使用节省空间的 DIN 导轨式 AC/DC 电源和电子保险丝可靠地实现工业级 DC 电源

针对工业、工厂、楼宇和过程自动化、发电和配电、基础设施以及数据和电信应用的 AC/DC 电源设计人员或规范制定人员，都面临着众多电气、物理、部署、维护、安全和合规方面的挑战。不过，只要认真选择现成的 DIN 导轨电源和专为以上应用设计的保险丝，诸多难题就会迎刃而解。

本文简要概述了在使用这些产品时遇到的困难。随后介绍了 RECOM Power 的 DIN 导轨式 AC/DC 和 DC/DC 电源及配套保险丝产品系列。这些产品能够实现可靠、安全的工业级 DC 电源。

工业级电源面临的挑战

工业应用电源必须满足以下要求：结构紧凑、能采用各种三相 AC 或高压 DC 输入、效率高、符合众多法规要求、支持并联运行以实现冗余、具有强大的用户和系统保护功能。此外，这类电源还必须在仅使用被动冷却方式的条件下，在宽温度范围内满足各项性能指标，且整体坚固耐用，具有较长平均无故障时间 (MTBF)，在部署和维护方面经济高效。

这些应用的工况要求，排除了定制化设计和外形规格的可行性，而是优先采用 DIN 导轨安装式电源和保险丝。当前的难点已转向审慎选型，实现应用优化。

电源：从封装开始

电源在系统完整性方面的关键作用往往被忽略。电源设计的核心起点是封装，封装方式会直接影响其在工业环境中的电气、机械和热性能。因此，几乎在所有工况下，工业电源都是为标准 DIN 导轨安装而设计的（图 1）。

图 1：在 DIN 导轨上安装了各种模块的工业控制柜，可方便地从正面拆装模块，且可随时接线。(图片来源：Hackaday）

DIN 导轨固定在设备控制柜的后面板或外壳上。如电机驱动器、环路控制器、电源、信号接口、安全子系统和通信接口等所有电气模块，都安装在该导轨上，且所有电源和信号连接都可从正面接入。

DIN 导轨方案与 19" 机架形成鲜明对比，后者配备用于连接模块的前后接线端口。这种机架广泛用于实验室仪器和测试/测量系统。相比之下，DIN 导轨更加方便实用，因为机柜中往往必须安装大量模块，因此造成空间有限的窘境。

工业应用中的许多 AC/DC 电源都采用三相 320 V_AC 至 575 V_AC 线路输入，且必须向电机控制器等负载提供洁净、稳定、抗瞬变的 24 V_DC 或 48 V_DC 电压。此外，现在许多应用都需要采用 430 V 至 815 V 高压 DC 电源。使用 DC 电源非常适合基于微电网的工厂自动化应用和可再生能源解决方案，包括沼气、光伏和风能设备等。

为了满足通过 DIN 导轨安装式电源向工业应供电的苛刻要求，设计人员可以采用 RECOM Power 的三相 RACPRO1 系列 AC/DC 电源。该系列电源也可用于高压 DC 输入。

例如，RACPRO1-T240/24、RACPRO1-T480/24 和 RACPRO1-T960/24（图 2，从左到右）的输出功率分别为 240 W、480 W 和 960 W，输出电压均为 24 V。除这些版本外，还提供 48 V 输出版本，但在其他方面完全相同。此外，该系列电源的额定输出电压可从 24 V 调节到 28 V，从 48 V 调节到 56 V。

图 2：紧凑型 RACPRO1-T240/24（左）、RACPRO1-T480/24（中）和 RACPRO1-T960/24（右）DIN 导轨电源可分别提供 240 W、480 W 和 960 W 的输出功率。（图片来源：RECOM Power）

该系列电源模块的重要特点是外形小巧。具体来说，每个电源模块的宽度分别为 43 mm、52 mm 和 80 mm（1.69"、2.05" 和 3.15" ）。这三个模块的高度均为 135 mm（5.31"），深度因型号而异，从 140 mm 到 156 mm（5.51" 到 6.14" ）不等。对于安装人员和技术人员来说，这些模块的一个重要特点是，使用带有 +25° 推入式连接器的推入式笼形线夹，可快速、轻松地进行拆装，而无需任何工具。

