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无线电源设备的法规认证研究

2014-5-25 22:29| 发布者: dzly| 查看: 818| 评论: 0|原作者: 杨军,朱亮,沈雅琴,李光,王智玮

摘要: 研究了其技术原理、标准组织的情况,并总结 了FCC 和CE 对无线电源设备的认证要求,对无线 电源设备的认证和测试工作具有指导意义,对我国 的监管政策的研究提供参考。
  1 技术背景
  1.1 技术原理
  无线电能传输(WPT:Wireless Power Transfer/Transmission),也称为“非接触式电能传输”,是一项让人充满期待的应用型新技术[1],其具有无线科技的优越性和便利性,也许在不久的将来,占据空间各个角落的电线剪不断理还乱的情况将不复存在,而在公共基础设施中配备无线供/ 充电功能也将会有可能成为现实。当前,已应用的无线电能传输技术从原理上可以分为耦合式,谐振式和微波式三大类,详见表1。
  (1)近场耦合式
  通过近场电磁感应实现电能传输,根据耦合原理不同,又可以分为感性耦合和容性耦合。感性耦合的工作原理是通过选择合适的交变电流频率,使源边线圈/初级线圈产生的电磁场通过空气媒介,在副边线圈/ 次级线圈耦合出较强的感应电流,其原理非常类似于使用铁(磁)心工作的传统变压器。感性耦合技术的商业化最早,目前市场上的产品大部分采用该技术。容性耦合也称为电场耦合,其工作原理是通过两套(平板)电极之间耦合出的感应场来实现能量的传输,非常类似于传统电容器的工作原理。市场上容性耦合产品较感性耦合出现的晚。由于依靠电极工作,容性耦合产品具有允许相对水平位移,厚度更薄,没有温升等优势。
  (2)谐振式
  该方法使用一个线圈和电容组成谐振器,利用发射线圈和接收线圈之间的谐振来实现电能传输。
  即使在收发线圈之间的耦合效应很弱时,仍然可以通过调整两个高Q 值线圈的共振频率进行精确匹配,实现电能在两个线圈之间的远距离传输。因此,相对发送线圈的X-Y 平面,接收线圈位置可以非常灵活。由于近场耦合方式的工作距离很近(一般小于1 cm),近场感性耦合也称为紧耦合,磁场谐振式的工作距离相对较远,也称为松耦合。
  (3)微波辐射式
  该方式通过辐射电磁波的形式,在远场范围内采用定向天线实现远距离供电,该方式的发射部分主要将能量从电能功率转化为射频功率,并以一种可控制和低损耗的方式将功率以微波的方式辐射出去,接收装置则利用整流天线把微波能量转变为直流或交流电能。在UHF 频段的无源RFID 系统,其标签正是利用整流读写器发出的射频能量进行工作,只是其接收能量在μW-mW 级。目前市场上已出现了瓦级的微波辐射式无线电源产品。在过去几十年中,这种技术的大功率研究试验主要用于卫星、空间太阳能发电等传输系统等。
  1.2 技术标准组织及技术特征
  随着无线电源技术的大规模应用,用户和制造商将非常期望一个通用的、统一的无线电源技术标准。一个互相兼容的无线电源技术标准无疑是该技术大规模应用的一个前提,也是实现新技术节能减排,减少电子垃圾初衷的有效保障。当前,主要的无线电源技术组织共有3 家,分别是无线充电联盟(WPC)、Power Matters Alliance(PMA)和Alliance forWireless Power (A4WP)[2],NFC Fourm 也开展了共用的无线电源与NFC 通信接口的相关标准化工作。目前,上述技术规范尚不能完全兼容,但从各个组织目前的技术活动来看,呈现出进一步互相融合的趋势。
  下面就其发展情况和技术特征进行简要介绍。
  WPC(Wireless Power Consortium)成立于2008年,是最早建立的无线电源技术的标准化组织,也是目前世界上最大的无线电源标准组织,由Fulton 和Convenient Power 等公司成立,主要聚焦于紧耦合的感性耦合式技术,推出了Qi 的技术品牌。低功率技术的电能传输和控制信令使用同一频段,其工作频率如表2。
  为了保证传输效率,Qi 规范中专门规定了相对发射机的接收线圈的放置定位。由于导体材料在发送线圈和接收线圈之间的电磁场中会因涡流存在温升效应,出于安全考虑,WPC 在新推出的低功率的V1.1 规范中,增加了异物侦测(FOD:foreign objectdetection)的工作配置。对于低功率系统,使用负载调制(负载电阻发生变化)技术,在无线电源的发射端侦测接收端设备的负载变化来实现单向的通信功能。
  PMA 与2012 年3 月成立由Powermat、Google、AT&T 和Starbucks 等公司成立,主要聚焦于公用服务的应用接口标准,致力于为符合IEEE 协会标准的手机和电子设备,打造无线供电标准,其工作频率为277~357 kHz。PMA 标准可以通过两种方案来实现无线充电。一种是透过内建无线充电芯片,另一种则是采用一种叫做WiCC 无线充电卡,使用时只需要安装在在移动设备的电池上即可。同时WiCC卡也可以作为NFC(近场通讯)的天线使用。
  A4WP 于2012 年成立, 主要由Quancomm、Samsung 等公司成立,主要聚焦于松耦合的电磁谐振式技术。其产品使用6.78MHz 频率用于无线电能的传输,使用2.45GHz 的低功耗蓝牙用于控制信令的传输。A4WP 标准能够允许发送线圈同时为多台设备充电,其有效充电范围变大,被充电设备摆放位置相对自由。A4WP 关注不同系统间的互操作性,采用公共信道机制,可以用一个电源向多个设备供电。
  目前更多的关注于移动电话的无线充电,今后将会关注更多应用场景,2014 年1 月发布的新规范就包含了高功率笔记本的应用场景。


