林鹏辉 王 璨 张华扬 刘嘉奕 漆志民 刘 伟

玩具是儿童在成长过程中探索和认识世界的最好载体。随着新型技术的快速发展，电玩具产品中的电路结构日益复杂。儿童由于认知能力不足和对自身保护意识的欠缺，如果使用不当将导致玩具元器件功能失效或桥接短路，可能会产生电击、着火危险，进而会危害儿童健康。世界各国和社会组织通过制定技术法规或产品标准的形式对电玩具的安全加以规范。

根据国家市场监督管理总局公布的通报和召回信息，自欧盟、美国及国际电玩具标准新规实施以来，通报召回我国出口电玩具的频次加剧，所涉及的缺陷主要有直钢针桥接短路导致的电池表面温升超标，电池室盖不借助工具可被轻易打开，冲击测试后纽扣电池可被轻易触及，模拟短路故障试验时电池漏液，爬电距离和电气间隙小于标准值等。其中，电子电路故障试验不合格是通报召回较为集中的缺陷，故障试验是电玩具检测的关键项目，测量并确定玩具电子电路的低功率点则是进行故障试验的前提条件，也是评估玩具电击危害的重要依据^[1]。

综合以上因素，本文通过电玩具中电子电路故障试验分析国内外标准差异，依据国内外标准要求，探索建立一种测定玩具电子电路低功率点的方法模型，研究确立标准分析、仪器配备、方法修正和符合性评定等一系列技术路线并通过实验手段进行验证，目的是为进出口玩具质量安全风险监测提供技术支撑^[2]。

1 检测标准的差异分析

为避免因电玩具电子电路故障造成的儿童意外伤害，世界各国和社会组织的标准化管理机构包括国际电工委员会、中国国家标准化管理委员会、美国材料与试验协会和欧洲电工标准化委员会分别通过制定电玩具的安全标准IEC 62115: 2017、GB 19865-2005、ASTM F963-17和EN IEC 62115: 2020＋A11: 2020进行模拟电子电路故障条件测试，以评估试验期间可触及部件的温升符合性^[3]。

现行国内电玩具的安全标准GB 19865-2005等同采用IEC 62115: 2003，标准要求如果玩具电路包含非低功率部分且玩具的其他部件对危险故障的防护不依赖该电路的正常工作，则应对玩具进行模拟故障条件测试。故障条件包括电气间隙和爬电距离小于0.5 mm的不同极性部件间的短路，电路任一元件接线端的开路，不满足GB/T 6346.14-2015要求的电容器短路，非集成电路的电子元件的任两个端子之间短路，三端双向可控硅以二极管方式工作及集成电路的故障。标准通过电子电路示例图给出测试低功率电路的参考方法^[4]。

2017年4月，国际电工委员会发布新版标准IEC 62115: 2017，代替IEC 62115: 2003＋A1: 2004＋A2: 2010。新版标准修订了模拟故障条件测试方法，在低功率电路测试中，供电方式由额定电压供电修订为以外部电源供电，且应确保该电源能够在额定电压下输送超过15 W的功率。2017年8月，美国材料与试验协会发布新版ASTM F963-17，代替ASTM F963-11，新版规范在电池驱动乘骑玩具的测试中增加低功率电路的测定，在包含充电电池或充电电池组玩具的测试中增加使用镍氢电池的模拟故障条件测试。2020年2月，欧洲电工标准化委员会发布新版标准EN IEC 62115: 2020＋A11: 2020代替EN 62115: 2005＋A12: 2015，新版标准在引用IEC 62115: 2017的基础上修订了模拟故障测试中集成电路的故障条件，增加微处理器的故障测试，减免晶体管和三极管的故障测试^[5]。GB 19865、IEC 62115及EN 62115标准关于模拟故障条件测试方法基本一致，均要求首先测定低功率点，再对非低功率电路部分进行模拟故障试验；ASTM F963标准关于模拟故障条件测试仅限于使用镍氢电池的玩具，对低功率点的测定仅限于电池驱动乘骑玩具。

国内外主要电玩具的安全标准新规发布时间及实施生效时间见表1。

经过对比，不同标准中低功率点测试方法基本一致，但不同的产品适用范围不同，且低功率点的判断标准（GB 19865、IEC 62115及EN 62115的功率小于15 W、ASTM F963的最大电流不超过8 A的点即被视为低功率点）不同，根据上述标准差异，本文设计一种准确高效测试电玩具中电子电路低功率点的方案。

