為工廠(chǎng)自動(dòng)化選擇和應(yīng)用交流/直流電源

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工廠(chǎng) 4.0 技術(shù)的應(yīng)用，向工廠(chǎng)自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變正在加速進(jìn)行。堅(jiān)固耐用的電源是這些技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，設(shè)計(jì)人員必須能夠快速部署支持各種電壓水平的可靠電源，以滿(mǎn)足制造設(shè)施的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)備需求。

為了滿(mǎn)足這一需求，設(shè)計(jì)人員可以自己構(gòu)建電源，這可能既昂貴又耗時(shí)，還有一種選擇是在預(yù)算范圍內(nèi)找到適合相應(yīng)任務(wù)的現(xiàn)成解決方案。無(wú)論哪種解決方案，都必須符合電磁兼容性 (EMC) 和安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要滿(mǎn)足電磁干擾 (EMI) 法規(guī)的要求。此外，工廠(chǎng)自動(dòng)化電源還必須具備保護(hù)功能，這樣才適合用于工業(yè)環(huán)境。

本文簡(jiǎn)要討論了工廠(chǎng)自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)交流/直流電源的要求，并概述了關(guān)鍵性能和外形尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)。然后作為可隨時(shí)部署的產(chǎn)品示例，介紹了 [RECOM Power] 的 DIN 導(dǎo)軌電源。

用于工廠(chǎng)自動(dòng)化的電源

工廠(chǎng)自動(dòng)化還包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及測(cè)試和測(cè)量工具，并且在很大程度上依賴(lài)于堅(jiān)固耐用且可靠的電源。電源要求因應(yīng)用和設(shè)備而異。典型的解決方案是將市電交流電壓（90 VAC 至 264 V AC ，各國(guó)略有不同）轉(zhuǎn)換為直流電壓。由于工廠(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備使用多種標(biāo)準(zhǔn)直流電壓，包括 12 V、15 V、24 V 和 48 V，因此輸出要求也各不相同。

模塊化解決方案除了經(jīng)認(rèn)證符合相關(guān)安全和其他規(guī)定外，在設(shè)計(jì)時(shí)通常還考慮了能量密度和效率。它們可滿(mǎn)足一系列標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流要求，專(zhuān)為高可靠性和長(zhǎng)使用壽命而制造。

用于工廠(chǎng)自動(dòng)化的商用模塊化電源包括適用于常見(jiàn) DIN 導(dǎo)軌系統(tǒng)的選件，因此易于部署。該系統(tǒng)采用通用標(biāo)準(zhǔn)寬度和安裝硬件形狀。有了 DIN 導(dǎo)軌系統(tǒng)，無(wú)論制造商是誰(shuí)，安裝者都能保證包括電源在內(nèi)的全套產(chǎn)品的尺寸一致性。

這種跨品牌兼容性為 DIN 導(dǎo)軌系統(tǒng)的用戶(hù)提供了混搭組件的靈活性（圖 1）。

圖 1：DIN 導(dǎo)軌可簡(jiǎn)化電源部署，并且支持混搭組件。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

高性?xún)r(jià)比 DIN 導(dǎo)軌電源

工廠(chǎng)自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施使用多個(gè)電源，導(dǎo)致成本劇增。RECOM Power 的 [REDIIN120] 系列 120 W DIN 導(dǎo)軌交流/直流電源（圖 2）采用成本最小化設(shè)計(jì)，同時(shí)還能保持小巧外形和可靠性。這些電源的尺寸為 123.6 x 30.0 x 116.8 mm。

圖 2：REDIIN120 系列 120 W DIN 導(dǎo)軌電源的尺寸為 123.6 x 30.0 x 116.8 mm。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

對(duì)流冷卻型 REDIIN120 交流/直流電源可在 -30°C 至 +50°C 的溫度范圍內(nèi)滿(mǎn)載工作。這些產(chǎn)品通過(guò)了 IEC 62368-1、IEC 61010-1 和 IEC 61010-2-201 安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

電源的電磁輻射和傳導(dǎo)發(fā)射符合 EN 61000-6-2 抗擾度標(biāo)準(zhǔn)和重工業(yè) EN 61000-6-4 B 類(lèi)排放標(biāo)準(zhǔn)。這些電源還符合 RoHS 指令的環(huán)保要求。