RACPRO1 系列效率高，能降低运行成本，减少电源发热。因此，较小的散热器和散热表面即可满足散热要求。

这些电源不需要通过风扇或其他有源系统进行强制风冷；采用完全通过自然对流进行冷却的设计，这是在工业环境中的另一大优势。每个电源模块都有两个独立的气流烟道，以最大限度地发挥“烟囱效应"，实现冷却。

通过巧妙的布局和器件选型，该系列实现了小尺寸和高效率。RACPRO1-T960/24 电源的效率为 96%；RACPRO1-T240/24 和 RACPRO1-T480/24 电源的效率分别为 94.1% 和 95%。此外，尽管这些电源输出功率达到数百瓦，但空载功耗时仅需约 1 W。

凭借优异的效率和冷却性能，这些电源能够耐受较高的工作温度。960 W RACPRO1-T960/24 电源可在高达 +60°C 的温度下提供额定满载输出功率；240 W RACPRO1-T240/24 电源在同样输出条件下的工作温度稍高，可达到 +70°C。

高温并不是唯一需要考虑的问题，对于如室外 HVAC 设备等许多设备来说，还会受到极寒的影响。为消除这种影响，RACPRO1 电源的额定工作温度为 -40°C。

电气性能和功能

工业环境下的电源不仅要在多种不同的输入电压和负载下提供标称电压，还必须具有更多的功能。其他必备性能指标包括高回冲电压抗扰度、更强的浪涌抗扰度以及功率提升能力：

• 向如电机等非阻性负载供电或断电时，会产生电流回流（也称反向馈电），进入电源的输出端。回冲电压抗扰度是指电源耐受回冲电压的能力。在 RACPRO1 电源中，24 V 输出的回冲电压抗扰度可达 35 V，而 48 V 输出的回冲电压抗扰度可达 63 V。
• 针对电网进线浪涌，这些电源具有 6 kV 的增强型浪涌抗扰度，符合行业和监管标准规定。
• 这些电源具有功率提升能力，可满足负载短时超过额定输出功率的需求。例如，大功率 RACPRO1-T960/24 电源可将功率提升至 150% 并持续 6 秒 (s)，从而能够避免许多因瞬态负载条件造成断电。

480 W 和 960 W RACPRO1 电源的另一项人性化功能，是采用垂直布置的简易 LED 灯条（图 3），用于指示电源实际输出功率占其额定输出功率的百分比。

图 3：480 W 和 960 W RACPRO1 模块配备了方便观察的指示灯，用于指示电源实际输出功率占额定功率的百分比。（图片来源：RECOM Power）

通过分析、设计和评估实现可靠性

每种应用都要求可靠性。对于 RACPRO1 电源，高效率意味着可减少发热，从而提高组件的可靠性。此外，RACPRO1 系列电源专为实现最高性能和高效率而设计，满足包括热性能、MTBF 和内置保护功能等在内的多个关键指标要求。此外，包括过压、短路和热关断保护在内的集成保护功能增强了耐用性，并可确保在恶劣的工业环境中持续运行。

为了验证长期可靠性，RECOM 对每个型号的电源都进行了严格的寿命测试，包括强化应力模拟测试、冲击和振动测试以及高温耐久性评估。建模、分析和测试结果表明，这些电源正 40˚C、满负载这一最严苛工况下，使用寿命约为 80,000 小时。

然而在某些应用中，无论是由于内部还是外部因素造成的罕见故障，都是不可接受的。对于这些应用，RACPRO1-T480/24 和 -T960/24 电源允许并联两个或更多电源，以实现冗余或提高输出能力（图 4）。

图 4：RACPRO1-T480/24 和 RACPRO1-T960/24 电源并联使用，可提供备用冗余或提高额定输出功率。（图片来源：RECOM Power）

这种并联架构具备冗余能力，同时支持均流负载共享模式，且这两个电源可均匀分担负载功率。这些功能可防止系统停机，并能在工业自动化环境和其他电源中断会影响生产率和安全的运行工况下，保持稳定供电。此外，这些电源具有精准标定的恒压/恒流 (CV/CC) 输出特性，可为电池充电，实现拓展备份供电能力。

