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音频功放产品的安规测试和认证

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音频功放产品的安规测试和认证

随着音乐会、演唱会日益增多,音频功放产品也层出不穷。生产符合国家安规标准要求的音频功放产品成为广大电源适配器制造厂商共同关心的事情。根据近几年安规测试、认证过程中经常遇到的问题,结合GB8898-20011深入解读,探讨相应的解决方法。

1 常见问题和解决办法
1.1 温升测试和发热

音频功放设备在正常工作条件和异常工作条件下需要满足标准中的温升测试要求,相应温度限制要求在标准中有详细的阐述,本文只讨论温升测试的注意事项和解决方法。目前大多数音频功放设备的电源适配器电源板、功放板、信号板都做成一块,整板上的发热源较多,如整流管、开关变压器、环形变压器、起功率放大作用的三极管和场效应管、快恢复二极管、磁性元件、水泥电阻、电解电容等,其周边温度通常会高于其他元件的周边温度,将这些元件附近做为温升考核对象。由于无法在环形变压器的绕组上布热电偶,所以采用四线法或者微欧姆计,通过测量绕组的冷态电阻和热态电阻来计算绕组的温升。由于音频功放的额定功耗在1000W到2000W之间,所以必须解决好散热问题。对于元器件的选择,建议采用高品质的元件来减少无功损耗和发热。

将发热量极大的功放三极管和场效应管固定在一块大的散热片上,并涂抹用于导散热的硅胶;其他发热量大的元器件也要固定在小的散热片上。由于散热片的散热效果与散热片选材、结构、安装方式、接触面积、接触粗糙度、散热通道、散热片表面温度、导热材料特性等因素有关,因此建议现根据本机结构,结合预计使用条件,建立等效的热传递模型,优化选材方案,建立合理的元器件布局。关于元器件布局,建议印刷电路板采用水平方式放置,使气流有效地流过元器件表面;发热量大的元器件放在印制板上方,发热量小的元器件放在印制板下方;在大的散热片两侧安装风扇,及时挥发散热片上的热量;外壳的两侧开对流散热孔,合理安排内部引线布局,尽量减小对内部气体对流效果的影响。


1.2 防触电结构
目前,部分音频功放产品由于结构、选材等方面的限制,机器内部危险带电部件与可触及导电零部件之间的绝缘不满足标准要求,主要表现为以下三种情况:
情况一:次级导线从初级危险带电零部件表面穿过,容易导致危险带电零部件与可触及导电零部件相连的次级导体之间的绝缘不满足标准要求。
标准解读:对于一类设备,若次级导线与保护接地导电连接,则初级危险带电点零部件与该次级导线间的绝缘只要满足相应的基本绝缘抗电强度和绝缘阻抗要求即可;若次级导线与保护接地没有导电连接,则危险带电零部件与该次级导线间的绝缘需要满足加强绝缘或双重绝缘关于厚度、绝缘阻抗和抗电强度等相关要求。
对于二类设备,危险带电零部件与次级导线间的绝缘要满足加强绝缘或者双重绝缘关于厚度、绝缘阻抗和抗电强度等相关要求。
解决办法:在产品设计上,要避免次级导线从初级危险带电部件表面穿过;若结构不允许,对于有基本绝缘要求的次级导线要求它的绝缘能够承受相应的抗电强度和绝缘阻抗测试;对于有双重绝缘或者加强绝缘要求的次级导线要求它的绝缘能够承受相应的抗电强度和绝缘阻抗测试,并满足绝缘的厚度要求。由于该导线绝缘的损伤会引起标准意义上的危险,因此,必须将该导线进行固定,当施加2N的力时,导线不会受到诸如尖锐边缘、运动零部件的磨损和挤压,也不会使其触碰到温度超过标准对该种导线绝缘允许温度的零部件。
情况二:电源适配器电源板背面危险带电零部件的引脚和与可触及零部件导电连接的金属外壳距离太近,导致危险带电零部件与可触及导电零部件之间的绝缘不能满足标准的要求。
标准解读:危险带电零部件和与可触及零部件导电连接的金属外壳之间应该进行有效隔离,对于一类结构,应该满足基本绝缘要求;对于二类结构,需要满足加强绝缘或双重绝缘要求。每种绝缘应各自承受相应的抗电强度和绝缘阻抗测试,并且满足相应的绝缘厚度以及防火要求。结构设计应该使元器件引脚不能对绝缘进行磨损和挤压。
解决办法:在危险带电部件和金属外壳之间加绝缘垫片或者增加它们之间的距离。绝缘垫片需要满足以下要求:绝缘垫片需要将危险带电部件完全覆盖住,并且能够满足相应的电气强度、绝缘阻抗、绝缘厚度和防火的要求。如果增加它们之间的距离,那么最短距离需要满足加强绝缘的爬电距离和电气间隙。建议完善生产流程,控制元器件引脚长度,防止带电部件进入上述区域内。
情况三:设备外壳侧面开孔尺寸过大,导致电气间隙和爬电距离不合格以及异物通过开孔进入设备内部。
标准解读:设备外壳的设计应该使得用金属试验针或者标准试验指插入设备外壳侧面开孔,不能触及到危险带电部件以及异物无法通过开孔进入设备内部。
解决办法:外壳侧面开孔尺寸控制在4mm范围内,确保在用试验指进行相关插入试验后不能触碰到危险带电部件,开孔形状设计成百叶窗等形式确保异物无法通过开孔进入设备内部。