  2 无线电源产品的FCC 和CE 认证要求
  2.1 FCC 的认证要求
  对采用紧耦合磁感应技术的低功率的无线充电器,FCC 专门发布了一个技术指导文件(KDB680106)用于指导此类设备的认证工作,主要涉及电磁兼容和电磁照射方面的内容。对于采用磁谐振技术和大功率,远距离等无线电源设备的应用,FCC 将继续制定专门的KDB 来指导不同技术特征的设备的符合性评估。此外,对于能够使用专门的无线电源后盖的手机,FCC 还发布了一个KDB 648474,来指导此类手机在EMC,SAR 和HAC 方面的认证考虑。
  根据工作配置的不同,无线电源设备需要按照FCC 第15 部分(无线电设备)或/ 和第18 部分(工业、科学和医疗设备)的要求进行核准。按照第15 部分进行了核准的设备不能够在90~110 kHz 的频段范围内有主频发射。
  对于消费电子设备,如果其工作距离非常近,且射频能量不是用来通信,则可以按照第18 部分的要求进行核准。如果无线电源设备使用电能传输频率进行有限的通信,并且采用负载调制技术进行用于负载的管理,仍可以按照第18 部分的要求进行核准。具体来说,负载调制必须全部用来进行系统的功率管理和控制,仅限于用来保证安全和设备的有效运作,例如在过电压情况下的快速关闭,报告充电的状态和对无效设备进行识别等。按照第18 部分进行核准的设备不能进行其他的信息通信,例如对被充电设备进行优先级排序、任何其他诸如系统数据和视音频的传输等。如果设备有出现这种情况的设计,则需要同时满足第15 部分和第18 部分的设备许可要求。如果设备使用与电能传输频率不同的第二个频率来进行负载管理,控制和数据传输,那么该设备也需要同时满足第15 部分和第18 部分的设备许可要求。
  需要注意的是,如果无线电源系统需要与电能接收端设备协同工作,而且在无线电能传输的过程中,接收端设备可以在电能传输频率之外的频率上发射,那么进行EMC 的符合性评估时,需要在所有的系统发射器都同时开启的状态下进行。举例来说,对于一个能够给带有蓝牙功能的手机进行无线充电的充电器进行认可时,该充电器如果适用于第18 部分的判定条件,可以按照第18 部分进行测试,但是,第18 部分之外的功能部分(如蓝牙等)则需要按照EMC 认可法规部分来进行认证。
  值得注意的是,在电磁照射方面,通常第18 部分范围内的设备排除在一般的射频暴露评估之外,但是并没有免除射频暴露符合性要求。由于使用场景不同,无线电源设备的设计和工作方式千差万别,对于无线电源设备的射频暴露符合性评估仍然需要进一步考量。
  由于现有的紧耦合磁感应无线电源系统的工作频段较低(例如300 kHz 以下),RF 频段的SAR 和MPE 限值不适用该频段,因此,其射频暴露符合性需要遵照FCC 法规中1.1307(c)和(d)的规定。在评估时,无线电源的接收端设备要处于被充电状态,发射端处于最大功率输出状态。基于无线电源系统设计和使用场景的不同,需要严格区分移动(FCC 法规2.1091 部分)和便携式(FCC 法规2.1093 部分)两种暴露状态,这两种状态的评估要求是不同的。
  按照2.1091 部分中的要求,设备安装后,与使用者和周围人员之间的距离大于20 cm 的情况,按照移动射频暴露状态进行评估。2.1091(d)(4)还对有时距离会小于20 cm 的特殊情况进行了规定。
  对于典型的在桌面上使用的无线电源产品,例如一个无线充电的发射盘,在进行射频暴露评估时,要假设其与使用者之间的距离为10 cm 来进行。采用电场和磁场测量或者数值建模的方式来对其射频暴露的符合性进行评估。测量时,需要在无线电源系统前、后、左、右、上、下六个方向上进行评估,探头的中心点与被测试设备边界的距离为10 cm。根据FCC 法规1.1310 部分的限值要求,100-300 kHz 频段范围内的电场和磁场的限值分别为614 V/m 和1.63 A/m。
  除此之外,对于满足如下全部条件的感应式无线电源应用可以免除进行射频暴露评估。
  ·能量传输频率在1 MHz 以下。
  ·每一个初级发射线圈的输出功率小于5 W。
