高寿命轻型笔记本电脑电源线的研制

笔记本电脑的正常使用寿命通常为3～5年，电源线作为配套设备，理应具有同等使用寿命。然而，电源线频繁的移动使用和拉拔收卷，易出现过度的弯折、拉伸、绕线、芯线之间摩擦，甚至会发生导体断裂、电源线无法使用等故障。据统计，笔记本电脑电源线的损坏更换周期仅为半年左右。

为此，本工作结合市场前景研制出一种成本低、体积小、寿命长的笔记本电脑电源线，匹配Type-C接口，不仅可以解决寿命短的问题，还改善了传统电源线不便携带的缺点，为消费者带来更好的体验。

精读

影响电源线寿命和质量的因素

通过对电源线的特性、使用环境和状态分析，影响电源线寿命和质量的因素主要有电源线自身因素、自然环境因素、人为因素等。

1）自身因素。电源线的产品性能涉及结构设计、材料选型、工艺、质控、管理等环节，任何一个环节出现纰漏，都将导致电源线的性能变差。

2）自然环境因素。自然环境包含温度、湿度等，如长期暴晒在阳光下会导致护套层开裂，进而影响电源线使用寿命。

3）人为因素。人为使用条件不当，比如使用过程中的机械损伤、频繁收卷电源线、拉拔插头线，或使电源线长期带电、适配器接触松脱致尖端放电等，均会降低电源线的使用寿命。

4）体积大。传统Type-C接口电源线由两根绝缘单线和一根充电确认信号线组成，挤出护套后，所得到的产品外径大，耗材多，进而影响电源线的质量。

电源线的改进

依据客户对高寿命轻型笔记本电脑电源线性能的要求，其主要可靠性技术指标见表1，考虑到产品配套设备会销往不同的地区及国家，电源线还须满足UL 758-2019《电器布线电线电缆及其试验方法》及UL 1581-2019《电线电缆和软线参考标准》的规定。

表1 高寿命轻型笔记本电脑电源线可靠性指标

针对上述可靠性指标和产品标准要求，本工作以型号为AWM 20276 18AWG×1C+24AWG×1C+D OD:4.05mm电脑电源线用电缆为例，对其改进后的结构和工艺进行说明。

1、结构改进

传统型电源线结构，由两根绝缘单线和一根充电确认信号线组成，三芯成缆后，再挤包一层聚氯乙烯（PVC）护套。同等护套厚度情况下，传统型电源线护套相对改进型外径较大，不便于携带；且耗材多，成本高，没有市场竞争优势。

为提高产品便携性和市场竞争力，本工作对传统型电源线结构进行改进，将电线接地端（GND）线芯设计成裸线，改进后电源线的外径由原来的4.6mm减小至4.05mm；单位长度质量由原来的27kg·km-1减小至21 kg·km-1；成本由原来的每千米1490元减小至1420元。传统型和改进型电源线的结构对比示意图见图1。

图1 传统型和改进型电源线的结构示意图

2、工艺设计

1）导体

电源线导体主要依据其可靠性指标和产品标准要求设计。在导体结构设计和束、绞工艺设计时，须提高电缆的耐弯曲性能。导体按标准GB/T 3956—2008规定的第6种软铜导体规格设计，单丝直径为0.12mm；同时为提升寿命，在束线时填充一根750D尼龙丝。

2）绝缘

符合电源线要求的绝缘料有耐热等级为105℃的PVC、聚四氟乙烯（PTFE）、交联聚烯烃、聚丙烯（PP）等。交联聚烯烃成本相对PTFE较低，但要增加电子辐照加工工艺。出于成本考虑，改进方案中信号线与电源线的绝缘料分别选用PP和耐热等级为105℃的PVC，生产时导体过预热器，绝缘同心度控制在90%以上，芯线做浸锡测试：在温度为（330±5）℃的锡炉中浸5s，绝缘层热收缩不大于1mm。

3）成缆

成缆节距过大时，绝缘和护套机械性能可能不达标。常规的成缆工艺，裸地线易扭绞，导致成缆外观差。改进方案中绞合采用630型悬臂式单绞机，绝缘线芯采用普通放线装置，裸地线采用返燃机放线装置，设置成缆节距为（50±5）mm，右向绞合而成。