REDIIN120 系列包括三種型號(hào)，每種型號(hào)的工作輸入電壓均為 90 VAC 至 264 V AC ，只有輸出電壓不同。[REDIIN120-12] 的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為 12 V，可在 10.8 V 至 13.2 V 之間調(diào)節(jié)。[REDIIN120-24] 的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為 24 V，可在 21.6 V 至 26.4 V 之間調(diào)節(jié)。[REDIIN120-48] 的輸出電壓為 48 V，可在 43.2 V 至 52.8 V 之間調(diào)節(jié)。最大輸出電流分別為 10 A、5 A 和 2.5 A。

電源的最大工作效率介于 86% 至 89.5% 之間，具體取決于產(chǎn)品（圖 3），12 V 和 24 V 版本的空載功耗為 150 mW，48 V 版本的空載功耗為 210 mW。

圖 3：REDIIN120-24 電源的能效與輸出負(fù)載的關(guān)系。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

該系列電源可在恒流模式下工作，因此適用于電感和電容負(fù)載，例如電機(jī)、螺線(xiàn)管和繼電器。對(duì)于 12 V 和 24 V 產(chǎn)品，啟動(dòng)時(shí)的最大電容負(fù)載為 8 mF，對(duì)于 48 V 產(chǎn)品，則為 3 mF。

REDIIN120 電源具有全面的過(guò)流保護(hù) (OCP)、過(guò)壓保護(hù) (OVP) 和過(guò)溫保護(hù) (OTP) 功能（圖 4）。如果 12 V 產(chǎn)品的電壓超過(guò) 17.4 V DC ，24 V 產(chǎn)品的電壓超過(guò) 33.6 V DC ，48 V 產(chǎn)品的電壓超過(guò) 64.8 V DC ，則會(huì)產(chǎn)生閉鎖狀態(tài)。

圖 4：REDIIN120 系列具有全面的保護(hù)功能。如果 12 V 產(chǎn)品的電壓超過(guò) 17.4 V DC ，24 V 產(chǎn)品的電壓超過(guò) 33.6 V DC ，48 V 產(chǎn)品的電壓超過(guò) 64.8 V DC ，則會(huì)產(chǎn)生閉鎖狀態(tài)。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

REDIIN 系列中沒(méi)有 15 V 型號(hào)。不過(guò)，RECOM Power 提供了適用于 15 V 工作電壓的 [RACM15E-15SK/PMAD-CTN] AC/DC 轉(zhuǎn)換器（圖 5）。該 DIN 導(dǎo)軌安裝電源可利用 80 V 至 275 V 的交流輸入或 370 V 的直流輸入提供 15 V、1 A 的輸出。最大輸出功率為 15 W，滿(mǎn)載效率為 85%。這些產(chǎn)品通過(guò)了國(guó)際安全和 EMI 認(rèn)證，符合醫(yī)療、家用、工業(yè)和安全變壓器標(biāo)準(zhǔn)。

圖 5：RACM15E-15SK/PMAD-CTN 是用于工廠(chǎng)自動(dòng)化的 15 V、15 W DIN 導(dǎo)軌安裝 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

DIN 導(dǎo)軌電源的設(shè)計(jì)考慮因素

為了確保工廠(chǎng)交流/直流電源能夠長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行，除了安全、EMC 和 EMI 要求之外，設(shè)計(jì)人員還需要考慮其他關(guān)鍵參數(shù)。

例如，為避免出現(xiàn)問(wèn)題，必須將工作溫度限制在電源的最高額定溫度以下。工作溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致性能降低，同時(shí)也會(huì)縮短工作壽命，增加異常運(yùn)行和發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。低溫也會(huì)導(dǎo)致性能問(wèn)題，這些問(wèn)題包括輸出電壓紋波增加和輸出調(diào)節(jié)不良。此外，低溫下電氣特性的變化可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)。

