BOB半岛:在高可靠性工业应用中寻找合适的交流直流电源供应器

　　工厂自动化应用中的电子设备通常需要遵守一些最严格的标准，以满足各种功能安全要求。为了确保操作员和周围环境的安全以及设施的顺利运行，这些系统内的所有设备都经过仔细检查。许多现成的交流/直流电源供应器可能不适用，因为它们可能没有足够的保护来防止过压瞬变、外部系统的噪声以及确保组件可靠运行的其他保护机制。这些应用中的电源还必须坚固耐用，能够承受常见的环境和机械压力，例如振动和冲击。环境温度可能会对设备的性能产生负面影响，因此还必须采取措施防止由于高/低温度和可变的相对湿度而导致过早故障。本文深入探讨了为高可靠性工业和机器人应用选择电源时需要考虑的各种因素，以及P-DUKE的TBF500全砖500W交流/直流电源如何针对这些恶劣环境进行设计。

　　工业自动化中需要通过交流输入提供稳压直流电源的例子有很多。电机驱动器和其他电机控制系统将需要这些电源来打开直流电机，并在某些情况下控制其速度。例如，在工业泵中，液体以可变的速度进行处理。 启动时，电机会产生较大的浪涌电流，可能会导致电源线电压骤降并损坏其他设备，或者可能会强制系统重置。这些驱动器通常使用接触器和电机启动单元来隔离和保护其他电子设备。通常，电机启动装置、接触器、继电器和变速驱动器需要稳定的 24 VDC 电压。可编程逻辑 (PLC)、人机界面 (HMI)、传感器（例如压力、液位、温度/湿度）和执行器（例如阀岛）也通常将线 VDC 来运行。 这些系统普遍分散在整个工业自动化系统中，使得它们所包含的部件（即交流/直流电源）对于维持运行非常重要。为了使这些系统平稳、安全地运行并具有较长的现场寿命，电源在标准合规性、坚固性和内部安全功能方面也必须具有高质量。

　　P-DUKE TBF500是一款 500W全砖封装电源，安装在系统机箱上，用于为高温应用散热。 TBF500的通用输入范围为 85 至 264 VAC，可以采用标准交流电源（120 VAC、230 VAC 或 240 VAC）并输出 12、15、24、28、48 和 54 直流电压进行供电。 凭借其各种功能，TBF500非常适合前面引用的一些案例。

　　工厂和楼宇自动化应用越来越需要 III 类过电压 (OVC III) 级别。 这些类别被列入许多国际安全标准中。 最常被引用的是 IEC 60664-1 标准，该标准重点关注低压系统的绝缘要求（即爬电距离和间隙距离）。 其他标准包括 IEC/EN/UL 62368-1 信息技术安全标准、针对测试和测量 (T&M) 环境中使用的设备安全的 IEC/UL 61010-1、针对工业控制设备安全的 UL 508 等（例如， 、IEC 60364 和 EN 50110）。

　　OVC 级别将根据特定电气设备的安装位置而有所不同。根据其位置的不同，它可能必须承受由闪电或不稳定的电网变化等因素造成的不同级别的瞬态过电压。Table 1 和Table 2 列出了不同标称电压下不同 OVC 级别可承受的瞬态电压，以及具有不同OVC 额定值的设备的位置。

　　如Table 2 所示，与固定装置永久连接的配电级电路和工业设备，例如电机控制系统、配电盘和负载中心，可以在 OVC III 级下安全使用。P-DUKE的TBF500为 OVC III，可保护设备和操作员。请注意，只需几个额外组件即可符合 EN/IEC 50032 Class B、浪涌电流限制器功能和 OVC III（过压类别）（Figure 1）。

　　例如，该电源可用于安全 PLC 内的数为输出模块，这些模块获取自动化程序逻辑处理的相对较弱的信号，并将其转换为具有能够驱动输出设备（例如， 阀门、步进电机、继电器、指示灯、线圈、警报器、机械制动器等中的螺线管）。这些通常使用外部电源，因为数字输出模块包含具有较大功率/电流水平（相对于数字输入模块/内部微处理器）的件（例如光耦合器、二极管、三端双向可控硅开关组件等），如Figure 2 所示。

　　除此之外，工业设施中的任何安全仪表系统 (SIS) 通常必须保证安全仪表等级 (SIL)。为此，必须评估系统内每个组件的可靠性或故障概率 (PFD)。因此，必须分析机械和电气组件在其现场寿命期间可能发生的潜在问题。对于电气设备，这通常归结为系统冗余、各种标准合规性，例如绝缘协调水平（即 OVC 类别）以及电气设备的尺寸过大（导致额定电流/电压远高于工作电压）电流/电压。

　　TBF00 还获得了 IEC/UL/EN 62368-1 安全认证。 62368-1 安全标准可应用于基于危险的安全工程 (HBSE) 方法的音频/视频 (A/V) 和信息通信技术 (ICT) 领域的消费者和企业技术。该方法考虑设备的能源类型（例如 1、2 或 3 类），确定适当的防护措施以防止对人员或财产造成损害，并测试防护措施的有效性。 工业设备内的内部和外部电源可能必须遵守这些规定，特别是如果它们使用的系统属于 A/V 或 IT 设备（例如网络摄像头、路由器、麦克风、声卡、视频采集卡等）。

