工业自动化中的电源降额

本文分析需要对电源进行降额的各类因素，以及降额如何提升工业电源可靠性、延长平均无故障工作时间（MTBF）。

工业电源的降额

电源的额定功率，指设备在标准工作条件下能够输出的最大瓦特数。例如一款电源标注为 “480W 电源” 或 “15W DC/DC 转换器”。但该额定功率会受工作条件制约。环境温度过高或过低、输入电压偏低、工作海拔较高等外部条件，都会降低电源可连续输出的最大功率。 为应对上述工况，需要降低电源输出负载，该操作就称为降额。降额通过减少电源内部功耗、降低发热量，保障产品全生命周期内稳定工作，以此实现可靠运行、延长设备寿命。行业通用准则：环境温度每升高 10℃，设备使用寿命减半。

参数规格及其影响

电源厂商一般通过曲线图或者公式给出降额要求。RECOM 同时提供温度、输入电压维度的降额曲线，并附带随海拔升高对应的百分比降额系数，必要时还会设置绝对负载限值。

图 1：典型降额曲线，展示最大额定输出功率与环境温度关系

温度降额曲线 X 轴代表环境温度，Y 轴代表输出功率。当环境温度升高，必须降低输出功率，防止电源过热，此时就需要执行降额。

表 1：降额对电源使用寿命的可靠性影响

关于设计余量的常见误区

电源规格参数中一般会预留一定余量，用来承受负载浪涌电流、输入电压浪涌和瞬态电压。但选型时，绝对最大值参数不可作为正常工作的使用条件。 该余量代表产品的设计健壮性，仅用于应对短期异常工况，绝对最大值不可以长时间作为实际工作性能指标。

降额曲线的查阅与解读

RECOM 工业自动化电源的降额曲线放在产品数据手册末尾；其他厂商可能将降额曲线放在应用笔记或者独立参考文档中。

图 2：同时包含负载、环境温度、输入电压的降额曲线（RECOM R78K1.81.0、R78K2.51.0）

图 2 为宽压输入开关稳压器（R78K 系列）不同输入电压对应的多条降额曲线。开关稳压器的效率会随输入电压升高而下降，器件会更快抵达负载极限，因此高输入电压条件下，降额的启动温度会更低。 

本例中，输入 5V、输出 2.5V 工况下，整机功耗很小，转换器几乎不存在热应力，环境温度高达 85℃仍可以满功率输出；但同样负载，如果输入电压为 36V，温度达到 65℃就必须开始降额。

RECOM 在产品手册中会公布可靠性数据。图 2 中的 R78K1.81.0 系列开关稳压器，依据 MILHDBK217F 标准，25℃条件下 MTBF 为 5139×10³ 小时；R78K2.51.0 至 R78K151.0 型号，MTBF 区间为 4990×10³～4546×10³ 小时。

电源应用中的多因素降额

内部发热是降额最主要的考量因素，但并非唯一因素。海拔升高，空气稀薄，散热能力下降，同样会触发降额。高海拔叠加高输入电压工况，会进一步压缩热余量，降额曲线的下降斜率会变得更大。

关键环境与电气降额因素

环境温度

工作海拔

输入电压（电压等级，交流 / 直流类型）

负载类型（容性、感性、动态负载、阻性负载）

通风条件

海拔降额要求会以图表或者文字形式写入手册。以 R78K1.0 系列开关稳压器为例，RECOM 手册 “环境条件” 章节标注最大工作海拔 5000 米，海拔超过 2000 米即需要开始降额；20005000 米区间，海拔每提升 1000 米，最大输出功率降低 5%。海拔降额需要叠加温度降额共同计算。

降额与峰值功率

电机驱动器、充电电路这类强容性负载，上电瞬间会产生很大的浪涌电流，持续几毫秒至几十毫秒，浪涌幅值可达稳态电流的 1050 倍。电源必须承受该浪涌，既不能触发过流保护，同时短路故障时又要能够正常响应。

图 3：RECOM RACPRO1T480 导轨电源峰值负载持续时间与周期曲线图。图中百分比均为完成降额之后的数值。

上图为 RECOM 导轨安装电源（RACPRO1T480 系列）的过流能力。电源可持续承受 100% 额定负载；可短时承受最高 150% 额定电流，但单次持续时间不超过 7.5 秒，且两次事件间隔至少 60 秒。输出侧发生短路时，电源可输出最高 250% 额定电流，持续 20 毫秒，保证输出回路熔断器可靠熔断。

通风与散热片

绝大多数工业电源安装在密闭机柜内部，机柜可能配置强制通风，也可能无通风。强制风冷会带来灰尘堆积问题，并且散热效果往往达不到预期。

图4：不同风速条件下输出功率温度降额曲线图

图 4 是典型降额曲线，展示冷却气流带来的影响。无通风条件下，约 67℃就需要开始降额；100 英尺 / 分钟（LFM）的强制风冷，降额起始温度提升至约 85℃。继续加大风量，收益会明显递减；500 英尺 / 分钟风量下，降额起始温度仅提升至约 95℃。

降额的实际极限

降额不是无限度的。温度超过某一阈值之后，无论做多大程度降额，都无法保障安全工作。负载趋近于零时，电源本身效率也会下降。该特性叠加高温环境带来的风险，会出现一种情况：高温、高海拔场景下，功率下调只能起到部分缓解作用，甚至完全无效。

AC/DC 电源与 DC/DC 电源降额有何差异？

二者核心区别：AC/DC 电源降额，必须兼顾前端整流电路、功率因数校正（PFC）带来额外热应力与电气应力，同时还要应对更宽范围的输入电压；DC/DC 电源降额主要考虑本地热管理以及工作海拔。

AC/DC 转换器需要考量的基础要素和 DC/DC 转换器大体一致。但交流感性负载会带来特有风险：重载工况下功率因数滞后（电压电流相位偏移），负载关断时会产生反向电动势。以上两种情况都有可能让电源超出工作极限。RECOM 的 AC/DC 电源针对这类交流负载典型问题做了专门设计，具备强浪涌电流耐受能力，同时可以承受较高的反向电压。

总结及拓展资料

做工业自动化系统设计时，电源降额是不可忽略的要点。降额保障电源在设备全生命周期稳定输出充足功率，避免恶劣环境、恶劣工况大幅缩短电源寿命，降低电源过早失效停机的风险。降额曲线与计算公式，为电源及元器件选型提供重要依据。

RECOM 知识库与博客有大量电源应用与设计相关技术资料。RECOM《AC/DC 知识手册》《DC/DC 知识手册》《EMC 知识手册》系列，全面介绍电源与电源转换器相关知识。