制造商通常會(huì)建議電源在超過(guò)某個(gè)溫度閾值時(shí)降額，REDIIN120 系列產(chǎn)品還包括安全切斷裝置，可在超過(guò)最高工作溫度時(shí)切斷電源。REDIIN120-24 120 W 交流/直流電源的降額曲線(xiàn)（圖 6）顯示，對(duì)于 100 VAC 和 115 VAC 輸入，超過(guò) +40°C 時(shí)功率輸出會(huì)降低；對(duì)于 230 VAC 輸入，超過(guò) +50°C 時(shí)功率輸出會(huì)降低。工作溫度超過(guò) +70°C 時(shí)會(huì)觸發(fā)斷電。

圖 6：REDIIN120-24 120 W 交流/直流電源的降額曲線(xiàn)顯示，對(duì)于 +100 VAC 和 115 VAC 輸入，超過(guò) +40°C 時(shí)功率輸出會(huì)降低；對(duì)于 230 VAC 輸入，超過(guò) +50°C 時(shí)功率輸出會(huì)降低。工作溫度超過(guò) +70°C 時(shí)會(huì)觸發(fā)斷電。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

另一個(gè)考慮因素是電纜長(zhǎng)度。電源線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生電阻損耗，導(dǎo)致負(fù)載電壓降至允許限值以下。通過(guò)增大線(xiàn)規(guī)或輸出電壓，以及在負(fù)載點(diǎn) (PoL) 使用本地 DC/DC 調(diào)節(jié)，可以克服電纜損耗。

還必須考慮負(fù)載類(lèi)型。為電容或電感負(fù)載供電是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。諸如電機(jī)、螺線(xiàn)管和繼電器等電感負(fù)載會(huì)導(dǎo)致高壓尖峰。為電容負(fù)載供電會(huì)降低電源的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)，或?qū)е虏环€(wěn)定和輸出紋波增大。設(shè)計(jì)人員在選擇電源時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮應(yīng)用需要的負(fù)載類(lèi)型，以確保電源能夠滿(mǎn)足要求。例如，REDIIN120 電源提供恒流模式，這使得該系列適用于電感和電容負(fù)載。

最后，輸出 OCP 對(duì)于最大限度地降低錯(cuò)過(guò)周期和電壓跌落的影響非常重要。保護(hù)電源的典型技術(shù)包括將電流限制在設(shè)定值內(nèi)，隨著負(fù)載的增加，將電流“折返”到安全值，或者采用“打嗝”保護(hù)，即關(guān)閉輸出并在一段時(shí)間后再次開(kāi)啟。如果過(guò)流情況仍然存在，則重復(fù)打嗝循環(huán)。REDIIN120 產(chǎn)品具有打嗝保護(hù)功能。

例如，REDIIN120-24 120 W 直流/交流電源在額定負(fù)載范圍內(nèi)以恒壓模式工作（圖 7）。對(duì)于輸出 OCP，當(dāng)最大額定電流超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值的 105% 至 150% 時(shí)，電源會(huì)進(jìn)入限流模式，將輸出電壓驅(qū)動(dòng)至標(biāo)稱(chēng)設(shè)定值的約 80%。負(fù)載增加會(huì)導(dǎo)致電源進(jìn)入具有自動(dòng)重啟機(jī)制的打嗝模式。

圖 7：REDIIN120-24 120 W 直流/交流電源在額定負(fù)載范圍內(nèi)以恒壓模式工作。對(duì)于輸出 OCP，當(dāng)最大額定電流超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值的 105% 至 150% 時(shí)，電源會(huì)進(jìn)入限流模式，將輸出電壓驅(qū)動(dòng)至標(biāo)稱(chēng)設(shè)定值的約 80%。負(fù)載增加會(huì)導(dǎo)致電源進(jìn)入具有自動(dòng)重啟機(jī)制的打嗝模式。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

結(jié)語(yǔ)

RECOM 的商用 DIN 導(dǎo)軌安裝模塊化電源為工廠(chǎng)自動(dòng)化提供了高性?xún)r(jià)比、小巧、可靠且易于部署的解決方案。這些產(chǎn)品已預(yù)先通過(guò)強(qiáng)制性法規(guī)認(rèn)證，并提供一系列標(biāo)準(zhǔn)直流電壓和電流輸出。這些電源還具有一系列安全功能，并提供為電容和電感負(fù)載供電的選件。

審核編輯 黃宇