满足监管要求

与其他电子产品一样，电源也受到众多监管规定的制约。其中一些监管规定与运行有关，如功率因数（这些电源的功率因数高于 0.9）、电磁干扰 (EMI)、不同功率水平下的效率以及空载功率耗散。其他监管规定则与安全有关。

这些电源已获得多项电气性能认证，包括符合 EN 61000-6-4 B 类（电磁骚扰发射）和 EN 61000-6-2（抗扰度）标准要求。此外，这些电源还获得了 IEC/EN/UL 62368-1、IEC/EN/UL 61010-1 和 IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201 全球安全标准认证。

加装保险丝，以防万一

这些电源已具有许多保护功能，似乎没有必要在出现严重过流时使用“跳闸”保险丝。这种说法可能有其合理性，但设计人员可能希望加装保险丝以防万一，或者更有可能的是，这是在设备安装时施行的有效电气规范的强制要求。

为满足该要求，RACPRO1 系列配备了 RACPRO1-4SP/24V/5A DIN 导轨式电子保险丝 (e-fuse) 模块（图 5）。这种模块已通过全面认证，可替代传统的热熔断器或断路器。请注意，除了 RACPRO1 系列电源外，这种保险丝模块还可与任何电源搭配使用。

RACPRO1-4SP/24V/5A 保险丝模块结构紧凑，尺寸为 110.2 mm × 72.0 mm × 61.9 mm (4.34" × 2.83" × 2.44")，可用作连接主 DC 电源轨到的监控器件。这种 5 A 保险丝模块（还有 10 A 版本）可将 24 V_DC 分配到四个单独控制的负载通道，并具有独立的过流极限控制和实时输出电流指示功能。

图 5：RACPRO1-4SP/24V/5A DIN 导轨电子保险丝模块包含四个独立的电子保险丝，每个保险丝的额定电流均为 5 A。（图片来源：RECOM Power）

各个通道按照预先设定的时间延迟按顺序上电，以减少输入浪涌电流。在系统过载的情况下，这些通道会以相反的顺序断开负载，确保关键功能持续运行至最终极限状态。虽然这些通道可实现运行联动，但每个通道都具备独立通断能力，便于进行故障排查或维护工作。

电子保险丝模块并非传统热敏“过流即断开"熔断器的简单替代品。这种保险丝由内部逻辑电路控制，通过动态检测并响应过流、欠压和过压工况，保护负载和电源并对其进行优先级管控。

各通道均独立保护，因此单路负载出现过载或故障时，不会影响系统整体的可靠性与功能。除单通道 5A 基础最大电流规格外，该模块可提供持续 5 s 的 150% 功率升额输出，且能承受最长 100 ms 的超 150% 过载工况，防止出现误跳闸。这些都是工业装置的重要考虑因素，因为在这些装置中，负载变化、电机停转、启动电流尖峰和其他干扰事件都是不可避免的。

作为附加的故障排除功能，每个通道都有一个 LED 灯条用于显示状态（图 6）。这种 LED 灯条实时显示输出电流状态，其颜色随工况逐级变化：从绿色起始，变为黄色（电流处于限值范围内）、再变为橙色（电流达到限值），最终变为红色（过流或短路故障）。

图 6：四个电子保险丝中的均配备一个多色 LED 指示灯条，可快速指示有关通道状态的大量信息。(图片来源：RECOM Power）

作为 RACPRO1 系列电源的配套产品，该系列电子保险丝在 +40℃ 环境下的预期使用寿命超 80,000 小时，同时配备免工具推入式与杠杆释放式接线端子，确保接线便捷。

结语

工业应用中的电源必须以紧凑的外形从较高电压的 AC 电源或 DC 电源轨可靠、高效地提供电压较低的 DC 电源。RECOM Power 的 DIN 导轨安装式 RACPRO1 电源模块既满足这些要求，又简化了安装和维护工作。这款配套用四通道电子保险丝模块，具备独立的通道，同时支持通道间联动，可实现更高效的运行并提升故障检测与管理性能。

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