电源适配器产品质量安全及风险预警分析报告
2019-12-12 产品可靠性报告原创 产品可靠性报告原创
电源适配器产品质量安全及风险预警分析报告
电源适配器又叫外置电源，是小型便携式电子设备及电子电器的供电电压变换设备，具有电压转换功能，其常见的产品名称有电源适配器、充电器和电源供应器等。根据与其配套使用的被供电的整机产品进行分类，本文重点分析与音视频设备（便携式音箱、数码播放器、收录音机和机顶盒等）、信息技术设备（笔记本/平板电脑、显示器、微型投影机等）和电信终端设备（移动电话/手机、网络机顶盒和路由器等）配套使用的电源适配器，本刊智库专家团专家 纪赛 姚青梅 王玥 刘佳 周明达 电源适配器一般由外部绝缘外壳和内部电路器件组成，其与电网电源（市电）的连接方式分为插头电源线和直插式，其中直插式电源适配器的外壳与插销形成一体，这种形式也是目前小型便携式电子产品电源适配器（充电器）中应用最多的情况。多年来，我国一直对信息技术设备和音视频设备用电源适配器产品实施CCC强制性产品认证管理制度，同时各级质量监管部门也在不断针对电源适配器产品进行监督抽检工作。随着电子产品日益增多，电源适配器供电的应用越发普及，已形成适用人员多样性和使用环境多样性的特点，加大了产品质量安全风险程度。而且电源适配器的生产技术工艺虽已较为成熟，但是技术门槛不高，成本低廉，缺乏生产质量保证能力的中小型企业的产品不断涌入市场，致使产品质量良莠不齐，总体抽检不合格率较高。因此，如何提升电源适配器产品的质量是我们检验检测机构、政府监管部门以及电源适配器生产企业，甚至是整机产品生产企业共同关注的问题。 1 国内标准体系现状 国内涉及到音视频、信息技术和电信终端设备用电源适配器产品的执行认证标准主要包含安全标准、电磁兼容标准和能效标准。其中安全国家标准为GB4943.1-2011《信息技术设备 安全 第1部分：通用要求》和GB8898-2011《音频、视频及类似电子设备安全要求》，标准的要求旨在避免危险造成的伤害，与电源适配器产品有关的危险主要为电击、发热和着火等危险。因此依据标准，合格的电源适配器应具有充分的安全隔离和可靠的绝缘，采取措施限制过高的温度并使用阻燃和耐热材料。 电磁兼容国家标准为GB/T9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》和GB/T13837-2012《声音和电视广播接收机及有关设备无线电骚扰特性限值和测量方法》，标准规定了电源适配器产品的传导骚扰限值、辐射骚扰限值和骚扰功率限值。电源适配器应有效抑制无线电骚扰发射电平。 能效国家标准为GB20943-2013《单路输出式交流-直流和交流-交流外部电源能效限定值及节能评价值》，标准规定了在220V/50Hz供电条件下将交流电压转换为固定的、单路低压直流（不大于36V）或低压交流（不大于36V）输出电压的额定输出功率不大于250W的电源适配器的能效限定值。 2 电源适配器产品的监管情况 近几年国家市场监督管理总局公布的电源适配器产品质量国家监督抽查结果： ■ 2018年共抽查了北京、江苏、浙江、福建、广东、重庆等6个省、直辖市65家企业生产的70批次电源适配器产品，有12批次产品不符合标准要求，不合格率17.1%； ■ 2016年共抽查了天津、上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、广东、重庆、四川、陕西等12个省、直辖市79家企业生产的79批次电源适配器产品，有18批次产品不符合标准要求，不合格率22.8%； ■ 2015年共抽查了江苏、浙江、福建、山东、广东、广西、重庆、四川等8个省、自治区、直辖市90家企业生产的90批次电源适配器产品，有8批次产品不符合标准要求，不合格率8.9%。 2018年北京市市场监督管理局昌平分局委托我司对其辖区内进行流通领域电源适配器商品质量抽查检验，共抽检7组，有6组产品不符合标准要求，不合格率高达85.7%。 3 主要不合格项目分析 从历年国家监督抽查的结果看，主要质量问题集中在爬电路离和电气间隙、发热（绝缘材料的耐热）、直插式设备的插头尺寸和力矩、平均效率能效限定值和空载状态能效限定值、电源端传导骚扰电压和辐射骚扰。 