使用節省空間的 DIN 軌道 AC/DC 電源與電子保險絲可靠地供應工業用 DC 電力

針對工業、工廠、建築及製程自動化，發電與配電、基礎建設，以及數據與電信應用設計或挑選 AC/DC 電源供應器時，會在電氣、物理、部署、維護、安全與合規層面上遭遇諸多挑戰。這些挑戰可以透過仔細挑選現成的 DIN 軌道電源，以及專為這些應用設計的保險絲來克服。

本文將簡單回顧在實作這些電源時會遭遇的挑戰。接著會介紹一系列來自 RECOM Power 的 DIN 軌道 AC/DC 及 DC/DC 電源供應器，以及輔助用的保險絲，能可靠且安全地提供工業級 DC 電力。

工業電力的挑戰

工業應用的電源供應器必須體積小巧、能接受寬範圍的三相 AC 或高壓 DC　輸入、具有高效率、符合多項法規要求、支援平行運作以達到備援，且要提供強大的使用者與系統保護。還必須在只使用被動散熱的情況下，於寬廣的溫度範圍內符合效能規範，並以高平均故障間隔時間 (MTBF)　展示整體耐用度，更要在部署和維護上符合成本效益。

在這些應用的要求下，客製化的設計與外型已遭到排除，而偏好採用 DIN 軌道安裝的電源供應器與保險絲。因此現在的挑戰變成要謹慎挑選，以達到應用最佳化。

電源供應器：從封裝開始

電源供應器在系統完整性層面上的關鍵貢獻常被低估。其設計從封裝開始，會對工業設置中的電氣、機械及熱效能有所影響。這就是為什麼幾乎所有工業用電源，都針對標準 DIN 軌道安裝方式進行設計 (圖1)。

圖 1：工業機櫃中的多種類型模組皆安裝在 DIN 軌道上，就可方便從前方進行安裝及拆卸，並可隨時取用進行接線。(圖片來源：Hackaday)

軌道會安裝在設備機櫃或機殼的後面板上。所有的電氣模組，如馬達驅動器、迴路控制器、電源、訊號介面、安全子系統及通訊介面，皆會安裝在此軌道上，並可從前方取用所有電力與訊號連接。

DIN 軌道的做法與 19 吋機架明顯不同，後者在前後方都有連接可供模組使用。機架廣泛應用在實驗室儀器以及測試／量測系統中。DIN 軌道更加方便且實用，因為機櫃要容納的模組不少，因此空間相當寶貴。

工業應用中的許多 AC/DC 電源供應器，都以三相、320 V_AC 至 575 V_AC 的線路輸入運作，必須提供乾淨、穩定且抗瞬變的 24 V_DC 或 48 V_DC 電力給負載，如馬達控制器等。此外，許多應用現在都需要用 430 V 至 815 V 的高壓 DC 電源運作。使用 DC 電源非常適合微電網架構的工廠自動化應用，以及包括沼氣、光電和風力發電裝置在內的再生能源解決方案。

為了使用 DIN 軌道安裝方式滿足工業應用的嚴苛供電需求，設計人員可以使用 RECOM Power 的三相 RACPRO1 系列 AC/DC 電源供應器。這些電源也可搭配高壓 DC 輸入使用。

舉例而言，RACPRO1-T240/24、RACPRO1-T480/24 和 RACPRO1-T960/24 (圖 2，從左至右) 分別可提供 240 W、480 W 和 960 W 的功率，且輸出為 24 V。也有提供 48 V 輸出款式，但其他規格都相同。此外，這些電源的標稱輸出電壓可以從 24 V 調整至最高 28 V，從 48 V 調整至最高 56 V。

圖 2：緊湊型 RACPRO1-T240/24 (左)、RACPRO1-T480/24 (中) 和 RACPRO1-T960/24 (右) DIN 軌道電源供應器，分別提供 240 W、480 W和 960 W 功率。(圖片來源：RECOM Power)

這些模組有個重要特點就是緊湊的外型尺寸。具體而言，每個電源的寬度分別為 43 mm、52 mm 和 80 mm (1.69"、2.05" 和 3.15")。三個模組的高度皆為 135 mm (5.31")，深度則依型號不同，介於 140 mm 至 156 mm (5.51"至6.14") 之間。對安裝和技術人員來說，有個重要特點在於，這些模組的設計免工具就可輕鬆快速安裝與拆卸，只要用帶有 +25° 直插式連接器的直插式線籠夾即可。

