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48 V機器人的興起

2020-2-13 來源（yuán）：安森美半導體公司作者：Ali Husain

工業機器人（rén）是第四次工業革命（即“工業（yè）4.0”）的重要元素，這些設備（bèi）聯接到係統（tǒng）和遠程傳感器，構成（chéng）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250萬台工業（yè）機器人，且這個數字以每年超過40萬台的速度（dù）增長（zhǎng）。其中，工（gōng）業（yè），汽車和電氣/電子行業占總（zǒng）部署的一（yī）半以（yǐ）上，金屬和機械、塑料、化工和食品飲料（liào）也是重要用戶。所有工業機器人中約有（yǒu）75％部署在中國、日本、美國、韓國和德國。

機器（qì）人的迅速（sù）普及不僅限於工業領域，到2018年為止已部署了25萬台（tái）“專業服務”機器人。這是驚人的增長，年增率超過60％。五分（fèn）之二已部署的服務（wù）機器人被歸類為自動導引車（AGV），主要用於物流（liú）和製造業。個人和家用機器人（rén）市場的增長速度相似（約為60％），目前包括約1,630萬台機器人（rén），用於吸塵、教育和研究等各種任務。

48 V和機器（qì）人

48V已在許多應用中流行起來（lái），部（bù）分因為（wéi）該（gāi）電壓是通用的最高安全電壓。與主（zhǔ）電源供電的設備（bèi）相比，這可使設計人員減少係統保護，並減小導體的尺寸（與12V供電產品相比（bǐ）），從而減少重（chóng）量（liàng）、成本和功率損耗。直接由48V供電（diàn）的電機通常也較小，在機器人應用（yòng）中，這支持更小和更輕的接頭，從而提高機器能（néng）效、靈巧性和可（kě）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（zhōng）流程的自動化。

48V在當（dāng）今許多應用（yòng）中非常流行，包括汽車。在許多車載（zǎi）設備（bèi）中，48V受（shòu）歡迎程度迅速超過12V，在雲計算中，48V配電用於服（fú）務器背板、散（sàn）熱（rè）風扇和其他電信（xìn）相關應用。這種普遍性意味著48V電（diàn）源（yuán）的設備和子係統是（shì）普遍可用（yòng）的（de），這為設計人員增（zēng）加了（le）選擇（zé）範圍，並以規模（mó）經濟降低成本。

圖1：典型機器人的高級框（kuàng）圖（tú）（包括電（diàn）源係統）

機器（qì）人是相（xiàng）當（dāng）複雜的係統，根據應用和（hé）功能的不同，機器人將含許（xǔ）多功能元素，包括（kuò）聯接、圖像感知、位（wèi）置感測和電機（jī）控製。還有（yǒu）許多不同的電源子（zǐ）係統（tǒng），包括AC-DC轉換、電（diàn）池（chí）管理、DC-DC轉換、多相轉換器、負載點（PoL）轉換、線（xiàn）性調節（jiē）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（néng）夠按照設計人員的預期進行工作。

如果我們看汽車或雲（yún）計（jì）算係統的類似功能框圖（tú），我們會發現與機器人框圖有（yǒu）很多相（xiàng）似之處。這為從其他應用到機（jī）器人的交叉電（diàn）源方案帶來機會。例如，eFuse廣泛用於雲計算，以（yǐ）支持存儲介質的熱交（jiāo）換和冷卻設備，如風扇（shàn）。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（zhōng），機器人自身也能（néng）夠根據手頭的任務交換功能塊（如工具（jù）塊）。

為48V機器人應用提供電源方（fāng）案

許多現代機（jī）器人應用都（dōu）使（shǐ）用48V總（zǒng）線在係統周圍傳輸電（diàn）源。其損耗是典型的（de）12V總線的1/16，或者允許使用更細更輕的電纜。在（zài）固定機器人安裝中，48V將由市電電源產生（shēng），將包（bāo）含功率因數校正（PFC）前端。無（wú）人機（jī）、護（hù）理助（zhù）手等移動機器人將配備車載電池（chí），定期從電源適配器充（chōng）電。

很少有半導（dǎo）體能夠直接從48V開始工作（zuò），通常需要降（jiàng）至5V亞伏（fú）級水平。非隔離式PoL轉換器在此發（fā）揮重要作用，將較高（gāo）的（de）電壓轉換為IC所（suǒ）需的電（diàn）平。在某些情況（kuàng）下，使用中間總線轉換器（IBC）來創建中間總（zǒng）線電壓（通常為12V），該轉換器與PoL轉換器鬆散調節，將12V轉換（huàn）為IC供電電壓。單級轉換越趨成（chéng）為（wéi）首選，現在可以使用（yòng）許多PoL轉換器（qì）直接將48V電（diàn）源（yuán）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，並提供高功率密度，以使機器人足夠（gòu）小巧、靈巧（qiǎo），從而很好地執行其功能。實現此目標的關鍵是選擇合（hé）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（fāng）案

安森美半導體是擁有應用（yòng）專知並投資以提供各種器件和電（diàn）源產品的公司典範，使設計人員能夠為機器人應用（yòng）設計高性能電源方案。

幾乎所有電源方（fāng）案中最常用的器件之一是MOSFET。安森美（měi）半導體的廣泛產品範圍包括具有多種版本的“超級結”MOSFET，可用於不同的開關類型和應用。FAST器件在（zài）硬開關拓撲結構中提供高能效，而易驅動器件既適用於（yú）硬開（kāi）關應用，又（yòu）適用於軟（ruǎn）開關應用，可確保（bǎo）低電磁幹擾（rǎo）（EMI）和降低電壓尖峰。

與MOSFET產品配套的是各（gè）種高壓門極驅動器，支持微控製器或其他邏輯電路直接控製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係列），或者可能需要更精密的隔離方案或（huò）高邊和低（dī）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（chù）。通常，它們將集成多個MOSFET用於與必要的驅動器一起進行多相電機驅動（dòng）。這些模塊比分立方案（àn）提供更好的熱性能，因為所有器件（jiàn）都（dōu）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，並提供比分立方案更小（xiǎo）更輕的方案。

除這（zhè）些（xiē）方案外，安森美半導體還為機器人（rén）電源應用提（tí）供完整的產品組合，包括eFuse、PFC IC、整流器、電流檢（jiǎn）測（cè）器和開關，用於提供輔助電（diàn）源軌。配以安森美半導體業界最低功耗（hào）的藍牙模（mó）塊，用於通訊（xùn），以及各種圖像傳（chuán）感器實現先（xiān）進機器視覺。大個人流（liú）動的利（lì）用以及開發下一代流動的解決方案。

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