3.1 电气间隙和爬电距离 电气间隙是两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离，爬电距离是沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间最短路径。电源适配器的设计应使用户可触及的导电零部件与危险电压有效隔离，满足标准中对最小电气间隙和爬电距离的要求，以实现危险防护。 众所周知电源适配器通常直接连接电网电源危险电压，产品目前趋向于便携式的小巧紧凑型的设计，常出现与危险电压无隔离或者有隔离措施，但隔离不充分的情况，危险程度令人堪忧。如图1所示，紧凑型电源适配器内部电路板中间画出了白色隔离带，隔离带左侧为危险电压电路，隔离带右侧为安全电压电路。测量其隔离带所在位置的电气间隙和爬电距离不足1.0mm（标准中最小电气间隙和爬电距离的要求值为6.0mm（海拔5000米）），不符合标准要求。图示电源适配器外部的USB充电端口直接连接到隔离带右侧的安全电路，如出现绝缘击穿将对用户造成严重电击危险。合格的产品设计应加大隔离带的隔离宽度，使其电气间隙和爬电距离测量值满足标准要求，如果因线路布局和元件安置的空间限制无法有效的留出安全距离，可采用增加沟槽或固体绝缘挡板的方式隔离危险电压，但其隔离应充分。如图2所示，产品电路板上利用沟槽延长爬电距离，但是沟槽长度不够，红色路径处的距离仍不能满足标准要求。如图3所示，印制板沟槽中安装了足够厚度的绝缘挡板，但是挡板宽度不足，图示两点间的距离仍不满足标准要求，同时挡板伸出印制板的长度也不足，没有提供足够的翻越距离，致使隔离处的距离也不满足标准要求。需要注意，固体绝缘挡板以及绝缘附近影响距离的大型元器件应充分固定，避免在标准要求的施力条件下松动，从而减小电气间隙和爬电距离。上述示例仅为简单电源结构，大功率电源适配器的结构更为复杂，我们对危险电压的有效隔离应充分考虑，例如：电源板金属接地屏蔽层的位置；作为信号或电压传输的引出线的固定；金属散热片的布置；可触及的外壳接缝到内部危险元件的距离等等。必要时要采用绝缘挡板、绝缘胶带、绝缘套管等措施有效隔离。  除了上述印制板空间上不合格的情况外，变压器的绝缘缺陷也是造成电气间隙和爬电距离不合格的重要原因。如图4所示，红框中的变压器作为隔离元件跨接在电源适配器危险电压电路和可触及电路之间，其制造工艺对安全性的影响十分明显。变压器的内部结构复杂，绕组之前提供的绝缘要考虑到多种风险因素，通常由骨架隔板、薄层绝缘材料（绝缘胶带）、挡墙胶带和绝缘套管组成的变压器绝缘系统中，其中仅一环缺失或布置不当，都会造成整个绝缘系统的缺陷。作为隔离部分的骨架隔板应具有足够的厚度，必要时整体结构应带有护舌或延长设计，辅助增加电气间隙和爬电距离；内部绕组之间的绝缘胶带应延伸到超出绕组线端部，并使用至少两层，外部绝缘胶带应能充分包覆磁芯以隔离绕组或周边元件；如果需要，绕组两端应提供挡墙胶带，限制绕组的位移并提供端空距离，增加同轴绕组间的电气间隙和爬电距离，注意此时应在每条绕组线端部线匝处增加绝缘套管，套管应延伸到挡墙胶带内侧，以保证有效的端空距离，同时也可以隔离外部线匝。如图5所示，变压器每一层的绕组均为此结构设计，蓝色绝缘胶带、白色挡墙胶带和线端部的套管提供了变压器绕组间的有效隔离，使两层绕组间的距离至少要大于两个端空距离（白色的挡墙胶带宽度），任意部件的缺陷都会造成测试不合格。如图6所示，变压器未采用上述复杂的绝缘系统，变压器一侧全部绕组（初级或次级）均采用满足标准要求的绝缘绕组线（如三层绝缘线），其绝缘层本身已经提供了有效的隔离，这也是一种更加可靠的安全设计，只要考虑绝缘绕组线端部裸露线匝处的位置即可，变压器的整体结构不会有太多的设计限制，但是要注意，如果初级绕组全部采用绝缘绕组线，此时变压器磁芯与次级绕组大多没有隔离，视为可能触及部件应考核与危险电压零部件的隔离要求；如果次级绕组全部采用绝缘绕组线，此时变压器磁芯与初级绕组大多没有隔离，视为危险带电部件应考核与可触及零部件的隔离要求，必要时可采用绝缘胶带或护盖隔离危险电压。  