RACPRO1 系列的高效率可降低運作成本，並可減少電源供應器的發熱。因此，可用較小的散熱片和較少的熱耗散表面積。

這些電源不需要使用風扇或其他主動系統進行強制空氣冷卻；其設計僅需自然對流即可散熱，這在工業環境中是一大優勢。每個模組都含有兩個獨立的氣流煙道，可將「煙囪效應」最大化，以利散熱。

此系列產品以巧妙的佈局與元件選擇達到小型化與高效率。RACPRO1-T960/24 裝置的效率為 96%；RACPRO1-T240/24 與 RACPRO1-T480/24 的效率分別為 94.1% 與 95%。此外，儘管這些電源能輸出數百瓦，但在空載時僅需大約 1 W。

這些電源憑藉效率和散熱能力，因此具有高工作溫度額定值。960 W 的 RACPRO1-T960/24 電源可在最高 +60°C 下提供額定的全輸出功率；240 W 的 RACPRO1-T240/24 的溫度範圍則稍微提高至 +70°C。

高溫並非唯一的考量；許多系統，例如戶外 HVAC 設備，也會受到極低溫的影響。為了因應此需求，RACPRO1 電源的額定工作溫度可達 -40°C。

電氣效能與特點

工業環境用電源供應器要做的，不僅僅是在不同輸入電壓和負載範圍內提供標稱電壓值而已。其他必要屬性包括對返回電壓的高耐受度、擴大突波耐受度以及功率增幅能力：

• 對非電阻性負載 (如馬達) 進行供電或斷電時，可能會回流 (亦稱反饋) 至電源輸出端。返回電壓耐受度是指承受回流電壓的能力。在 RACPRO1 電源中，24 V 輸出具有高達 35 V 的返回電壓耐受度，而 48 V 輸出則具有高達 63 V 的耐受度。
• 針對線路突波，這些裝置具備 6 kV 的擴大突波耐受度，符合適用產業及法規標準的規定。
• 這些電源供應器可提供功率增幅能力，以配合需暫時超出額定輸出功率的負載。例如，高功率的 RACPRO1-T960/24 能將功率提升至 150% 達 6 秒，因此可避開因瞬時負載條件引發的多種中斷情況。

480 W 和 960 W 的 RACPRO1 裝置更有另一項方便使用者的特點，就是具有簡易的單一垂直 LED 燈條 (圖 3)，可指出電源目前輸出的額定功率百分比。

圖 3：480 W 與 960 W 的 RACPRO1 模組含有一個便利的指示燈，可顯示電源目前輸出的額定功率百分比。(圖片來源：RECOM Power)

以分析、設計與評估達到可靠度

各種應用都需要可靠性。對 RACPRO1 裝置來說，高效率可減少散熱，進而提升元件的可靠性。此外，RACPRO1 系列在工藝上講究最高效能與效率，可因應包括熱效能、MTBF 及內建保護功能在內的關鍵指標。此外，更具備整合的保護功能，包括過壓、短路及熱關斷保護，因此可提高耐用性，並可確保在嚴苛的工業環境中持續運作。

為了驗證長期可靠性，RECOM 對每個型號進行嚴格的壽命測試，包括擴大應力模擬、衝擊與振動測試，以及高溫耐久評估。建模、分析及測試指出，這些電源在最嚴苛的滿載條件下，可在 40˚C 下達到大約 80,000 小時的壽命。

儘管如此，在有些應用場合中，即使是罕見的故障，無論是由內部或外部因素引起，都不可接受。對這些應用來說，RACPRO1-T480/24 和 -T960/24 型號就可讓兩台或以上的裝置並聯連接，以達到備援或增加輸出容量 (圖 4)。

圖 4：RACPRO1-T480/24 與 RACPRO1-T960/24 可以並聯使用，以提供備援或提升輸出功率額定值。(圖片來源：RECOM Power)

此配置可提供備援，亦可支援負載分擔，讓兩個電源均勻配電。這些特點可避免系統停機，並可在工業自動化環境，以及中斷情況會影響生產力與安全的其他作業中，維持穩定的供電。此外，這些電源具有制訂完善的恆壓／恆流 (CV/CC) 輸出特性，可達到電池充電以提供額外備援。

