电子设备的发热试验

电子设备的发热试验关健词：发热试验温升最高使用环境温度名词解释：Tamb－试验时的室内环境温度Tmax－给定的符合试验要求的最高温度Tmra（Tma）－制造商技术规范允许的最高室内环境温度或25℃，两者中取较大者。△Tmax－试验中对某些试验规定的最大温升概述：电子电器设备在正常工作状态下都要消耗电能，并以热能的形式散发，有些状态是产品设计者所需要的，如空调，取暖器等加热取暧设备；电磁灶、微波炉等厨房加热设备及电吹风、干衣机等小家电设备。有些状态则不是，是由于设备工作时设备内部会产生发热引起温度升高，如果超过规定限值，即将电能转化成了有害的热能，轻者影响设备的使用寿命，重者会对设备的绝缘性能造成损伤，引起触电危险，对使用或操作人员造成灼伤或引发火灾。因此电子电器产品的温升发热试验在整个安全型式试验中，是非常重要的。为此结合以往工作中的一些体会，针对电子电器设备的温升发热试验方面的相关问题主要从五个方面进行交流探讨。本文着重以电子信息类产品为主。一．发热试验条件的确定判定受试设备（EUT）的温升试验是否符合要求，测试方法是否科学、合理都离不开相应的工作条件，这其中包括外界的环境因素，也包括受试设备的自身因素。环境因素应包括：温度、湿度、大气压力等；受试设备的自身因素包括：样品状态、工作状态、测试部位等。1.环境温度、湿度、大气压力的要求国家标准中对产品在安全型式实验时的环境温度，湿度都有相应的规定，如GB8898-2001(IEC60065-1998)《音频、视频及类似电子设备安全要求》标准中1.1.3条：本标准适用于海拔高度为2000m以下，主要在干燥地区和温带地区或热带气候下使用的设备。第4.1.3条：除另有规定外，环境温度为15℃~35℃，相对湿度最大为75%。GB4943-2001(IEC60950-1999)《信息技术设备的安全》标准中1.1.2条：对于要在诸如极高或极低温度过量粉尘、高湿度或剧列振动、可燃气体、腐蚀或易爆等特殊环境条件下工作的设备；要在车辆、船舶或飞机上使用的设备，在热带地区或在海拔2000m以上高原使用的设备，需在本标准所规定的那些要求中附加一些要求。标准中1.4.12条：试验期间，除非征得有关方面的同意，否则室内的环境温度不应超过Tmra。对于试验中的环境温度Tamb对受试设备温升的影响，在以往的验证比对试验中已得出结论，第1页共5页一般情况下试验室环境温度的变化对温升影响不大，但试验室环境温度的升高对受试设备中元器件的最高发热温度Tmax是有影响的。GB4943-2001标准中规定：T－Tamb≤Tmax－Tmra。（式中：T－在规定试验条件下测得给定零部件的温度）因我们国家现行使用的GB4943-2001标准是等同于IEC60950-1999标准，但IEC60950-2001、IEC60950-2005标准早已出版，并在国外实施。在IEC60950-2001、IEC60950-2005标准中，新增了温度依赖设备的发热试验要求：对设计为发热量和冷却量依赖于温度的设备，温度测量应在制造厂商规定的工作范围内的最不利的环境温度下进行。因国内新版的等同于IEC60950-2005标准的GB4943-2008版标准还未正式实施，在此暂不作详细解读，但必须注意的是试验工程师在做CB测试时要按此要求进行。2.发热试验用电源电压的要求由于电子产品在工作时内部零部件的发热与输入电源电压有关，在进行发热试验时，试验用电源电压不是按产品说明书或铭牌规定的电源电压范围内选定，而是选择最不利的电源电压给受试设备（EUT）供电，使受试设备及受试设备内零部件产生最高的发热，在确定给受试设备供电的电源最不利的电源电压时，应考虑下列几种因素。多种额定电压;适用设备上标定的任何额定电源频率；对交流/直流设备，使用交流或直流电源；对直流电源应使用任何极性，除非受设备结构的限制；对设备预定直接已交流电网电源连接的，则额定电压的容差应为+10%和-10%。