48 V機(jī)器人的興起
2020-2-13 來源：安森美半導(dǎo)體公司 作者：Ali Husain
工業(yè)機(jī)器人是第四次工業(yè)革命（即“工業(yè)4.0”）的重要元素，這些設(shè)備聯(lián)接到系統(tǒng)和遠(yuǎn)程傳感器，構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分—工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。 據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）（www.ifr.org）的數(shù)據(jù)，2018年部署了近250萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，且這個(gè)數(shù)字以每年超過40萬臺(tái)的速度增長(zhǎng)。其中，工業(yè)，汽車和電氣/電子行業(yè)占總部署的一半以上，金屬和機(jī)械、塑料、化工和食品飲料也是重要用戶。 所有工業(yè)機(jī)器人中約有75％部署在中國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)和德國(guó)。
機(jī)器人的迅速普及不僅限于工業(yè)領(lǐng)域，到2018年為止已部署了25萬臺(tái)“專業(yè)服務(wù)”機(jī)器人。這是驚人的增長(zhǎng)，年增率超過60％。五分之二已部署的服務(wù)機(jī)器人被歸類為自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV），主要用于物流和制造業(yè)。個(gè)人和家用機(jī)器人市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度相似（約為60％），目前包括約1,630萬臺(tái)機(jī)器人，用于吸塵、教育和研究等各種任務(wù)。
48 V和機(jī)器人
48V已在許多應(yīng)用中流行起來，部分因?yàn)樵撾妷菏峭ㄓ玫淖罡甙踩妷骸Ｅc主電源供電的設(shè)備相比，這可使設(shè)計(jì)人員減少系統(tǒng)保護(hù)，并減小導(dǎo)體的尺寸（與12V供電產(chǎn)品相比），從而減少重量、成本和功率損耗。直接由48V供電的電機(jī)通常也較小，在機(jī)器人應(yīng)用中，這支持更小和更輕的接頭，從而提高機(jī)器能效、靈巧性和可靠性，同時(shí)減輕重量和成本。這進(jìn)而為機(jī)器人應(yīng)用開辟更多潛在的機(jī)會(huì)，以提高所有行業(yè)中流程的自動(dòng)化。
48V在當(dāng)今許多應(yīng)用中非常流行，包括汽車。在許多車載設(shè)備中，48V受歡迎程度迅速超過12V，在云計(jì)算中，48V配電用于服務(wù)器背板、散熱風(fēng)扇和其他電信相關(guān)應(yīng)用。 這種普遍性意味著48V電源的設(shè)備和子系統(tǒng)是普遍可用的，這為設(shè)計(jì)人員增加了選擇范圍，并以規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低成本。
圖1：典型機(jī)器人的高級(jí)框圖（包括電源系統(tǒng)）
機(jī)器人是相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用和功能的不同，機(jī)器人將含許多功能元素，包括聯(lián)接、圖像感知、位置感測(cè)和電機(jī)控制。 還有許多不同的電源子系統(tǒng)，包括AC-DC轉(zhuǎn)換、電池管理、DC-DC轉(zhuǎn)換、多相轉(zhuǎn)換器、負(fù)載點(diǎn)（PoL）轉(zhuǎn)換、線性調(diào)節(jié)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這每一個(gè)領(lǐng)域都需要高能效的方案，以使機(jī)器人能夠按照設(shè)計(jì)人員的預(yù)期進(jìn)行工作。
如果我們看汽車或云計(jì)算系統(tǒng)的類似功能框圖，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)與機(jī)器人框圖有很多相似之處。這為從其他應(yīng)用到機(jī)器人的交叉電源方案帶來機(jī)會(huì)。例如，eFuse廣泛用于云計(jì)算，以支持存儲(chǔ)介質(zhì)的熱交換和冷卻設(shè)備，如風(fēng)扇。然而，在機(jī)器人應(yīng)用中，同樣的eFuse可以用來引入模塊化，從而即使在操作過程中，機(jī)器人自身也能夠根據(jù)手頭的任務(wù)交換功能塊（如工具塊）。