符合規範要求

電源供應器與其他電子產品一樣，必須遵守眾多規範要求。其中一些與運作層面有關，例如功率因數 (這些電源要高於 0.9)、電磁干擾 (EMI)、不同功率位準下的效率以及空載功耗。其他要求則與安全相關。

在眾多電氣效能認證中，這些電源符合 EN 61000-6-4 Class B (排放) 及 EN 61000-6-2 (耐受度) 標準。這些裝置亦通過全球安全標準 IEC/EN/UL 62368-1、IEC/EN/UL 61010-1 及 IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201 的認證。

加裝保險絲，以防萬一

這些電源已具備多項保護功能，會在嚴重過電流時「跳脫」的保險絲似乎沒必要。這可能是對的，但設計人員可能仍想安裝一個以防萬一，或者更高機率是，適用的電氣法規有要求在安裝時必須加裝保險絲。

為滿足此需求，RACPRO1 系列支援 RACPRO1-4SP/24V/5A DIN 軌道電子保險絲 (e-fuse) 模組 (圖 5)，其已完全通過核准，可取代傳統的熱熔絲或斷路器。請注意，此裝置可搭配任何電源供應器使用，並非僅限 RACPRO1 系列。

RACPRO1-4SP/24V/5A 體積小巧，尺寸為 110.2 mm × 72.0 mm × 61.9 mm (4.34" × 2.83" × 2.44")，可當作連接至主 DC 軌道的監測元件。此 5 A 模組 (亦有提供 10 A 款式) 可將 24 V_DC 分配至四個分別控制的負載通道，並具備獨立的過電流限流控制以及即時輸出電流顯示。

圖 5：RACPRO1-4SP/24V/5A DIN 軌道電子保險絲模組具備四個獨立的電子保險絲，每個額定電流為 5 A。(圖片來源：RECOM Power)

通道會依序通電，並以可預先設定的延遲時間來降低輸入湧入電流。在系統過載情況下，通道會以相反順序斷開負載，以確保必要功能持續運作至最終。儘管這些通道可能在操作上相互連結，但各個通道仍可獨立開關，以便進行故障診斷或維護。

電子保險絲模組遠遠不只是「過電流斷路」經典熱熔絲的簡單替代品。其由內部邏輯電路控制，可保護和優先處理負載與電源供應，更可對過電流、欠壓和過壓狀況進行偵測並動態回應。

每個通道皆受到獨立防護，因此單一負載的過載或故障狀況並不會影響整體系統的可靠性或功能。除了基本的最大 5 A 通道電流外，此模組還可提供 150% 的功率增幅達 5 秒，並能承受超過 150% 的超載長達 100 ms，以因此可避免誤跳脫。這些都是工業設備的重要考量因素，因為負載轉移、馬達停轉、啟動電流尖波以及其他干擾事件都在預期之內且無法避免。

還有額外一項故障排除功能，就是每個通道都具有 LED 燈條可顯示狀態 (圖 6)。可顯示輸出電流狀態，可從綠色變為黃色 (電流在限制範圍內)，或橘色 (電流達到限制) 變成紅色 (過電流或短路)。

圖 6：四個電子保險絲各自配有彩色 LED 燈條指示器，能快速傳達眾多與通道狀態相關的資訊。(圖片來源：RECOM Power)

這些電子保險絲不僅可輔助 RACPRO1 電源，更可在 +40°C 下提供超過 80,000 小時的預期壽命，並具有免工具直插機制與撥桿釋放端子，可輕鬆接線。

結論

工業應用的電源供應器必須可靠且高效地用較高壓的 AC 主電源或 DC 電軌提供較低壓的 DC 電力，且要採用緊湊的外型尺寸。RECOM Power 的 DIN 軌道安裝式 RACPRO1 模組就符合這些要求，同時還可簡化安裝與維護。輔助的四通道電子保險絲模組可提供獨立通道，同時還可彼此連結，以達到更有效的運作並增進故障偵測與管理。

相關內容

1. 簡易的 DIN 軌道如何克服工業系統的模組化、靈活性與便利性難題
2. RECOM Power 的 RACPRO1 系列 DIN 軌道電源供應器 PIO (影片)