若制造商声明，使用更宽的容差。目前，大部分信息类设备内的电源是采用开关电源，即非线性电源，其特点是稳压范围较宽，在一定的输入电压范围内的输入功率变化不是太大，所以一般必须通过输入试验来确定，试验用电源电压应在最高输入电压和最低输入电压下分别进行。如有输入电源频率范围的还要分别在电源频率高低端进行。因为电子设备的发热主要取决于电流，通常非线性设备在电压低的情况下其输入电流较大，设备发热量大，温升高；而线性电源设备在电压高的情况下去输入电流较大，设备发热量大，温升高。3.发热试验时的负载要求正常工作条件下的温升试验必须使受试设备（EUT）在正常负载条件下工作，正常负载的定义是尽可能接近于符合操作说明规定的正常使用时最严酷的工作方式。但是，当实际使用条件明显比推荐的最大负载条件更严酷时，则要采用可能承受的代表最大条件的负载。同时又要求EUT在正常负载条件下充分发热产生的最高温度或温升必须低于规定要求，从而判定EUT的发热试验是否符合标准要求。对于一些内装式、嵌入式的设备是要安装在其它较大的设备中的，应尽可能在符合制造商第2页共5页安装要求前提下模拟最不利标称值条件下进行试验。如开关电源认证试验的加载，应按照制造商在产品规格书或铭牌中规定的各路输出负载进行组合加载，使开关电源达到规定的最大输出功率，待工作稳定后测量温升。而不是按照开关电源在设备中如计算机中实际使用时的功率作为开关电源独立认证时的正常负载。因为开关电源在计算机中正常使用时不是正常负载时的最严酷工作状态。如果开关电源不是独立认证，而是随机试验，则开关电源的工作状态应随计算机的最严酷工作状态一起试验，不必考虑开关电源的正常负载。再如显示器在发热试验时应在光栅亮度最大时进行试验，这时发热温度比较高。4.故障条件下的发热试验要求为确保受试设备EUT在出现故障的情况下，如过载过压、元器件失效，都不应出现由于温度过高导致绝缘层损坏从而引起触电或起火造成危险。因此在发热试验中要使设备在异常工作条件下的进行，就必须模拟故障试验。施加模拟故障时，应依次施加，一次模拟一个故障。（正常工作的最不利组合加上一个故障即为单一故障条件，当进行某一规定的单一故障条件试验时，可能引起某个元器件的开路或短路的间接故障）。应通过设备的电路原理图等进行推理确定出可以合理预计到会发生的故障条件，如将某一元器件或部位短路或开路；向其它设备供电的设备输出端子以最不利的负载阻抗连接包括短路；如有可能将用户可更换电池极性反接等状态下测量其最高发热温度或温升。二．发热试验中发热测试点的选择在发热试验中，需测试受试设备EUT中的哪些零部件、哪些部位，应选择多少个测试点比较合适，一般来说，发热试验测试点的选择有以下几个原则。1.选择跨接在初次级间的元件，这些元件的温度过高会引起绝缘失效，引起电击危险，如开关电源变压器绕阻及其铁芯发热过高，会引起初次级绕阻间的绝缘损坏，初次级绕阻间将失去隔离作用而引起电击危险，因开关电源变压器绕阻和铁芯消耗的功率较大，所以开关电源变压器的绕阻和铁芯都要测量。2.选择设备中功率较大、工作温度较高，容易引起过流、过热甚至着火现象发生的元器件，如电源输入回路中的滤波绕阻，尽管有的滤波绕阻不起安全隔离作用，其绝缘失效也不会引起电击危险，但可能引起过流而产生过热，另还有电机绕阻，半导体器件（整流二极管、功率放大管），电源耦合器、印制电路板（PCB），电容器，锂电池、高压组件等。3.选择测量操作人员可能触及到的设备外表面，如旋钮、把手、提手等的温度，防止可触及部位对人体造成伤害。由于电子设备类型的种类千变万化，就是同一类型的产品之间也会有很大差异，有些产品第3页共5页的变更涉及到电路设计上的不同及选用不同的供应商的元器件，其产品工作时的发热差异也很大，在做此类变更试验时，试验工程师要根据产品的电路设计、工作特点、结构特点等具体分析。一般只要考虑以上几个方面就可以了。三．发热试验的方法测量方法主要有热电偶法、四端电阻法、非接触式测量法（红外线测量法）三种。1.