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(huán)境的安全以及設施的順利運行，這些系統(tǒng)內(nèi)的所有設備都經(jīng)過仔細檢查。許多現(xiàn)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(tǒng)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(huán)境和機械壓力，例如振動和沖擊。環(huán)境溫度可能會對設備的性能產(chǎn)生負面影響，因此還必須采取措施防止由于高/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(yè)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(huán)境進行設計。

工業(yè)自動化中的 AC/DC 電源

工業(yè)自動化中需要通過交流輸入提供穩(wěn)壓直流電源的例子有很多。電機驅(qū)動器和其他電機控制系統(tǒng)將需要這些電源來打開直流電機，并在某些情況下控制其速度。例如，在工業(yè)泵中，液體以可變的速度進行處理。 啟動時，電機會產(chǎn)生較大的浪涌電流，可能會導致電源線電壓驟降并損壞其他設備，或者可能會強制系統(tǒng)重置。這些驅(qū)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(qū)動器需要穩(wěn)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(zhí)行器（例如閥島）也通常將線路電壓轉(zhuǎn)換為24 VDC 來運行。 這些系統(tǒng)普遍分散在整個工業(yè)自動化系統(tǒng)中，使得它們所包含的部件（即交流/直流電源）對于維持運行非常重要。為了使這些系統(tǒng)平穩(wěn)、安全地運行并具有較長的現(xiàn)場壽命，電源在標準合規(guī)性、堅固性和內(nèi)部安全功能方面也必須具有高質(zhì)量。

P-DUKE TBF500是一款 500W全磚封裝電源，安裝在系統(tǒng)機箱上，用于為高溫應用散熱。 TBF500的通用輸入范圍為 85 至 264 VAC，可以采用標準交流電源（120 VAC、230 VAC 或 240 VAC）并輸出 12、15、24、28、48 和 54 直流電壓進行供電。 憑借其各種功能，TBF500非常適合前面引用的一些案例。

安規(guī)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(guān)注低壓系統(tǒng)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(shù)安全標準、針對測試和測量 (T&M) 環(huán)境中使用的設備安全的 IEC/UL 61010-1、針對工業(yè)控制設備安全的 UL 508 等（例如， 、IEC 60364 和 EN 50110）。

OVC 級別將根據(jù)特定電氣設備的安裝位置而有所不同。根據(jù)其位置的不同，它可能必須承受由閃電或不穩(wěn)定的電網(wǎng)變化等因素造成的不同級別的瞬態(tài)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(tài)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(yè)設備，例如電機控制系統(tǒng)、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、浪涌電流限制器功能和 OVC III（過壓類別）（Figure 1）。

例如，該電源可用于安全 PLC 內(nèi)的數(shù)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，并將其轉(zhuǎn)換為具有能夠驅(qū)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(shù)字輸出模塊包含具有較大功率/電流水平（相對于數(shù)字輸入模塊/內(nèi)部微處理器）的控制器件（例如光耦合器、二極管、三端雙向可控硅開關(guān)組件等），如Figure 2 所示。

除此之外，工業(yè)設施中的任何安全儀表系統(tǒng) (SIS) 通常必須保證安全儀表等級 (SIL)。為此，必須評估系統(tǒng)內(nèi)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(xiàn)場壽命期間可能發(fā)生的潛在問題。對于電氣設備，這通常歸結(jié)為系統(tǒng)冗余、各種標準合規(guī)性，例如絕緣協(xié)調(diào)水平（即 OVC 類別）以及電氣設備的尺寸過大（導致額定電流/電壓遠高于工作電壓）電流/電壓。

