48 V机器人的兴起

2020-02-19 13:38:53 安森美半导体

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工业机器人是第四次工业革命（即“工业4.0”）的重要元素，这些设备联接到系统和远程传感器，构成了物联网（IoT）的重要组成部分—工业物联网（IIoT）。据国际机器人联盟（IFR）（www.ifr.org）的数据，2018年部署了近250万台工业机器人，且这个数字以每年超过40万台的速度增长。其中，工业，汽车和电气/电子行业占总部署的一半以上，金属和机械、塑料、化工和食品饮料也是重要用户。所有工业机器人中约有75％部署在中国、日本、美国、韩国和德国。

机器人的迅速普及不仅限于工业领域，到2018年为止已部署了25万台“专业服务”机器人。这是惊人的增长，年增率超过60％。五分之二已部署的服务机器人被归类为自动导引车（AGV），主要用于物流和制造业。个人和家用机器人市场的增长速度相似（约为60％），目前包括约1,630万台机器人，用于吸尘、教育和研究等各种任务。

48 V和机器人

48V已在许多应用中流行起来，部分因为该电压是通用的最高安全电压。与主电源供电的设备相比，这可使设计人员减少系统保护，并减小导体的尺寸（与12V供电产品相比），从而减少重量、成本和功率损耗。直接由48V供电的电机通常也较小，在机器人应用中，这支持更小和更轻的接头，从而提高机器能效、灵巧性和可靠性，同时减轻重量和成本。这进而为机器人应用开辟更多潜在的机会，以提高所有行业中流程的自动化。

48V在当今许多应用中非常流行，包括汽车。在许多车载设备中，48V受欢迎程度迅速超过12V，在云计算中，48V配电用于服务器背板、散热风扇和其他电信相关应用。这种普遍性意味着48V电源的设备和子系统是普遍可用的，这为设计人员增加了选择范围，并以规模经济降低成本。

图1：典型机器人的高级框图（包括电源系统）

机器人是相当复杂的系统，根据应用和功能的不同，机器人将含许多功能元素，包括联接、图像感知、位置感测和电机控制。还有许多不同的电源子系统，包括AC-DC转换、电池管理、DC-DC转换、多相转换器、负载点（PoL）转换、线性调节和电机驱动器。这每一个领域都需要高能效的方案，以使机器人能够按照设计人员的预期进行工作。

如果我们看汽车或云计算系统的类似功能框图，我们会发现与机器人框图有很多相似之处。这为从其他应用到机器人的交叉电源方案带来机会。例如，eFuse广泛用于云计算，以支持存储介质的热交换和冷却设备，如风扇。然而，在机器人应用中，同样的eFuse可以用来引入模块化，从而即使在操作过程中，机器人自身也能够根据手头的任务交换功能块（如工具块）。

为48V机器人应用提供电源方案

许多现代机器人应用都使用48V总线在系统周围传输电源。其损耗是典型的12V总线的1/16，或者允许使用更细更轻的电缆。在固定机器人安装中，48V将由市电电源产生，将包含功率因数校正（PFC）前端。无人机、护理助手等移动机器人将配备车载电池，定期从电源适配器充电。
很少有半导体能够直接从48V开始工作，通常需要降至5V亚伏级水平。非隔离式PoL转换器在此发挥重要作用，将较高的电压转换为IC所需的电平。在某些情况下，使用中间总线转换器（IBC）来创建中间总线电压（通常为12V），该转换器与PoL转换器松散调节，将12V转换为IC供电电压。单级转换越趋成为首选，现在可以使用许多PoL转换器直接将48V电源轨转换为IC电源电压。

如所有电源方案一样，机器人应用的电源架构需要高效、可靠，并提供高功率密度，以使机器人足够小巧、灵巧，从而很好地执行其功能。实现此目标的关键是选择合适的半导体以在机器人内形成各种电源功能。

机器人电源应用的半导体方案

安森美半导体是拥有应用专知并投资以提供各种器件和电源产品的公司典范，使设计人员能够为机器人应用设计高性能电源方案。

几乎所有电源方案中最常用的器件之一是MOSFET。安森美半导体的广泛产品范围包括具有多种版本的“超级结”MOSFET，可用于不同的开关类型和应用。FAST器件在硬开关拓扑结构中提供高能效，而易驱动器件既适用于硬开关应用，又适用于软开关应用，可确保低电磁干扰（EMI）和降低电压尖峰。

与MOSFET产品配套的是各种高压门极驱动器，支持微控制器或其他逻辑电路直接控制MOSFET。根据电路结构，可以使用简单的非隔离驱动器（例如安森美半导体的NCD570x系列），或者可能需要更精密的隔离方案或高边和低边驱动器。

高度集成的方案如智能功率模块（IPM）和汽车电源模块（APM），带来了许多好处。通常，它们将集成多个MOSFET用于与必要的驱动器一起进行多相电机驱动。这些模块比分立方案提供更好的热性能，因为所有器件都贴装在同一基板上。它们还能够处理更高的电流水平，同时改善EMI，并提供比分立方案更小更轻的方案。

除这些方案外，安森美半导体还为机器人电源应用提供完整的产品组合，包括eFuse、PFC IC、整流器、电流检测器和开关，用于提供辅助电源轨。配以安森美半导体业界最低功耗的蓝牙模块，用于通讯，以及各种图像传感器实现先进机器视觉。

关键词：机器人