  (3)无线电源系统只包括一个初级线圈(发射能量)和次级线圈(接收能量)。对于有的充电系统,可能包括多个初级线圈和能探测到的接收端设备(次级线圈),如果电能传输只能够在特定的一对初级线圈和次级线圈上进行,也适用于本条规定。
  (4)接收端设备能够被放置在发射端中,或者直接放置在发射端上。
  (5) 充电设备的最大耦合表面积介于60~400cm2 之间。
  (6)在设备10 cm 周围,可以证明从所有同时发射的线圈中所泄露的总场强小于MPE 限值的30%。
  如果无线充电硬件作为一个整体被集成到了手机的电池盖中,并且该电池盖是由手机制造商提供,或者是制造商针对特定型号的手机提供的可选配件,在这种情况下,手机的测试还需要遵从KDB648474 中的规定。
  对于EMC 测试,测试报告中需要包括该手机使用普通电池盖和无线充电电池盖的杂散骚扰测量结果。进行测试时,手机要放在具有代表性的充电盘上,处于正常充电状态和模拟呼叫状态。
  对于SAR 测试,需要首先使用普通的电池盖来进行各种配置下的SAR 测试。对于最大的SAR 值的测试配置和大于1.2 W/kg 的测试配置,然后再使用带无线充电功能的电池盖进行重复测试。
  对于HAC 测试,同样也需要在普通电池盖和无线充电电池盖两种情况下进行测试。
  2.2 CE 的认证要求
  欧洲电信标准化协会(ETSI)的电磁兼容和无线电频谱(ERM)事务组提出了针对无线充电器设备的符合性认证框架。将现有的无线电源设备按照自身的工作特点,划分为3 种不同的类别,每种类别在电磁兼容、射频和电磁照射方面适用不同的标准。第一类,当无线电源设备在工作时,如果无线充电器和被充电设备之间没有通信功能,则此类设备只需要遵从相关EMC 标准的要求。第二类,当无线电源设备在工作时,如果无线充电器和被充电设备之间有通信功能存在,并且所采用的通信频率与电能传输的频率相同,则此类设备需要按照R&TTE 框架的短距离通信设备要求和适用的EMC 标准来进行符合性评估。第三类,充电器和被充电设备间的通信功能存在,并且通信的工作频率与电能传输的频率不同时,其通信功能所使用的频段和技术可适用于R&TTE 框架,而充电功能则适用于第一类中的EMC 标准。表4 列出了上述三类设备所适用的具体标准情况。
  需要注意的是,在传统的EMC 标准中,30MHz以下的频段,采用的是传导骚扰的方法来考察设备的骚扰特性。因此,在EN55022 标准中,目前在30MHz 以下的频段,尚没有定义辐射骚扰的限值。
  同样,在EN55011 标准中,除了ISM 频段,在30MHz以下也没有辐射骚扰的限值。随着越来越多的工作在30MHz 以下频率的设备出现,CISPR 已经开展了30 MHz 以下辐射骚扰的标准研究工作。
  对于无线电源设备的认证要求,除了上述提到的之外,还有涉及安全、能效和环保等普通消费电子类产品所需要适用的其他法规类要求。此外,加州能源认证(CEC)还专门对无线电源设备的认证提了新的要求。
  3 结语
  无线电能传输技术的应用形态多种多样,除了典型的消费电子设备,例如手机和笔记本产品等,还应用于植入式医疗设备,电动汽车和玩具等。由于目前无线电能传输技术具有各种不同的工作频段、技术原理和设计与实现、功率容量、应用场景,因此,必须针对不同设计和应用场景的无线电源设备单独考察其电磁照射和电磁兼容等法规认证要求。
  当前,欧美国家目前主要基于现有法规框架,根据无线电源设备的不同构成部分和工作频段对其进行管理,大致的方针是将无线能量传输部分的功能参照工科医(ISM)设备(CE 按照频段划分ISM 设备)进行EMC 及安全方面的核准,同时将其通信功能部分按照无线电设备的要求进行管理。其特点是延续了原有法规适用性框架。
  无线电能传输应用和产品在我国市场上也已经出现,我国的相关部门也在研究无线电源设备的监管政策。监管政策的及时出台将会对产品普及和技术发展起到积极的作用。本文所研究的美国和欧洲的监管要求,可以对我国此类设备的监管政策研究提供参考。
  
  

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