2 测试方案的设计与实施

根据GB 19865、IEC 62115及EN 62115标准规定的测试方法，测定低功率点时，首先使用满足额定功率要求的电源对玩具供电，将可变电阻调至最大电阻值，以并联方式连接待测电路的测试点与电源的相反极性。然后缓慢减小电阻值，直到可变电阻消耗的功率达到最大值，更换测试点并重复上述过程。低功率点指在测试第5秒结束时，电源供给可变电阻的最大功率小于15 W且最靠近电源的点，低功率电路指距电源比低功率点远的那一部分电路^[6]。带低功率点的电子电路示例见图1。

图1 带低功率点的电子电路示例

Fig.1 Example of an electronic circuit with low-power points

其中，A点和B点是使可变电阻消耗的功率小于15 W，且最靠近电源的2个点，A点和B点是低功率点，Z4、Z5和Z8部分是低功率电路。D点是使可变电阻消耗的最大功率大于15 W，且最远离电源的一个点，Z1、Z2、Z3、Z6和Z7部分是高功率电路，故障条件可分别施加在Z1、Z2、Z3、Z6和Z7处。

根据电功率计算公式

(1)

式（1）中，W为可变电阻消耗的功率；t为测量时间；U为可变电阻的负载电压；I为可变电阻的通过电流。

2.1 低功率点的测试方案设计

2.1.1 示波器测量系统方案

测试方案首先要考虑使用配备直流电压探头和有源电流探头的示波器，测量可变电阻的负载电压U和通过电流I。通过使用示波器数学函数中的乘功能，将电压U和电流I的值逐点相乘，并显示结果波形。根据电功率计算公式，相乘结果即为可变电阻消耗的功率。

验证试验选用内置7.2 V、700 mAh可充电镍铬电池的玩具车，在电池满电状态下进行测试，调节可变电阻，直到该电阻消耗的功率达到最大值。测试位置的电压、电流和功率波形见图2。

图2 测试位置的电压、电流和功率波形图

Fig.2 Voltage, current and power waveforms of test position

测试结果显示，第5秒结束时可变电阻消耗的功率为0.85 W，常规使用万用表粗略测量值为4.85 W，差异较大。研究表明，在使用非插入式霍尔效应型电流探头测试功率时，由于电压探头和电流探头之间存在相位差，探头的传输延迟会对测量功率造成影响，示波器显示值为电压和电流对时间的瞬时函数，这两个数值的乘积为瞬时功率^[7]。此时，真实的有功功率需要对测试电压和电流的瞬时值进行积分，或使用测量软件校正所选探头组合的时间偏差，通过实时电流和电压信号调整电压通道和电流通道之间的延迟，以去除电压探头和电流探头之间传输延迟的差别^[8]。由于实验室现有示波器的功能限制，没有内置积分功能，目前无法使用示波器准确测量有功功率。

2.1.2 数字功率计测量系统方案

数字功率计的测量精度和准确性较高，能够满足测试要求，考虑使用数字功率计进行测量。将数字功率计内置的电流表与可变电阻串联，内置的电压表与可变电阻并联，输出端以并联方式连接待测电路的测试点与电源的相反极性。测试电压为可变电阻的负载电压，测试电流为可变电阻的通过电流，测试功率为可变电阻消耗的功率。通过分析测量电路，可变电阻消耗的功率与玩具电路功率等效，即当可变电阻消耗的功率小于15 W时，则判定该测试位置的玩具电路为低功率电路^[9]。低功率点的测量电路示例见图 3。

2.2 测试方案的实施

根据上文设计的测试方案和测量电路，研究确立具体可行的低功率点的测试流程。测定玩具电路的低功率点时，首先应测量电源位置的可变电阻消耗功率；如果小于15 W，则判定该玩具电路为低功率电路。反之，继续测量最靠近电源的测试点的可变电阻消耗功率。如果最靠近电源的测试点功率小于15 W，则判定该玩具电路除电源外均为低功率电路；如果大于15 W，则重复上述测量直至测得可变电阻消耗功率小于15 W的测试点，该点即为低功率点，距电源比低功率点远的那一部分电路即为低功率电路。设计低功率点的测试流程见图4。

图3 低功率点的测量电路

Fig.3 Measurement circuit of low-power points

图4 低功率点的测试流程图

Fig.4 Test flow charts of low-power points

3 验证试验和结果分析

测试仪器选用横河数字功率计WT310E，仪器的视在功率精度为±0.1%，直接输入电流量程为5～20 mA，满足试验精度和量程要求。使用横河数字功率计配套数据采集软件WTViewerFreePlus同步获取测试第5秒结束时，可变电阻消耗的最大功率值。测试样品选用内置6 V、4.5 Ah铅酸蓄电池作为电源的电动乘骑玩具，玩具控制系统由IC芯片、运放电路、开关控制继电器、非自复位保险丝、PTC电阻、驱动电机和转向电机等元器件构成，控制方式为电机驱动童车前进、后退、转向、制动等，判定测试年龄为36～96个月。电动乘骑玩具样品的主控电路板见图5。

