作者：安森美半導體公司營銷及戰(zhàn)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(shè)備聯(lián)接到系統(tǒng)和遠程傳感器，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)國際機器人聯(lián)盟（IFR）（www.ifr.org）的數(shù)據(jù)，2018年部署了近250萬臺工業(yè)機器人，且這個數(shù)字以每年超過40萬臺的速度增長。其中，工業(yè)，汽車和電氣/電子行業(yè)占總部署的一半以上，金屬和機械、塑料、化工和食品飲料也是重要用戶。 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25萬臺“專業(yè)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(yè)。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(shè)備相比，這可使設(shè)計人員減少系統(tǒng)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(yè)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(shè)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(guān)應用。 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)計人員增加了選擇范圍，并以規(guī)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(tǒng)）
機器人是相當復雜的系統(tǒng)，根據(jù)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(tǒng)，包括AC-DC轉(zhuǎn)換、電池管理、DC-DC轉(zhuǎn)換、多相轉(zhuǎn)換器、負載點（PoL）轉(zhuǎn)換、線性調(diào)節(jié)和電機驅(qū)動器。這每一個領(lǐng)域都需要高能效的方案，以使機器人能夠按照設(shè)計人員的預期進行工作。
如果我們看汽車或云計算系統(tǒng)的類似功能框圖，我們會發(fā)現(xiàn)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(zhì)的熱交換和冷卻設(shè)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(jù)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(xiàn)代機器人應用都使用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(shù)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(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，機器人應用的電源架構(gòu)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(zhí)行其功能。實現(xiàn)此目標的關(guān)鍵是選擇合適的半導體以在機器人內(nèi)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(chǎn)品的公司典范，使設(shè)計人員能夠為機器人應用設(shè)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(jié)”MOSFET，可用于不同的開關(guān)類型和應用。FAST器件在硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)中提供高能效，而易驅(qū)動器件既適用于硬開關(guān)應用，又適用于軟開關(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極驅(qū)動器，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)，可以使用簡單的非隔離驅(qū)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(qū)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(qū)動器一起進行多相電機驅(qū)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(chǎn)品組合，包括eFuse、PFC IC、整流器、電流檢測器和開關(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現(xiàn)先進機器視覺。