1.3 接触电流和断电插头放电量
接触电流指当人体接触设备的一个或一个以上可触及零部件时通过人体的电流。为了确定端子的零部件或接触件是否危险带电,接触电流在任意一个零部件或接触件与试验时所用的电源适配器的任意一级之间进行测量。使用GB8898的附录D规定的测量网络测量接触电流,对于交流如果U1>35V(峰值)以及U2>0.35V(峰值)或者对于直流U1>1V,就认为端子的零部件或接触件是危险带电的。大量试验表明,在隔离元件中,通过跨接在初次级间的Y电容的漏电流对整机的接触电流贡献很大。电容量越大,电压越高,接触电流也就越大。
因此,在解决电磁兼容共模干扰问题的同时,有效减少电容中的漏电流,将整机接触电流控制在标准限值范围内,是工程师们设计的重点。
对预定要用电源适配器插头与电网电源连接的设备,其设计应当确保在插头从电源插座拔出2s后,当接触插头的插脚或插销时,不得因电容器存储的电荷而产生电击危险。插头放电实际上是考核跨接在火线和零线之间的X电容的放电能力。X电容两端的电压为
Uc=U0×e-
t/rc
式中:Uc为X电容两端的电压,t为放电时间,r为放电电阻阻值,C为X电容容量,U0为初始时刻X电容两端的电压,等于电网电源适配器电压。
从方程中可以看出,提高放电电阻阻值以及X电容容量可以加快X电容放电。由于电磁兼容差模干扰测试对X电容的电容量有要求,不能盲目减少X电容的电容量,因此,工程师设计的时候,需要在解决电磁兼容差模干扰、减少元件使用成本等问题基础上合理地减小放电电阻阻值。

1.4 电气间隙和爬电距离
电气间隙的尺寸应当确保进入设备的瞬态过电压和设备内部产生的峰值电压不会击穿该电气间隙;爬电距离的尺寸应该确保在给定的工作电压和污染等级下不会出现绝缘闪络或击穿,它们是安规认证中最重要的的项目之一。
电源适配器电源板中零线和火线之间的最短距离要满足基本绝缘的要求,保险丝两个引脚之间的最短距离要满足基本绝缘的要求,初级电路和次级电路之间的距离要满足加强绝缘的要求,并且需要选用满足双重绝缘或者加强绝缘要求的元件(比如Y电容、变压器、光耦)进行隔离。对于一类设备而言,危险带电部件与接地金属外壳、螺钉、端子等可接触零部件之间的距离要满足基本绝缘要求,与未接地的金属外壳、螺钉、端子等可接触零部件之间的距离要满足加强绝缘要求。对于二类设备而言,危险带电部件与金属外壳、螺钉、端子等可接触零部件之间的距离要满足基本绝缘要求。对变压器进行结构检查,初级线圈与铁芯之间的距离要满足基本绝缘要求,次级线圈与铁芯之间的距离要满足附加绝缘要求,初级线圈与次级线圈之间的距离要满足加强绝缘要求。

1.5 防火
设备的设计应当尽可能做到防止着火和火焰的蔓延,并且不得对设备的周围引起着火的危险。
建议采取下列措施来实现:
1)在设备的设计上和生产上采用良好的技术措施,以避免产生潜在引燃源;
2)与潜在引燃源临近的内部零部件使用低可燃性的材料;
3)采用防火防护外壳限制火焰蔓延。距潜在引燃源的距离和相应的可燃性等级见表。


表1 距潜在引燃源的距离和相应的可燃性等级
2 结语
随着音频功放产品在我国的普及,接触音频功放设备的用户也越来越多,产品的安全性能显得尤为重要。本文结合标准对音频功放设备的安规测试和认证中遇到的问题进行了深入剖析,提出了解决问题的办法,希望制造厂商在提高产品性能、打造自身品牌的同时,特别要重视影响到千万用户生命安全的质量问题。


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| 发布时间:2018.10.12    来源:电源适配器厂家
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