IEC/UL/EN 62368-1 安規(guī)認證

TBF00 還獲得了 IEC/UL/EN 62368-1 安全認證。 62368-1 安全標準可應用于基于危險的安全工程 (HBSE) 方法的音頻/視頻 (A/V) 和信息通信技術(shù) (ICT) 領域的消費者和企業(yè)技術(shù)。該方法考慮設備的能源類型（例如 1、2 或 3 類），確定適當?shù)姆雷o措施以防止對人員或財產(chǎn)造成損害，并測試防護措施的有效性。 工業(yè)設備內(nèi)的內(nèi)部和外部電源可能必須遵守這些規(guī)定，特別是如果它們使用的系統(tǒng)屬于 A/V 或 IT 設備（例如網(wǎng)絡攝像頭、路由器、麥克風、聲卡、視頻采集卡等）。

電磁兼容性 (EMC)

工業(yè)設施內(nèi)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（并且經(jīng)常）干擾電子設備的運行。大型旋轉(zhuǎn)部件會產(chǎn)生電源波動并導致不必要的 EMI。 越來越多的電源采用 SiC 功率 MOSFET 等快速開關(guān)器件，如果未正確濾除這些器件，可能會產(chǎn)生 EMI。 在設備層面處理 EMI 對于維持工廠運行至關(guān)重要。電源必須符合 EMC 標準。 TBF500根據(jù) 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。對于 OCP，當電流超過電源的指定限制時，TBF500將關(guān)閉。 短時間后，電源將重新啟動，如果過流仍然存在，將再次關(guān)閉——因此稱為“打嗝模式”。 SCP 使用類似的自動恢復模式，在出現(xiàn)短路時電源將關(guān)閉并間歇性重新啟動，直到短路解決。內(nèi)部熱敏電阻將觸發(fā) OTP 功能并導致電源進入打嗝模式，直到溫度問題得到解決。輸出過壓保護采用拴鎖模式，檢測到過壓后需要手動重啟。 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(xiàn)浪涌電流限制器功能，以保護電源免受啟動電機時經(jīng)常出現(xiàn)的浪涌電流的影響（參見Figure 1）。 這在工業(yè)環(huán)境中特別有用，其組件在開啟時表現(xiàn)出低阻抗，導致電流浪涌，這也稱為浪涌電流。這種浪涌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。電機用于許多工廠流程和系統(tǒng)（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涌電流而損壞通常很重要。

環(huán)境和機械加固

在需要高可靠性的工業(yè)自動化應用中，安全性和法規(guī)遵從性至關(guān)重要。還必須考慮電源所表現(xiàn)出的環(huán)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(xù)的振動甚至機械沖擊。 還可能必須考慮環(huán)境壓力因素，例如暴露于高溫（和低溫）、溫度循環(huán)和暴露于高相對濕度。對于某些特殊的情況下，還可能會接觸工業(yè)設施中的刺激性化學品（例如鹽氣氛、爆炸性氣氛、液壓油、發(fā)動機油等）。 在某些情況下，設備需要保護免受這些潛在結(jié)果的影響。

MIL-STD-810F 美國軍用標準是處理各種環(huán)境壓力源測試的經(jīng)典標準之一（Table 4）。 TBF500根據(jù) MIL-STD-810F 標準進行了工作海拔（5000m 或 16,400'）、熱沖擊、機械沖擊和振動測試。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(jié)構(gòu)。例如，為了有資格在高海拔地區(qū)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(fā)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?？諝庠谌コ?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(guān)的。電源本身的功率密度和效率對于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松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(jié)合，是一種有效的發(fā)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(huán)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并聯(lián)，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(jié)論

TBF500已根據(jù)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(jié)合，確保設備在工業(yè)和企業(yè)級安全標準的指導范圍內(nèi)運行。 該電源還經(jīng)過了環(huán)境和機械可靠性測試，這是惡劣工業(yè)環(huán)境中的一個重要因素。 高效、功率密集的模塊還可以并聯(lián)連接以擴大功率，并將TBF500開放給更高功率范圍的工業(yè)應用。

原文鏈接：https://www.pduke.com.cn/sc/news_detail5_127.htm

TBF500: https://www.pduke.com.cn/sc/product_list383.htm

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