　　工业设施内有许多噪声源。例如，UPS 设备可以生成非正弦波形，其中携带附近设备可以传导的谐波和噪声。 这可能（并且经常）干扰电子设备的运行。大型旋转部件会产生电源波动并导致不必要的 EMI。 越来越多的电源采用 SiC 功率 MOSFET 等快速开关器件，如果未正确滤除这些器件，可能会产生 EMI。 在设备层面处理 EMI 对于维持工厂运行至关重要。电源必须符合 EMC 标准。 TBF500根据 EN/IEC 55032 或 EN 61000 标准中的各种条件进行测试，如Table 3 所示。请注意，当将四个螺栓连接到屏蔽平面时，可以进一步降低 TBF500的 EMI。

　　除了符合各种安全标准之外，电源本身还应该具有许多保护功能以防止故障。TBF500包括过流保护、短路保护 (SCP)、过温保护 (OTP) 和输出过压保护。对于 OCP，当电流超过电源的指定限制时，TBF500将关闭。 短时间后，电源将重新启动，如果过流仍然存在，将再次关闭——因此称为“打嗝模式”。 SCP 使用类似的自动恢复模式，在出现短路时电源将关闭并间歇性重新启动，直到短路解决。内部热敏电阻将触发 OTP 功能并导致电源进入打嗝模式，直到温度问题得到解决。输出过压保护采用拴锁模式，检测到过压后需要手动重启。 所有这些功能都可以保护设备免受电源变化和故障的影响。

　　还可以通过附加设备来实现浪涌电流限制器功能，以保护电源免受启动电机时经常出现的浪涌电流的影响（参见Figure 1）。 这在工业环境中特别有用，其组件在开启时表现出低阻抗，导致电流浪涌，这也称为浪涌电流。这种浪涌电流可以在包含快速放电电容器的电路中看到，或者更常见的是，在启动时加速以满足启动时指定马力的电机中。电机用于许多工厂流程和系统（例如滑轮、传送带、皮带、机器人等），因此确保连接的电路不会因潜在浪涌电流而损坏通常很重要。

　　在需要高可靠性的工业自动化应用中，安全性和法规遵从性至关重要。还必须考虑电源所表现出的环境和机械阻力的另一层考虑。 在某些情况下，设备可能会受到持续的振动甚至机械冲击。 还可能必须考虑环境压力因素，例如暴露于高温（和低温）、温度循环和暴露于高相对湿度。对于某些特殊的情况下，还可能会接触工业设施中的刺激性化学品（例如盐气氛、爆炸性气氛、液压油、发动机油等）。 在某些情况下，设备需要保护免受这些潜在结果的影响。

　　MIL-STD-810F 美用标准是处理各种环境压力源测试的经典标准之一（Table 4）。 TBF500根据 MIL-STD-810F 标准进行了工作海拔（5000m 或 16,400）、热冲击、机械冲击和振动测试。它还可以在高达 95% 的相对湿度下运行。

　　这种级别的加固需要特殊的设计和独特的结构。例如，为了有资格在高海拔地区运行的工厂或设施中工作，需要更大的间隙和爬电距离以限制高压电弧的风险。这种情况更有可能发生在海拔较高的地方，因为大气层较稀薄，因此是一种不太有效的绝缘体。空气在去除 PCB 热量方面也不太有效，可能会导致热管理问题。在设计高海拔电源时必须考虑到这一点。

　　就电源而言，热管理和封装尺寸通常是相关的。电源本身的功率密度和效率对于减小解决方案的整体尺寸非常重要。 TBF500电源完全封装在紧凑的砖形封装 (4.2”x 2.4”x 0.5”) 中，功率为 500W。该器件的运行效率高达 93%，空载功耗仅为 0.6W。 其 0.5 英寸或 12.7 毫米的高度使电源能够轻松安装在外形有限的空间中。全封装外形尺寸与底板冷却相结合，是一种有效的发热对策，使该交流/直流电源供应器在满载或降额的情况下能够在 -40 °C 至 105 °C 的严苛环境中处理恶劣的应用（Figure 3）。

　　该模块还可以与可选的均流功能并联，最多允许三个模块将输出功率提高至 1275W（Figure 4）。 注意每个模块不应超过最大输出功率的85%。

　　TBF500已根据多项标准进行了测试和认证，使其更适合工厂自动化等高可靠性应用。 OVC III 过电压类别等级与其 IEC/UL/EN 62368-1 安全认证和 EMC 相结合，确保设备在工业和企业级安全标准的指导范围内运行。 该电源还经过了环境和机械可靠性测试，这是恶劣工业环境中的一个重要因素。 高效、功率密集的模块还可以并联连接以扩大功率，并将TBF500开放给更高功率范围的工业应用。