作者：安森美半導體公司營(yíng)銷(xiāo)及戰略Ali Husain
工業(yè)機器人是第四次工業(yè)革命（即“工業(yè)4.0”）的重要元素，這些設備聯(lián)接到系統和遠程傳感器，構成了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分—工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。 據國際機器人聯(lián)盟（IFR）（www.ifr.org）的數據，2018年部署了近250萬(wàn)臺工業(yè)機器人，且這個(gè)數字以每年超過(guò)40萬(wàn)臺的速度增長(cháng)。其中，工業(yè)，汽車(chē)和電氣/電子行業(yè)占總部署的一半以上，金屬和機械、塑料、化工和食品飲料也是重要用戶(hù)。 所有工業(yè)機器人中約有75％部署在中國、日本、美國、韓國和德國。
機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(wàn)臺“專(zhuān)業(yè)服務(wù)”機器人。這是驚人的增長(cháng)，年增率超過(guò)60％。五分之二已部署的服務(wù)機器人被歸類(lèi)為自動(dòng)導引車(chē)（AGV），主要用于物流和制造業(yè)。個(gè)人和家用機器人市場(chǎng)的增長(cháng)速度相似（約為60％），目前包括約1,630萬(wàn)臺機器人，用于吸塵、教育和研究等各種任務(wù)。
48 V和機器人
48V已在許多應用中流行起來(lái)，部分因為該電壓是通用的最高安全電壓。與主電源供電的設備相比，這可使設計人員減少系統保護，并減小導體的尺寸（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供電的電機通常也較小，在機器人應用中，這支持更小和更輕的接頭，從而提高機器能效、靈巧性和可靠性，同時(shí)減輕重量和成本。這進(jìn)而為機器人應用開(kāi)辟更多潛在的機會(huì )，以提高所有行業(yè)中流程的自動(dòng)化。
48V在當今許多應用中非常流行，包括汽車(chē)。在許多車(chē)載設備中，48V受歡迎程度迅速超過(guò)12V，在云計算中，48V配電用于服務(wù)器背板、散熱風(fēng)扇和其他電信相關(guān)應用。 這種普遍性意味著(zhù)48V電源的設備和子系統是普遍可用的，這為設計人員增加了選擇范圍，并以規模經(jīng)濟降低成本。
圖1：典型機器人的高級框圖（包括電源系統）
機器人是相當復雜的系統，根據應用和功能的不同，機器人將含許多功能元素，包括聯(lián)接、圖像感知、位置感測和電機控制。 還有許多不同的電源子系統，包括AC-DC轉換、電池管理、DC-DC轉換、多相轉換器、負載點(diǎn)（PoL）轉換、線(xiàn)性調節和電機驅動(dòng)器。這每一個(gè)領(lǐng)域都需要高能效的方案，以使機器人能夠按照設計人員的預期進(jìn)行工作。
如果我們看汽車(chē)或云計算系統的類(lèi)似功能框圖，我們會(huì )發(fā)現與機器人框圖有很多相似之處。這為從其他應用到機器人的交叉電源方案帶來(lái)機會(huì )。例如，eFuse廣泛用于云計算，以支持存儲介質(zhì)的熱交換和冷卻設備，如風(fēng)扇。然而，在機器人應用中，同樣的eFuse可以用來(lái)引入模塊化，從而即使在操作過(guò)程中，機器人自身也能夠根據手頭的任務(wù)交換功能塊（如工具塊）。
為48V機器人應用提供電源方案
許多現代機器人應用都使用48V總線(xiàn)在系統周?chē)鷤鬏旊娫�。其損耗是典型的12V總線(xiàn)的1/16，或者允許使用更細更輕的電纜。在固定機器人安裝中，48V將由市電電源產(chǎn)生，將包含功率因數校正（PFC）前端。無(wú)人機、護理助手等移動(dòng)機器人將配備車(chē)載電池，定期從電源適配器充電。
很少有半導體能夠直接從48V開(kāi)始工作，通常需要降至5V亞伏級水平。非隔離式PoL轉換器在此發(fā)揮重要作用，將較高的電壓轉換為IC所需的電平。在某些情況下，使用中間總線(xiàn)轉換器（IBC）來(lái)創(chuàng )建中間總線(xiàn)電壓（通常為12V），該轉換器與PoL轉換器松散調節，將12V轉換為IC供電電壓。單級轉換越趨成為首選，現在可以使用許多PoL轉換器直接將48V電源軌轉換為IC電源電壓。
如所有電源方案一樣，機器人應用的電源架構需要高效、可靠，并提供高功率密度，以使機器人足夠小巧、靈巧，從而很好地執行其功能。實(shí)現此目標的關(guān)鍵是選擇合適的半導體以在機器人內形成各種電源功能。
機器人電源應用的半導體方案
安森美半導體是擁有應用專(zhuān)知并投資以提供各種器件和電源產(chǎn)品的公司典范，使設計人員能夠為機器人應用設計高性能電源方案。
幾乎所有電源方案中最常用的器件之一是MOSFET。安森美半導體的廣泛產(chǎn)品范圍包括具有多種版本的“超級結”MOSFET，可用于不同的開(kāi)關(guān)類(lèi)型和應用。FAST器件在硬開(kāi)關(guān)拓撲結構中提供高能效，而易驅動(dòng)器件既適用于硬開(kāi)關(guān)應用，又適用于軟開(kāi)關(guān)應用，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(mén)極驅動(dòng)器，支持微控制器或其他邏輯電路直接控制MOSFET。根據電路結構，可以使用簡(jiǎn)單的非隔離驅動(dòng)器（例如安森美半導體的NCD570x系列），或者可能需要更精密的隔離方案或高邊和低邊驅動(dòng)器。
高度集成的方案如智能功率模塊（IPM）和汽車(chē)電源模塊（APM），帶來(lái)了許多好處。通常，它們將集成多個(gè)MOSFET用于與必要的驅動(dòng)器一起進(jìn)行多相電機驅動(dòng)。這些模塊比分立方案提供更好的熱性能，因為所有器件都貼裝在同一基板上。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，安森美半導體還為機器人電源應用提供完整的產(chǎn)品組合，包括eFuse、PFC IC、整流器、電流檢測器和開(kāi)關(guān)，用于提供輔助電源軌。配以安森美半導體業(yè)界最低功耗的藍牙模塊，用于通訊，以及各種圖像傳感器實(shí)現先進(jìn)機器視覺(jué)。
