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2020(首屆)中國數字物流云展會
工業機器人

48 V機器人的興起

  2020年02月13日  

  工業機器人是第四次工業革命(即“工業4.0”)的重要元素,這些設備聯接到系統和遠程傳感器,構成了物聯網(IoT)的重要組成部分—工業物聯網(IIoT)。 據國際機器人聯盟(IFR)(www.ifr.org)的數據,2018年部署了近250萬臺工業機器人,且這個數字以每年超過40萬臺的速度增長。其中,工業,汽車和電氣/電子行業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。 所有工業機器人中約有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領域,到2018年為止已部署了25萬臺“專業服務”機器人。這是驚人的增長,年增率超過60%。五分之二已部署的服務機器人被歸類為自動導引車(AGV),主要用于物流和制造業。個人和家用機器人市場的增長速度相似(約為60%),目前包括約1,630萬臺機器人,用于吸塵、教育和研究等各種任務。

48 V和機器人

  48V已在許多應用中流行起來,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,同時減輕重量和成本。這進而為機器人應用開辟更多潛在的機會,以提高所有行業中流程的自動化。

  48V在當今許多應用中非常流行,包括汽車。在許多車載設備中,48V受歡迎程度迅速超過12V,在云計算中,48V配電用于服務器背板、散熱風扇和其他電信相關應用。 這種普遍性意味著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(PoL)轉換、線性調節和電機驅動器。這每一個領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行工作。

  如果我們看汽車或云計算系統的類似功能框圖,我們會發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機會。例如,eFuse廣泛用于云計算,以支持存儲介質的熱交換和冷卻設備,如風扇。然而,在機器人應用中,同樣的eFuse可以用來引入模塊化,從而即使在操作過程中,機器人自身也能夠根據手頭的任務交換功能塊(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總線在系統周圍傳輸電源。其損耗是典型的12V總線的1/16,或者允許使用更細更輕的電纜。在固定機器人安裝中,48V將由市電電源產生,將包含功率因數校正(PFC)前端。無人機、護理助手等移動機器人將配備車載電池,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,使用中間總線轉換器(IBC)來創建中間總線電壓(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。實現此目標的關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知并投資以提供各種器件和電源產品的公司典范,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品范圍包括具有多種版本的“超級結”MOSFET,可用于不同的開關類型和應用。FAST器件在硬開關拓撲結構中提供高能效,而易驅動器件既適用于硬開關應用,又適用于軟開關應用,可確保低電磁干擾(EMI)和降低電壓尖峰。

  與MOSFET產品配套的是各種高壓門極驅動器,支持微控制器或其他邏輯電路直接控制MOSFET。根據電路結構,可以使用簡單的非隔離驅動器(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MOSFET用于與必要的驅動器一起進行多相電機驅動。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品組合,包括eFuse、PFC IC、整流器、電流檢測器和開關,用于提供輔助電源軌。配以安森美半導體業界最低功耗的藍牙模塊,用于通訊,以及各種圖像傳感器實現先進機器視覺。(作者:安森美半導體公司營銷及戰略Ali Husain)

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