工廠自動(dòng)化應(yīng)用中的電子設(shè)備通常需要遵守一些最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)施的順利運(yùn)行，這些系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備都經(jīng)過仔細(xì)檢查。許多現(xiàn)成的交流/直流電源供應(yīng)器可能不適用，因?yàn)樗鼈兛赡軟]有足夠的保護(hù)來防止過壓瞬變、外部系統(tǒng)的噪聲以及確保組件可靠運(yùn)行的其他保護(hù)機(jī)制。這些應(yīng)用中的電源還必須堅(jiān)固耐用，能夠承受常見的環(huán)境和機(jī)械壓力，例如振動(dòng)和沖擊。環(huán)境溫度可能會(huì)對(duì)設(shè)備的性能產(chǎn)生負(fù)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(duì)濕度而導(dǎo)致過早故障。本文深入探討了為高可靠性工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用選擇電源時(shí)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(duì)這些惡劣環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工業(yè)自動(dòng)化中的 AC/DC 電源

工業(yè)自動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器和其他電機(jī)控制系統(tǒng)將需要這些電源來打開直流電機(jī)，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(jìn)行處理。 啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，可能會(huì)導(dǎo)致電源線電壓驟降并損壞其他設(shè)備，或者可能會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)重置。這些驅(qū)動(dòng)器通常使用接觸器和電機(jī)啟動(dòng)單元來隔離和保護(hù)其他電子設(shè)備。通常，電機(jī)啟動(dòng)裝置、接觸器、繼電器和變速驅(qū)動(dòng)器需要穩(wěn)定的 24 VDC 電壓。可編程邏輯控制器 (PLC)、人機(jī)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(yùn)行。 這些系統(tǒng)普遍分散在整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，使得它們所包含的部件（即交流/直流電源）對(duì)于維持運(yùn)行非常重要。為了使這些系統(tǒng)平穩(wěn)、安全地運(yùn)行并具有較長的現(xiàn)場壽命，電源在標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性、堅(jiān)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(jī)箱上，用于為高溫應(yīng)用散熱。 TBF500的通用輸入范圍為 85 至 264 VAC，可以采用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(rèn)證過電壓類別 (OVC) III

工廠和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用越來越需要 III 類過電壓 (OVC III) 級(jí)別。 這些類別被列入許多國際安全標(biāo)準(zhǔn)中。 最常被引用的是 IEC 60664-1 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)包括 IEC/EN/UL 62368-1 信息技術(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)、針對(duì)測試和測量 (T&M) 環(huán)境中使用的設(shè)備安全的 IEC/UL 61010-1、針對(duì)工業(yè)控制設(shè)備安全的 UL 508 等（例如， 、IEC 60364 和 EN 50110）。

OVC 級(jí)別將根據(jù)特定電氣設(shè)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(jí)別的瞬態(tài)過電壓。Table 1 和Table 2 列出了不同標(biāo)稱電壓下不同 OVC 級(jí)別可承受的瞬態(tài)電壓，以及具有不同OVC 額定值的設(shè)備的位置。

如Table 2 所示，與固定裝置永久連接的配電級(jí)電路和工業(yè)設(shè)備，例如電機(jī)控制系統(tǒng)、配電盤和負(fù)載中心，可以在 OVC III 級(jí)下安全使用。P-DUKE的TBF500為 OVC III，可保護(hù)設(shè)備和操作員。請(qǐng)注意，只需幾個(gè)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(dòng)化程序邏輯處理的相對(duì)較弱的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為具有能夠驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備（例如， 閥門、步進(jìn)電機(jī)、繼電器、指示燈、線圈、警報(bào)器、機(jī)械制動(dòng)器等中的螺線管）。這些通常使用外部電源，因?yàn)閿?shù)字輸出模塊包含具有較大功率/電流水平（相對(duì)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(shè)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(jí) (SIL)。為此，必須評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)組件的可靠性或故障概率 (PFD)。因此，必須分析機(jī)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(duì)于電氣設(shè)備，這通常歸結(jié)為系統(tǒng)冗余、各種標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性，例如絕緣協(xié)調(diào)水平（即 OVC 類別）以及電氣設(shè)備的尺寸過大（導(dǎo)致額定電流/電壓遠(yuǎn)高于工作電壓）電流/電壓。

IEC/UL/EN 62368-1 安規(guī)認(rèn)證

TBF00 還獲得了 IEC/UL/EN 62368-1 安全認(rèn)證。 62368-1 安全標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于基于危險(xiǎn)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(lǐng)域的消費(fèi)者和企業(yè)技術(shù)。該方法考慮設(shè)備的能源類型（例如 1、2 或 3 類），確定適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施以防止對(duì)人員或財(cái)產(chǎn)造成損害，并測試防護(hù)措施的有效性。 工業(yè)設(shè)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(shè)備（例如網(wǎng)絡(luò)攝像頭、路由器、麥克風(fēng)、聲卡、視頻采集卡等）。

電磁兼容性 (EMC)