3.2 发热要求（绝缘材料的耐热） 电源适配器在产品设计和材料筛选过程中除了要考虑耐燃也要考虑耐热风险。电源适配器安全标准中要求直接安装上带危险电压并支撑承载稳态电流大于0.2A零部件的绝缘材料应当是耐热的，因此支撑插销部分的塑料外壳要满足耐热性相关试验要求，即在规定条件下通过至少125℃的球压试验或达到至少150℃的维卡软化温度。 3.3 直插式设备 因为直插式电源适配器不使用电源线，插销和外壳构成一体，为使插座不承受过大应力，电源插头部分应符合GB/T 1002-2008标准要求。标准中详细规定了单项两极和单相两极带接地插头的各项尺寸参数和视图，同时要求插销离边缘的距离不小于6.5mm。如图7所示，标识处为插销离边缘的距离，应注意此“边缘”指的是插合面的边缘，即电源适配器插销面与插座能直接接触的平面，而不是插头侧外壳的边缘。如图8所示，带圆孔插销不符合国标要求。  3.4 电源端传导骚扰电压和辐射骚扰 电源端传导骚扰电压是指电源适配器产生的电磁骚扰通过供电电源端口传输到公共电网中的骚扰电压，该骚扰会通过电源线进入与其共用同一供电网络的其他电子产品内部，使其性能降低。辐射骚扰是指电源适配器产生的电磁骚扰以电磁波的形式通过空间传播，引起周围设备或系统性能降低。电源适配器电磁兼容标准中规定了电源端传导骚扰电压和辐射骚扰的限值，造成这两项测试超限值的原因多为滤波电路缺失或使用不合理的滤波元器件以及无屏蔽措施，无法抑制骚扰。 3.5 平均效率能效限定值和空载状态能效限定值 项目虽未纳入CCC强制性产品认证实施规则中，但其仍受强制性国家标准要求，生产厂商仍应充分重视，优化电源效率降低损耗，普及高效电源设计理念，利国利民。 4. 质量安全风险处置的建议和消费者提示 电源适配器生产企业应加强专业技术质量人员建设，熟悉安全、电磁兼容和能效标准，并在生产设计中加以应用。在监督抽查和日常检验中出现了很多严重背离标准要求的不合格项目，其原因均为企业人员对标准不理解、不关注，对不合格产品可能造成的危害不清楚、不忌惮。电源适配器经过了强制性产品认证后，产企业要完善生产设计各环节的管控，强化供应商质量管理，严格保证量产的产品与CCC认证型式试验样品的一致性。在生产过程中，可能绝缘的一个小小的位移或元件的松动，就会造成电气间隙和爬电距离的显著减小，引发严重的危害。对于其他安全和电磁兼容指标亦是如此，如关键元器件的参数变化、插头处的尺寸结构变化以及材料的性能降级等等均会增加产品的质量隐患。有些生产企业一味的追求低成本，以次充好，毫无质量责任意识，这种原始的经营理念已经不适合现今我国的经济发展战略，电源适配器行业整体的质量提升，需要每一家生产企业共同努力。 对于政府监管部门，建议加强宣贯电源适配器的质量安全风险以及相关标准要求，组织企业人员进行质量提升培训，开展技术分析研讨会议，普及安全、电磁兼容和节能产品的设计理念。打击黑心企业，杜绝假冒伪劣产品，加强监督抽查力度和覆盖面，重点监管劣质企业以及小型零售商、零售市场。建立更加全面的、更加便于消费者认知的监督抽查数据库，引导消费者安全消费。仍要继续加强电源适配器产品质量的监督抽查覆盖面以及抽查力度，通过整顿产品的质量来规范市场，引导产业健康发展。 广大消费者应选择正规渠道购买电源适配器，自觉抵制劣质产品，认准CCC强制性认证标识，合格的电源适配器商品外观会用规范中文标记产品名称、型号、规格、制造商信息、CCC证书标志等，电源插头应为国标插销，非柱形或带圆孔。产品连接电源时应考虑插座或连接器应方便触及，在发生危险时能及时拔掉断电。电源适配器不使用时应及时断电，避免产品自身或因外部因素引发的危险。 5. 结语 本文通过对音视频、信息技术和电信终端设备配套使用的电源适配器在监督抽查及日常检查过程中出现的主要风险项目进行分析，旨在加深相关生产企业和监管部门对电源适配器质量现状的认识，促进产品质量提升，降低风险。 特别声明：本文为本刊《产品可靠性报告》杂志原创、独家、首发文章，未经本刊书面授权不得转载！本文首发于《产品可靠性报告》杂志第4期。 |