為48V機(jī)器人應(yīng)用提供電源方案
許多現(xiàn)代機(jī)器人應(yīng)用都使用48V總線在系統(tǒng)周圍傳輸電源。其損耗是典型的12V總線的1/16，或者允許使用更細(xì)更輕的電纜。在固定機(jī)器人安裝中，48V將由市電電源產(chǎn)生，將包含功率因數(shù)校正（PFC）前端。無人機(jī)、護(hù)理助手等移動(dòng)機(jī)器人將配備車載電池，定期從電源適配器充電。
很少有半導(dǎo)體能夠直接從48V開始工作，通常需要降至5V亞伏級(jí)水平。非隔離式PoL轉(zhuǎn)換器在此發(fā)揮重要作用，將較高的電壓轉(zhuǎn)換為IC所需的電平。在某些情況下，使用中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）來創(chuàng)建中間總線電壓（通常為12V），該轉(zhuǎn)換器與PoL轉(zhuǎn)換器松散調(diào)節(jié)，將12V轉(zhuǎn)換為IC供電電壓。單級(jí)轉(zhuǎn)換越趨成為首選，現(xiàn)在可以使用許多PoL轉(zhuǎn)換器直接將48V電源軌轉(zhuǎn)換為IC電源電壓。
如所有電源方案一樣，機(jī)器人應(yīng)用的電源架構(gòu)需要高效、可靠，并提供高功率密度，以使機(jī)器人足夠小巧、靈巧，從而很好地執(zhí)行其功能。實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的關(guān)鍵是選擇合適的半導(dǎo)體以在機(jī)器人內(nèi)形成各種電源功能。
機(jī)器人電源應(yīng)用的半導(dǎo)體方案
安森美半導(dǎo)體是擁有應(yīng)用專知并投資以提供各種器件和電源產(chǎn)品的公司典范，使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)闄C(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)高性能電源方案。
幾乎所有電源方案中最常用的器件之一是MOSFET。安森美半導(dǎo)體的廣泛產(chǎn)品范圍包括具有多種版本的“超級(jí)結(jié)”MOSFET，可用于不同的開關(guān)類型和應(yīng)用。FAST器件在硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中提供高能效，而易驅(qū)動(dòng)器件既適用于硬開關(guān)應(yīng)用，又適用于軟開關(guān)應(yīng)用，可確保低電磁干擾（EMI）和降低電壓尖峰。
與MOSFET產(chǎn)品配套的是各種高壓門極驅(qū)動(dòng)器，支持微控制器或其他邏輯電路直接控制MOSFET。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，可以使用簡(jiǎn)單的非隔離驅(qū)動(dòng)器（例如安森美半導(dǎo)體的NCD570x系列），或者可能需要更精密的隔離方案或高邊和低邊驅(qū)動(dòng)器。
高度集成的方案如智能功率模塊（IPM）和汽車電源模塊（APM），帶來了許多好處。通常，它們將集成多個(gè)MOSFET用于與必要的驅(qū)動(dòng)器一起進(jìn)行多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這些模塊比分立方案提供更好的熱性能，因?yàn)樗衅骷假N裝在同一基板上。它們還能夠處理更高的電流水平，同時(shí)改善EMI，并提供比分立方案更小更輕的方案。
除這些方案外，安森美半導(dǎo)體還為機(jī)器人電源應(yīng)用提供完整的產(chǎn)品組合，包括eFuse、PFC IC、整流器、電流檢測(cè)器和開關(guān)，用于提供輔助電源軌。配以安森美半導(dǎo)體業(yè)界最低功耗的藍(lán)牙模塊，用于通訊，以及各種圖像傳感器實(shí)現(xiàn)先進(jìn)機(jī)器視覺。大個(gè)人流動(dòng)的利用以及開發(fā)下一代流動(dòng)的解決方案。
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