挑選適合嚴峻工業應用及危險場所的電源供應器

在嚴峻且可能爆炸環境中的工業系統，包括生產線、機器人、能源基礎設施、煉油廠及半導體製造，皆逐漸採用自動化技術。系統設計人員需要符合高峰值功率和反向電力耐受性要求的電源供應器，同時也要支援可靠性、耐用性、安全性、高功率密度、效率及複雜的法規合規性。

本文將探討電源系統設計人員在嚴峻自動化應用上所面臨的挑戰。接著會介紹來自 TRACO Power 的 DIN 軌道電源供應器，並說明其如何協助設計人員因應這些挑戰。

工業電源的難題

製造生產線、再生能源系統、配送倉庫和化學加工設施，都是將電子裝置和系統暴露在工業環境中的應用。電子裝置可能會暴露在極端溫度、濕度、機械衝擊、電磁干擾 (EMI)、振動、灰塵、化學物質以及爆炸性環境中。由於電子產品廣泛用於電力、控制和監測，因此在設計上，必須針對這些應用達到準確性、精密性、可靠性和安全性。

電源供應器特別重要。電源供應器是工業電子的核心，可提供來自 AC 與 DC 電源的穩壓電力，且其輸出必須滿足相連機器的基本能量需求，並保有足夠的安全餘裕。舉例而言，馬達、泵浦和動作控制式驅動器等電機系統，在啟動時需要高峰值電流，就必須由電源供應。通常也需要具備過壓、過電流及過溫保護。

電源供應器必須在負載或線路變動下具備良好的電壓調節能力，並保證高效率。這對於安裝在緊湊外殼中的電源供應器來說特別重要，因為低效率會導致過多熱量累積。

電源供應器的外形尺寸也很重要。必須能裝在空間有限的機器或控制櫃中。此外，工業應用必須可快速更換故障裝置，因此實體裝置的安裝，必須可輕鬆拆卸和更換。關鍵在於，電源供應器必須通過安全和電磁相容性 (EMC) 的認證。

危險場所

危險場所 (HazLoc) 屬於特殊的認證區域。美國國家電工標準 (NEC) 將危險場所定義為具有易燃氣體或蒸氣、易燃液體、可燃粉塵或可燃纖維或飛揚物，而可能引起起火或爆炸危險的區域。電源供應器及其他電子產品必須經過專門認證，才可在 HazLoc 環境中操作。

美國安全檢測實驗室公司 (UL) 以及 Appareils destinés à être utilisés en Atmosphères Explosibles (ATEX) (用於爆炸性危險區域的設備) 皆有針對 HazLoc 元件制訂相關標準。這些認證可證明裝置已符合最低的相關安全標準，以便在指定的危險環境中使用。

認證有兩個考量因素：揮發性物質的種類及其存在的可能性。潛在爆炸性材料的類型會決定認證等級。Class 1 包括易燃蒸氣和氣體；Class 2 涵蓋可燃性粉塵，例如麵粉；Class 3 則是可燃纖維和飛揚物 (小型易燃顆粒，例如織物)。

揮發性物質的存在可能性會決定區隔等級。Division 1 涵蓋通常具有危險物質的環境。Division 2 涵蓋通常不具有危險材料，但在特定條件下可能會出現的環境。

HazLoc 應用的電源供應器

TRACO Power 的 DIN 軌道 TIB-EX 系列高效率電源供應器 (圖 1) 專為嚴峻環境和危險場所而設計。DIN 軌道是一種金屬軌道，廣泛用於將工業控制設備裝在設備機架或機櫃中。這些電源供應器還具有側面安裝選項，能讓平面安裝達到較窄的外形輪廓。此系列通過 UL HazLoc Class 1 Division 2 (C1D2) 及 ATEX (EN60079-0、EN60079-7 及 EN60079-15) 的安全認證，並通過 EMC 認證。

圖 1：TIB-EX 系列 DIN 軌道電源供應器通過 HazLoc C1D2 認證及 EMC 認證，功率額定值為 80 W、120 W、240 W 與 480 W。(圖片來源：TRACO Power)

HazLoc C1D2 電源供應器的設計可在通常具有易燃氣體或蒸氣的區域中安全運作，但在異常情況下，例如洩漏、設備故障或通風系統失效時，這些氣體或蒸氣可能會逸散。

C1D2 設備最重要的屬性在於，在正常和意外操作條件下，不得成為起火來源。此設備在設計上不會釋放足以讓易揮發氣體起火的電能或熱能。因此，在正常運作時不會產生電弧或火花，且其實體封裝會限制揮發性物質的進入速率。

