在高可靠性工業應用中尋找合適的交流/直流電源供應器

工廠自動化應用中的電子設備通常需要遵守一些最嚴格的標準，以滿足各種功能安全要求。為了確保操作員和周圍環境的安全以及設施的順利運行，這些系統內的所有設備都經過仔細檢查。許多現成的交流/直流電源供應器可能不適用，因為它們可能沒有足夠的保護來防止過壓瞬變、外部系統的噪聲以及確保組件可靠運行的其他保護機制。這些應用中的電源還必須堅固耐用，能夠承受常見的環境和機械壓力，例如振動和衝擊。環境溫度可能會對設備的性能產生負面影響，因此還必須採取措施防止由於高/低溫度和可變的相對濕度而導致過早故障。本文深入探討了為高可靠性工業和機器人應用選擇電源時需要考慮的各種因素，以及P-DUKE的TBF500 全磚500W交流/直流電源如何針對這些惡劣環境進行設計。

工業自動化中的 AC/DC 電源

工業自動化中需要通過交流輸入提供穩壓直流電源的例子有很多。電機驅動器和其他電機控制系統將需要這些電源來打開直流電機，並在某些情況下控制其速度。例如，在工業泵中，液體以可變的速度進行處理。 啟動時，電機會產生較大的浪湧電流，可能會導致電源線電壓驟降並損壞其他設備，或者可能會強制系統重置。這些驅動器通常使用接觸器和電機啟動單元來隔離和保護其他電子設備。通常，電機啟動裝置、接觸器、繼電器和變速驅動器需要穩定的 24 VDC 電壓。可編程邏輯控制器 (PLC)、人機界面 (HMI)、傳感器（例如壓力、液位、溫度/濕度）和執行器（例如閥島）也通常將線路電壓轉換為24 VDC 來運行。 這些系統普遍分散在整個工業自動化系統中，使得它們所包含的部件（即交流/直流電源）對於維持運行非常重要。為了使這些系統平穩、安全地運行並具有較長的現場壽命，電源在標準合規性、堅固性和內部安全功能方面也必須具有高質量。

P-DUKE TBF500 是一款 500W全磚封裝電源，安裝在系統機箱上，用於為高溫應用散熱。 TBF500 的通用輸入範圍為 85 至 264 VAC，可以採用標準交流電源（120 VAC、230 VAC 或 240 VAC）並輸出 12、15、24、28、48 和 54 直流電壓進行供電。 憑藉其各種功能，TBF500 非常適合前面引用的一些案例。

安規認證

過電壓類別 (OVC) III

工廠和樓宇自動化應用越來越需要 III 類過電壓 (OVC III) 級別。 這些類別被列入許多國際安全標準中。 最常被引用的是 IEC 60664-1 標準，該標準重點關注低壓系統的絕緣要求（即爬電距離和間隙距離）。 其他標準包括 IEC/EN/UL 62368-1 信息技術安全標準、針對測試和測量 (T&M) 環境中使用的設備安全的 IEC/UL 61010-1、針對工業控制設備安全的 UL 508 等（例如， 、IEC 60364 和 EN 50110）。

OVC 級別將根據特定電氣設備的安裝位置而有所不同。根據其位置的不同，它可能必須承受由閃電或不穩定的電網變化等因素造成的不同級別的瞬態過電壓。Table 1 和Table 2 列出了不同標稱電壓下不同 OVC 級別可承受的瞬態電壓，以及具有不同OVC 額定值的設備的位置。

如Table 2 所示，與固定裝置永久連接的配電級電路和工業設備，例如電機控制系統、配電盤和負載中心，可以在 OVC III 級下安全使用。P-DUKE的TBF500為 OVC III，可保護設備和操作員。請注意，只需幾個額外組件即可符合 EN/IEC 50032 Class B、浪湧電流限制器功能和 OVC III（過壓類別）（Figure 1）。

例如，該電源可用於安全 PLC 內的數為輸出模塊，這些模塊獲取自動化程序邏輯處理的相對較弱的信號，並將其轉換為具有能夠驅動輸出設備（例如， 閥門、步進電機、繼電器、指示燈、線圈、警報器、機械制動器等中的螺線管）。這些通常使用外部電源，因為數位輸出模塊包含具有較大功率/電流水平（相對於數位輸入模塊/內部微處理器）的控制器件（例如光耦合器、二極管、三端雙向可控矽開關元件等），如Figure 2 所示。

除此之外，工業設施中的任何安全儀表系統 (SIS) 通常必須保證安全儀表等級 (SIL)。為此，必須評估系統內每個組件的可靠性或故障概率 (PFD)。因此，必須分析機械和電氣組件在其現場壽命期間可能發生的潛在問題。對於電氣設備，這通常歸結為系統冗餘、各種標準合規性，例如絕緣協調水平（即 OVC 類別）以及電氣設備的尺寸過大（導致額定電流/電壓遠高於工作電壓）電流/電壓。

IEC/UL/EN 62368-1 安規認證

TBF00 還獲得了 IEC/UL/EN 62368-1 安全認證。 62368-1 安全標準可應用於基於危險的安全工程 (HBSE) 方法的音頻/視頻 (A/V) 和信息通信技術 (ICT) 領域的消費者和企業技術。該方法考慮設備的能源類型（例如 1、2 或 3 類），確定適當的防護措施以防止對人員或財產造成損害，並測試防護措施的有效性。 工業設備內的內部和外部電源可能必須遵守這些規定，特別是如果它們使用的系統屬於 A/V 或 IT 設備（例如網絡攝像頭、路由器、麥克風、聲卡、視頻採集卡等）。