图5 电动乘骑玩具样品的主控电路板

Fig.5 Main control circuit board of electrically driven ride-on toys

电动乘骑玩具样品的主控电路板焊点面及测试位置见图6。

测试时，首先确保样品内置的铅酸蓄电池处于满电状态，接通电源与主控电路，将可变电阻与数字功率计的电压表并联，并联后可变电阻的一端连接童车主控电路板的电源负极插线端焊点，可变电阻的另一端与数字功率计的电流表串联^[10]。为防止元器件急剧升温或爆裂产生灼伤危险，测试时需佩戴隔热手套。

首先，测量样品主控电路板的电源正极插线端焊点，调节可变电阻，缓慢减少电阻值，直到该电阻消耗的功率达到最大值。通过WTViewerFreePlus软件获取第5秒结束时该位置的负载电压为2.807 V，测试电流为12.069 A，最大功率为25.290 W，根据标准对低功率点的消耗功率不超过15 W的要求，判定该测试点为高功率点，即电源正极位置的电路为高功率电路。电源正极位置的测量趋势图见 图7。

图7 电源正极位置的测量趋势图

Fig.7 Measurement trend chart of positive position of power supply

其次，测量主控电路板焊点面的测试位置D，将数字功率计的正极探笔移至D点，调节可变电阻，直到该电阻消耗的功率达到最大值，获取该位置的负载电压为4.850 V，测试电流为4.688 A，最大功率为21.570 W，根据标准对低功率点的消耗功率不超过15 W的要求，判定测试位置D为高功率点，电源正极至测试位置D之间的电路为 高功率电路。测试位置D的测量趋势图见图 8。

图8 测试位置D的测量趋势图

Fig.8 Measurement trend chart of test position D

再次，测量主控电路板焊点面的测试位置A，调节可变电阻，直到该电阻消耗的功率达到最大值，获取该位置的负载电压为5.056 V，测试电流为3.259 A，最大功率为15.874 W，根据标准对低功率点的消耗功率不超过15 W的要求，判定测试位置A为高功率点，电源正极至测试位置A之间的电路为高功率电路。测试位置A的测量趋势图 见图9。

图9 测试位置A的测量趋势图

Fig.9 Measurement trend chart of test position A

最后，测量主控电路板焊点面的测试位置B，调节可变电阻，直到该电阻消耗的功率达到最大值，获取该位置的负载电压为5.635 V，测试电流为2.057 A，最大功率为11.372 W，根据标准对低功率点的消耗功率不超过15 W的要求，判定测试位置B为低功率点，电源负极至测试位置B之间的电路为低功率电路。测试位置B的测量趋势图 见图10。

图10 测试位置B的测量趋势图

Fig.10 Measurement trend chart of test position B

测定低功率电路的验证试验结果见表2。

表2 测定低功率电路的验证试验结果

Table 2 Verification test results for measuring low-power circuits

通过验证，使用数字功率计测试电路低功率点的方案能够实现对可变电阻消耗功率的有效测量，数字功率计内置的高精度电压表和电流表确保了测试结果的准确可靠，使用WTViewerFreePlus软件对电气参数的变化趋势进行记录，提升了测试操作的便捷性。

4 在故障试验中的应用

根据IEC 62115、EN 62115标准要求，测定电路的低功率点后对非低功率电路部分进行模拟故障条件测试，测试时玩具可触及部件表面的温升不应超过标准指定值的1.5倍。玩具带电部件的发热主要以工作电流作用于部件内阻的形式产生，根据温升计算公式

(2)

式（2）中，P为带电部件消耗的功率；k为散热系数；S为带电部件的散热面积；I为工作电压；R为带电部件内阻。

施加故障条件后，在受试部件表面粘贴热电偶，采用对受试部件温度影响较小的细丝热电偶，测量并记录受试部件的表面温度。测试时对使用电源或变压器供电的玩具以1.06倍或0.94倍额定电压供电，带可充电电池且在充电期间可以运行的玩具在充电模式下进行试验，取较不利的情况，每次施加一个故障条件，并考虑随之发生的故障^[11]。

5 结语

测定电子电路低功率点是电玩具检测中判定是否进行模拟故障试验的重要依据。本文根据我国和欧盟电玩具安全标准要求，分别使用示波器和数字功率计验证两种不同测试方案进行研究。经过分析验证两种方案的优劣，最终确立采用数字功率计连接可变电阻的测试方案，并设计出具体可行的测试流程，通过该测试方案能够准确、有效地测量电子电路中各点的功率，并判断电路中的低功率点，可为检测机构和玩具生产企业评估电玩具发热和非正常工作的危害提供方法参考。

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