除了具備 HazLoc 認證外，這些對流散熱式電源供應器更具備 88% 至 95% 的高效率 (視型號而定)，並且能在 -40°C 至 +60°C 的溫度範圍內運作 (滿載)。提供的額定功率有 80 W、120 W、240 W 和 480 W；輸出電壓為 12 V、24 V 或 48 V；線路工作電壓介於 85 V_AC 至 264 V_AC，頻率為 50/60 Hz。

TIB-EX 系列非常適合工業環境，具備完整的操作保護功能，包括輸出過壓和短路保護。在輸入端，可以防止電源線電壓下陷 (定義為電壓低於額定值的 90％ 但未完全中斷)。典型持續時間為 3 至 10 個循環，或50 ms 至 167 ms。此系列符合 SEMI F47 下陷耐受性規範。

TIB-EX 電源供應器也能耐受短期功率超載，能在 150% 超載下持續輸出長達 4 秒。這非常適合採用步進馬達、螺線管或初次接通時會消耗高電流之致動器的設計。

在工業環境中，另一種常見的現象就是反向電力，也就是電感和減速馬達等負載可能會將電壓反饋到電源供應器。TIB-EX 系列提供重要的反向電力耐受度特點，有助於在這些負載下避免關斷或故障。

切換式電源供應器 (SMPS) 在初次接通線路時，必須先對其輸入電容充電，而這可能會導致龐大的湧入電流。大多數 SMPS，例如 TIB-EX 系列，都會用湧入電流限制器加以控制。這些電源供應器的湧入電流額定值為 230 V_AC 輸入時 30 A、115 VAC 輸入時為 15 A。

所有型號均可透過 DC-OK 接點閉合及位於前面板和側面板的 DC-OK LED 燈來回報輸出狀態。

80 W 的 TIB 080-112EX AC/DC DIN 軌道電源供應器 (圖 2) 額定輸出電壓為 12 V、最大電流為 6.7 A。其採用緊湊的外型，尺寸為 3.71" × 1.26" × 4.50"

圖 2：TIB 080-112EX 是一款 12 V、80 W 的 DIN 軌道 HazLoc 等級的電源供應器。(圖片來源：TRACO Power)

TIB 080-112EX 使用反馳式切換穩壓器，切換頻率介於 60 kHz 至 75 kHz 之間。12 V 輸出可調整的範圍為 11.8 V_DC 至 15.0 V_DC；輸入電壓調節率為 0.1%，這是因額定輸入電壓範圍內的線路變化所致；負載調節率為 0.5%，適合額定負載 10% 至 90% 的負載變化。運作效率為 90%，依據 IEC 61709 標準，平均故障間隔時間 (MTBF) 為 1,950,000 小時。

TIB 120-124EX (圖 3) 是 120 W 的 DIN 軌道電源供應器範例之一。其輸出額定值為 24 V、5 A，尺寸為 4.5" × 4.89" × 1.42"。

圖 3：TIB 120-124EX 是一款 24 V、120 W 電源供應器，採用 4.5" × 4.89" × 1.42" 封裝。(圖片來源：TRACO Power)

TIB 120-124EX 採用半橋電感-電容-電容 (LCC) 拓撲結構，切換頻率為 70 至 100 kHz。還具有主動功率因數校正功能。

此電源供應器的標稱 24 V 輸出可調整範圍為 23.5 V 至 28 V，且其額定效率為 94%。MTBF 為 1,450,000 小時。

若設計人員需要更高功率，可以選擇 TIB 240-148EX (圖4)；這是一款標稱輸出電壓為 48 V、最大輸出電流為 5 A 的 240 W 電源供應器。採用較大外型尺寸，尺寸為 4.5" × 4.89" × 1.89"。

圖 4：TIB 240-148EX 是一款 240 W DIN 軌道電源供應器，可輸出 48 V、5 A。(圖片來源：TRACO Power)

此電源供應器如同 120 W 版本，皆採用半橋 LCC 拓撲，切換頻率介於 75 kHz 至 100 kHz 之間。其含有主動功率因數校正，標稱輸出電壓為 48 V，可調整範圍為 47 V 至56 V。效率高達 95%，MTBF 為 1,300,000 小時。

TIB 480-124EX (圖 5) 是一款 480 W 電源供應器，輸出為 24 V、20 A，效率為 95%。封裝尺寸為 4.5" × 4.89" × 3.23"，並具備遠端開／關功能。輸出電壓可調整，範圍介於 23.5 V 至 28 V 之間；MTBF 為 1,300,000 小時。

圖 5：TIB 480-124EX 480 W 電源供應器含有遠端開／關控制功能。(圖片來源：TRACO Power)

結論

TRACO Power 的 TIB-EX 系列 DIN 軌道電源供應器兼具高效能，以及可靠、高效且耐用的電路設計，針對於工業應用中的控制櫃安裝進行最佳化。具有獨特的認證優勢，可在危險環境中使用。