4）护套

护套对电源线内部起直接保护作用，保护电源线不受机械损伤。依据电源线的可靠性指标、产品标准和性价比，对多种护套材料进行试验、验证和对比，优选UL认证的80℃雾面PVC，邵氏A硬度为80A，挤出内模管嘴长为0.5mm，外模设计比标称线径大0.25mm，电缆线芯过滑石粉后充实押出，电缆外径控制在（4.05±0.10）mm。

试验部分

耐弯折试验项目主要是验证生产工艺对电源线寿命性能的影响，考察的是电源线（绞合导体、绝缘、编织导体、护套等）传输性能不被反复弯折运动影响的能力。

1、试验设备

试验设备为YH-8801A型电线弯折试验机。

2、试验方法

结合客户要求和ANSI/EIA-364-41C-1999标准中方法，选取不同的材料、工艺和设备，分别进行制样、验证、对比分析。裸地线的规格为（72/0.12）mm镀锡铜+750D尼龙丝，是影响耐弯折测试性能好坏的关键因素，本试验优选列出五种方案，每种方案两条试验样品，分别记为1-1，1-2，2-1，…，5-2，并按照表1中耐弯折测试1的要求进行测试。

方案一：减小裸地线节距。用400型束丝机束线，束绞节距由（16±2）mm减小为（10±2）mm。

方案二：复绞。用18根0.12mm单丝镀锡铜线在400型束丝机上进行束绞，束绞节距为（11.56±2）mm，再用4股束绞线进行复绞，复绞节距为（22±2）mm，导体复绞时将尼龙丝放置在导体中心，4根铜丝股线放置在周围。

方案三：过一道分线盘。用400型束丝机束绞，尼龙丝和72根单丝镀锡铜线分别穿过分线盘的分线孔。具体设置为：尼龙丝放置在分线盘的中心孔，72根单丝镀锡铜丝依次放置在中心孔的外围，第二层12根，第三层 15根，次外层19根，外层26根。束绞节距为（13.87±2）mm，护套押出前，缆芯半成品过滑石粉。

方案四：缠绕机束绞。用300型缠绕机束绞，750D尼龙丝做“主线”放置在中心，72根单丝镀锡铜线缠绕在尼龙丝上，缠绕节距为（13.87±2）mm，护套押出前，缆芯半成品过滑石粉。

方案五：过三道分线盘。用400型束丝机束绞，尼龙丝和72根单丝镀锡铜线过三道分线盘，具体设置为：尼龙丝和12根单丝镀锡铜线分别穿过第一道分线盘的分线孔；15根单丝镀锡铜线分别穿过第二道分线盘的第二层分线孔；19根单丝镀锡铜线分别穿过第三道分线盘的次外层分线孔；26根单丝镀锡铜线分别穿过第三道分线盘的外层分线孔。束绞节距为（13.87±2）mm，护套押出前，缆芯半成品过滑石粉。

3、结果分析

五种方案的耐弯折试验结果见表2。

表2 五种方案的耐弯折试验结果

由表2中的测试结果可知：方案一成缆后裸地线节距再次变小，导致裸地线扭绞严重，进而影响成品外观；方案二中分股束线，可以提升耐弯折性能，但束线外径增大导致成缆外径变大，影响成品外观和护套厚度；方案三中一道分线板束线，成品外观好，但耐弯折性能不合格；方案四和方案五，各项性能测试指标均可以满足，但方案四在缠绕机生产时需增加倒轴工序，人工成本较高；方案五中导体采用400型束丝机束线，立式带张力放线架，束线后导体光滑圆整，成缆裸地线采用返燃机放线，避免了束线扭绞问题的发生，提升了产品圆整度。

本工作介绍了高寿命轻型笔记本电脑电源线的研制及设计，并重点阐述了影响电源线寿命和质量的因素及耐弯折性能试验，产品结构简单、寿命长、质量轻。随着5G通信技术和人工智能的融合与发展，此类产品需求将日益增加，并且市场前景广阔。