下的测试。失效条件主要包含如下几个状态：短路爬电距离和电气间隙不符合标准要求的路径。短路功能绝缘，如清漆和搪瓷。短路或断开半导体器件。短路电解电容。短路或断开不符合IEC 62368-1 附录G 要求的电阻和电容；短路USB 电源的输出端。PCB 上跨接双重绝缘或加强绝缘的元件无需进行失效测试，如隔离变压器，Y1 电容，光耦或类似元件，若USB 电源模块元件的温度由于自动保护装置动作而受限，过载测试，先按照温升章节19.101 b)条款执行，但施加额定1.1 倍的工作电压，USB 输出接通最大功率负载测试（通过逐渐增大调节USB 输出获得，可以是单口也可以是多口同时带载，由USB 输出端口的结构而定，USB 输出最大功率的获得，一般是保证内部线路或保护元件不动作而又能持续产生最大热量的状态）。上述试验结束后，继续依据温升章节19.101 b）条款执行，但电流同时施加在插座和USB 输出端口上，USB 输出端口施加最大的输出功率，插座与USB 端口的总的输入电流之和达到测试要求电流值。插座端子温升不可超过55 K。则计算保护元件动作后2 min 的温度值。

3 温升试验要求

温升试验在IEC 60884-1 标准19 章基础上新增19.101 条款，针对插座带有USB 电源模块的测试要求。插座按照如下描述的1），2）与3）进行试验[2]：

1）依据IEC 60884-1 19.1 章节要求测试，USB 电源按正常使用置于插座线路中，但USB 输出不带负载。对于接下来的测试要求2）与3）若有接地线路，对接地线路不进行试验。

2）依据IEC 60884-1 19.1 章节要求测试，插座按照额定电压和额定电流进行加载，直到达到恒温或4 h，取两者时间短的来计算。稳态的定义为温升不超过1 K/h。USB 输出按照最不利的额定输出电压和电流进行带载。也就是说USB输出和AC插孔同时工作条件下进行试验。当在执行测试条款2）时，USB 带有过温保护功能且过温保护动作，需要依据条款3）要求重新试验。

图2 USB 输出与AC 插孔同时带载

3）重复上述测试条款2）的试验步骤，但插座插孔不予带载， USB 输出按照最不利的额定输出电压和电流进行带载,过温保护装置不可动作。

在进行2）与3）过程中，测量点温升不可超过表101 中对应的19.101 栏规定温升限值。测试结束后产品功能要求正常。

4 机械强度要求

24章节中机械强度增加了对USB端口部分的要求，在24.10（多孔插座的跌落试验）[1]测试结束后，需进行USB 部分初次级间的耐压试验。同时增加24.101 条款[2]，针对于USB 端口的执行如下3 个项目的机械强度试验：

1）USB 端口的横向应力试验，使用标准USB 头（符合IEC 62680 尺寸要求）插入USB 端口，施加0.2 N.m的应力，扭力施加在测试插头上，持续时间60 s+5 s，然后旋转90 °，共4 个方向测试。

2）USB 端口在插入过程中所承受的机械应力试验，先使用相应的USB 插头对端口进行50 次的插拔试验，然后USB 测试插头垂直与USB 端口时间40 N 的力，维持1 min 再拔出试验插头。

3）USB 端口摆锤冲击试验，等效重量250 g，测试条件和步骤依据IEC 60884-1 24.1 方式执行，高度为80 mm，测试施加轴向力在USB 插头上（USB 插头插入到USB 端口中）。

上述测试结束后，产品不可出现以下安全风险，如测试指接触带电部件，初级线路短路，爬电距离和电气间隙变小，USB 电源出现有可能引起安全的位移等。

5 EMC 要求

EMC 的测试在本标准中进行了具体的说明（抗扰度测试见图4），且对测试的负载和线有了具体的规定，要求USB 端口Vbus 与Groud 间的容抗为（1±0.1 uf），容抗具有典型的等效串联阻抗（阻抗要求在10 kHz 时0.6 Ω；1 MHz 时0.0 1Ω）。测试负载线要求至少为1 m 的屏蔽线，USB 电线有专用的电源回路导线，电源回路不可经过屏蔽层。传导发射符合IEC 61000-3-2 要求，辐射发射要求符合CISPR Class B 要求。

图3 温升测试限值

图4 EMC 测试项目

6 结合上述要点陈述对现有产品开发的一些改善建议

产品在结构设计时，USB 电源的PCBA 上的输入线需要额外的机械固定（如：勾焊，打胶固定，套管方式等），内部走线需要避开锐边和次级金属部件。桥接初次级的引线需要可靠固定，防止因脱落导致可触及的USB 端口带电，铜件上可以采用点焊和勾焊的方式，点焊的线不宜太细，容易断丝脱落。（建议至少0.5 平方以上），PCBA上的线可以打胶或通过倒扣方式来固定，电压要求300 V，温度建议选择至少105 ℃的，80 ℃在温升测试时线皮温度容易超标。

在Y 电容选型时，要注意相关产品标准对带USB 插座的过压等级的分类，比如英国插座过压等级为OVC III（电源瞬态过压4 000 VPeak），所以在Y 电容选用时需要选两个Y1 电容串联或者在PCB 初级电路加MOV，MOV 需要串联温度保险丝。

温升测试里面增加了USB 与插座同时带载测试的要求，内部环温会增加，这里面的难点就在于插座部分的端子温升45 K，比较容易受到电源部分高发热元件的影响，如功率MOS，变压器，同步整流芯片等高发热元件。所以建议在结构允许的情况下，尽量将插座端子远离USB 模块。若因结构受限，需要在保证插座部分自身低温升条件下，选用效率比较高的电源方然，减少功率元件的热损耗，降低电源的自身温升或尽量通过给电源发热元件散热的方式去降低整个内部温升（如通过导热胶，散热片）（见图5，图6，表1验证数据）去保证温升的符合性。为保证产品顺利通过非正常状态下温升试验和单一失效试验，USB 电源模块在应选用合适规格的保险电阻和慢熔断保险丝（快熔断保险容易受到通电时浪涌电流造成的损坏），同时IC 过流保护的阀值设计不应太大，过流点越大，USB 过载测试时内部元件的温度也会更高，容易导致插座端子超过55 K，适当的过流设置能更有利于测试的通过。单一失效过程中，保险装置的及时保护可以防止内部温度过高和起火，能有效的保证产品安全和满足测试要求。

图5 导热胶给变压器散热

图6 散热垫给芯片扇热

表1 测试验证数据

由于此标准不允许存在功能接地线路，对于产品内部走线复杂的产品，在EMC 传导和辐射测试时容易超标的情况，在电源初级可以选用X 电容和滤波电感来降低电磁噪音，同时可以将内部线尽量避开高频线路元件如：变压器，MOS 管，驱动芯片等。对于浪涌测试容易失效的条件，建议保险丝和整流桥的选型，整流桥耐压至少1 kV，保险丝尽量选慢断型。

7 结语

新的标准对未来的USB 插座带来了更精准的安全定义与说明，将插座与电源的安全合二为一来考量，弥补了现有认证测试机制中的分别评估的漏洞，给未来多功能的产品发展也有一定的指导意义。本文通过以上对带USB 电源插座的标准条款要点阐述与说明，将标准中的关键要求与测试参数进行了解析，对于产品的的开发设计结合标准的要求提出了相关的改善建议，希望能给相关从业人员带来一定的参考作用。