電磁兼容性 (EMC)

工業設施內有許多噪聲源。例如，UPS 設備可以生成非正弦波形，其中攜帶附近設備可以傳導的諧波和噪聲。 這可能（並且經常）干擾電子設備的運行。大型旋轉部件會產生電源波動並導致不必要的 EMI。 越來越多的電源採用 SiC 功率 MOSFET 等快速開關器件，如果未正確濾除這些器件，可能會產生 EMI。 在設備層面處理 EMI 對於維持工廠運行至關重要。電源必須符合 EMC 標準。 TBF500 根據 EN/IEC 55032 或 EN 61000 標準中的各種條件進行測試，如Table 3 所示。請注意，當將四個螺栓連接到屏蔽平面時，可以進一步降低 TBF500 的 EMI。

保護功能

除了符合各種安全標準之外，電源本身還應該具有許多保護功能以防止故障。TBF500 包括過流保護、短路保護 (SCP)、過溫保護 (OTP) 和輸出過壓保護。對於 OCP，當電流超過電源的指定限制時，TBF500 將關閉。 短時間後，電源將重新啟動，如果過流仍然存在，將再次關閉——因此稱為“打嗝模式”。 SCP 使用類似的自動恢復模式，在出現短路時電源將關閉並間歇性重新啟動，直到短路解決。內部熱敏電阻將觸發 OTP 功能並導致電源進入打嗝模式，直到溫度問題得到解決。輸出過壓保護採用拴鎖模式，檢測到過壓後需要手動重啟。 所有這些功能都可以保護設備免受電源變化和故障的影響。

還可以通過附加設備來實現浪湧電流限制器功能，以保護電源免受啟動電機時經常出現的浪湧電流的影響（參見Figure 1）。 這在工業環境中特別有用，其組件在開啟時表現出低阻抗，導致電流浪湧，這也稱為浪湧電流。這種浪湧電流可以在包含快速放電電容器的電路中看到，或者更常見的是，在啟動時加速以滿足啟動時指定馬力的電機中。電機用於許多工廠流程和系統（例如滑輪、傳送帶、皮帶、機器人等），因此確保連接的電路不會因潛在浪湧電流而損壞通常很重要。

環境和機械加固

在需要高可靠性的工業自動化應用中，安全性和法規遵從性至關重要。還必須考慮電源所表現出的環境和機械阻力的另一層考慮。 在某些情況下，設備可能會受到持續的振動甚至機械衝擊。 還可能必須考慮環境壓力因素，例如暴露於高溫（和低溫）、溫度循環和暴露於高相對濕度。對於某些特殊的情況下，還可能會接觸工業設施中的刺激性化學品（例如鹽氣氛、爆炸性氣氛、液壓油、發動機油等）。 在某些情況下，設備需要保護免受這些潛在結果的影響。

MIL-STD-810F 美國軍用標準是處理各種環境壓力源測試的經典標準之一（Table 4）。 TBF500 根據 MIL-STD-810F 標准進行了工作海拔（5000m 或 16,400'）、熱衝擊、機械衝擊和振動測試。它還可以在高達 95% 的相對濕度下運行。

這種級別的加固需要特殊的設計和獨特的結構。例如，為了有資格在高海拔地區運行的工廠或設施中工作，需要更大的間隙和爬電距離以限制高壓電弧的風險。這種情況更有可能發生在海拔較高的地方，因為大氣層較稀薄，因此是一種不太有效的絕緣體。空氣在去除 PCB 熱量方面也不太有效，可能會導致熱管理問題。在設計高海拔電源時必須考慮到這一點。

熱管理和封裝尺寸

就電源而言，熱管理和封裝尺寸通常是相關的。電源本身的功率密度和效率對於減小解決方案的整體尺寸非常重要。 TBF500 電源完全封裝在緊湊的磚形封裝 (4.2”x 2.4”x 0.5”) 中，功率為 500W。該器件的運行效率高達 93%，空載功耗僅為 0.6W。 其 0.5 英寸或 12.7 毫米的高度使電源能夠輕鬆安裝在外形有限的空間中。全封裝外形尺寸與底板冷卻相結合，是一種有效的發熱對策，使該交流/直流電源供應器在滿載或降額的情況下能夠在 -40 °C 至 105 °C 的嚴苛環境中處理惡劣的應用（Figure 3）。

該模塊還可以與可選的均流功能並聯，最多允許三個模塊將輸出功率提高至 1275W（Figure 4）。 注意每個模塊不應超過最大輸出功率的85%。

結論

TBF500 已根據多項標準進行了測試和認證，使其更適合工廠自動化等高可靠性應用。 OVC III 過電壓類別等級與其 IEC/UL/EN 62368-1 安全認證和 EMC 相結合，確保設備在工業和企業級安全標準的指導範圍內運行。 該電源還經過了環境和機械可靠性測試，這是惡劣工業環境中的一個重要因素。 高效、功率密集的模塊還可以並聯連接以擴大功率，並將 TBF500 開放給更高功率範圍的工業應用。