热电偶法特点及范围是：适用于非绕阻部位的温度测量，易实现连续数据测量，可同时进行多点测量。方法是将受试设备（EUT）中待测定的点预先埋入热电偶，用胶布或专用快速绝缘胶水（水玻璃和高岭土的混合剂），然后将EUT恢复原状，以最不利的电源电压状态给EUT供电，并施加负载让设备正常工作，用温升仪监测并采集测量结果。2.四端电阻法该方法主要用于测量绕阻的温升，它反映整个绕阻的平均温度。设备工作前，先确定要测量的绕阻数，首先测量试验开始时的室温t1,并用四端法测量绕阻的冷态电阻R1,然后使设备工作达到稳定状态后，(通常认为工作4h后设备即达到稳定状态，此时的温度、温升变化速率很低。)切断设备电源，立即测量断电瞬间绕阻的热态电阻R2，并记录试验结束时的室温t2。必要时也可以通过测量切断电源后一个时间段的相应电阻值来确定绕组电阻值与时间的关系曲线，由此来推算出EUT断电瞬间绕组的电阻值。绕阻温升计算公式如下：对铜导线绕阻：△t=(234.5+t1)－(t2－t1)对铝导线绕阻：△t=(225+t1)－(t2－t1)3.非接触式测量（红外线测量法）红外线测量方法是通过热幅射原理来测量温度，适用于高温或特殊不易触及的部位的温度测量，测量范围广，使用方便，能即时获得测量结果，但测量准确度一般。R2-R1R1R2-R1R1四．发热试验测量仪器的要求目前我们试验室用来测试温度的仪器主要有DR030B数字温度巡回检测仪、DH3815T自动温度巡检系统、Agilent的34970A数据采集/开关单元（温升）；热电偶的选用主要根据测量温度的范围、稳定性、测量精度、灵敏度等，一般实验室都选用铜－康铜的T型和铁－康铜的J型线径不超过0.3mm热电偶，J型热电偶曾是UL标准体系优先推荐之热电偶。测量绕阻的仪器有第4页共5页TH2512B智能直流低电阻测试仪和HP3478数字多用表，都能满足要求。五．发热试验中允许的最高温度或温升限值判定发热试验是否符合标准要求，在GB4943-2001标准中表4A，给出了温升限值表，但在该表中只列出了一些普通的通用的零部件最高温升限值，如A、E、B、F、H五种不同级别的绝缘，包括绕阻绝缘材料、外壳的内外表面等的最高温升限值，对于这些零部件可由表中直接选取相关限值。对其它如电容器、断电器等元器件，可通过查看这些元器件实物上的温度标记或查看相关元器件标准得到最高允许温升限值。在判定被测设备发热最高允许限值时，有几个问题需要特别说明。1.热电偶法测量比较简单，但用此法测量绕阻温升时应注意除电动机外温升限值应减少10K。2.允许温升超过限值的零部件必须满足如下二个条件①．不可能无意识地接触这样的零部件。②．有警告标记的零部件，该标记指明此零部件是发热的，如有标记的。3．标准中所规定的最高温度Tmax或最高温升△Tmax限值是基于环境温度25℃时作出的，有些产品制造商往往规定了最高使用环境温度，按IEC60950-1-2001中进行发热试验时每个元器件的温度限值应满足T≤Tmax+Tmab－Tmra,而式中Tmra值是按制造商规定的产品最高环境温度或25℃取大者，如果试验时采用不是25℃而是采用更高的温度如35℃或更高，那么一些主要的发热元件的温度可能就会超过限值。例如开关电源使用的电容器上标识的最高温度是105℃，在25℃时的最高温升限值是△Tmax=Tmax－Tmra=105－25=80K,而假如制造商规定的最高使用环境温度Tmra为40℃，此时折算的温升限值为△Tmax=Tmax－Tmra=105－40=65K，通过以往的比对试验我们知道环境温度对产品的温升影响很小，所以可以假设在环境温度为25℃和40℃时发热试验时的电容器的温升均为70K，超过环境温度为40℃时的温升限值65K，由此看出在制造商规定的最高使用环境温度下的温升是不符合要求的。以上是对电子产品发热试验中的条件、要求、判定等过程的基本概括，肯定还有不到之处，目前新的电子信息类产品类型很多，产品的标准要求也在不断更新提高，因此对试验检测人