工業(yè)設(shè)施內(nèi)有許多噪聲源。例如，UPS 設(shè)備可以生成非正弦波形，其中攜帶附近設(shè)備可以傳導(dǎo)的諧波和噪聲。 這可能（并且經(jīng)常）干擾電子設(shè)備的運(yùn)行。大型旋轉(zhuǎn)部件會(huì)產(chǎn)生電源波動(dòng)并導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生 EMI。 在設(shè)備層面處理 EMI 對(duì)于維持工廠運(yùn)行至關(guān)重要。電源必須符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。 TBF500根據(jù) EN/IEC 55032 或 EN 61000 標(biāo)準(zhǔn)中的各種條件進(jìn)行測試，如Table 3 所示。請(qǐng)注意，當(dāng)將四個(gè)螺栓連接到屏蔽平面時(shí)，可以進(jìn)一步降低 TBF500的 EMI。

保護(hù)功能

除了符合各種安全標(biāo)準(zhǔn)之外，電源本身還應(yīng)該具有許多保護(hù)功能以防止故障。TBF500包括過流保護(hù)、短路保護(hù) (SCP)、過溫保護(hù) (OTP) 和輸出過壓保護(hù)。對(duì)于 OCP，當(dāng)電流超過電源的指定限制時(shí)，TBF500將關(guān)閉。 短時(shí)間后，電源將重新啟動(dòng)，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(dòng)恢復(fù)模式，在出現(xiàn)短路時(shí)電源將關(guān)閉并間歇性重新啟動(dòng)，直到短路解決。內(nèi)部熱敏電阻將觸發(fā) OTP 功能并導(dǎo)致電源進(jìn)入打嗝模式，直到溫度問題得到解決。輸出過壓保護(hù)采用拴鎖模式，檢測到過壓后需要手動(dòng)重啟。 所有這些功能都可以保護(hù)設(shè)備免受電源變化和故障的影響。

還可以通過附加設(shè)備來實(shí)現(xiàn)浪涌電流限制器功能，以保護(hù)電源免受啟動(dòng)電機(jī)時(shí)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(shí)表現(xiàn)出低阻抗，導(dǎo)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(dòng)時(shí)加速以滿足啟動(dòng)時(shí)指定馬力的電機(jī)中。電機(jī)用于許多工廠流程和系統(tǒng)（例如滑輪、傳送帶、皮帶、機(jī)器人等），因此確保連接的電路不會(huì)因潛在浪涌電流而損壞通常很重要。

環(huán)境和機(jī)械加固

在需要高可靠性的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)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(jī)械阻力的另一層考慮。 在某些情況下，設(shè)備可能會(huì)受到持續(xù)的振動(dòng)甚至機(jī)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(duì)濕度。對(duì)于某些特殊的情況下，還可能會(huì)接觸工業(yè)設(shè)施中的刺激性化學(xué)品（例如鹽氣氛、爆炸性氣氛、液壓油、發(fā)動(dòng)機(jī)油等）。 在某些情況下，設(shè)備需要保護(hù)免受這些潛在結(jié)果的影響。

MIL-STD-810F 美國軍用標(biāo)準(zhǔn)是處理各種環(huán)境壓力源測試的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)之一（Table 4）。 TBF500根據(jù) MIL-STD-810F 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了工作海拔（5000m 或 16,400'）、熱沖擊、機(jī)械沖擊和振動(dòng)測試。它還可以在高達(dá) 95% 的相對(duì)濕度下運(yùn)行。

這種級(jí)別的加固需要特殊的設(shè)計(jì)和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。例如，為了有資格在高海拔地區(qū)運(yùn)行的工廠或設(shè)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(fēng)險(xiǎn)。這種情況更有可能發(fā)生在海拔較高的地方，因?yàn)榇髿鈱虞^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(huì)導(dǎo)致熱管理問題。在設(shè)計(jì)高海拔電源時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。

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(duì)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(yùn)行效率高達(dá) 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(duì)策，使該交流/直流電源供應(yīng)器在滿載或降額的情況下能夠在 -40 °C 至 105 °C 的嚴(yán)苛環(huán)境中處理惡劣的應(yīng)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(gè)模塊將輸出功率提高至 1275W（Figure 4）。 注意每個(gè)模塊不應(yīng)超過最大輸出功率的85%。

結(jié)論

TBF500已根據(jù)多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試和認(rèn)證，使其更適合工廠自動(dòng)化等高可靠性應(yīng)用。 OVC III 過電壓類別等級(jí)與其 IEC/UL/EN 62368-1 安全認(rèn)證和 EMC 相結(jié)合，確保設(shè)備在工業(yè)和企業(yè)級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)范圍內(nèi)運(yùn)行。 該電源還經(jīng)過了環(huán)境和機(jī)械可靠性測試，這是惡劣工業(yè)環(huán)境中的一個(gè)重要因素。 高效、功率密集的模塊還可以并聯(lián)連接以擴(kuò)大功率，并將TBF500開放給更高功率范圍的工業(yè)應(yīng)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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