安森美半導(dǎo)體高能效方案賦能機器人創(chuàng)新，助力工業(yè)自動化升級
2021-4-22 來源：安森美半導(dǎo)體 作者：-
工業(yè)自動化簡單說來指從人力制造轉(zhuǎn)向機器人制造，涉及信息物理系統(tǒng)(CPS)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、云計算(Cloud Computing)和人工智能(AI)等多種技術(shù)，可實現(xiàn)經(jīng)濟增長和利潤最大化，提高生產(chǎn)效率，并避免人力在執(zhí)行某些任務(wù)時的安全隱患。安森美半導(dǎo)體為工業(yè)自動化提供全面的高能效創(chuàng)新的半導(dǎo)體方案。其中，機器人半導(dǎo)體方案構(gòu)建框圖如圖1所示。
圖1：工業(yè)自動化-機器人半導(dǎo)體方案構(gòu)建框圖
電機控制
設(shè)計人員可采用安森美半導(dǎo)體的無刷直流電機(BLDC)控制器實現(xiàn)BLDC電機控制，如高性能第二代單電機控制器MC33035、NCV33035和MC33033 ， 或也可采用MC33039進行速度閉環(huán)控制。 對于配套的功率器件，安森美半導(dǎo)體提供Power Trench N溝道MOSFET系列，雪崩擊穿電壓范圍從40 V至150 V甚至更高，具體取決于應(yīng)用。
使用一個專用的逆變器網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動通用臂制動器和末端執(zhí)行器的BLDC相繞組，這個逆變器系統(tǒng)包含高達150 V耐壓 的Power Trench功率器件。 下表列出了安森美半導(dǎo)體的Trench系列分立器件的一些成員，以及推薦的三相門極（預(yù)）驅(qū)動器：
為了將瞬態(tài)大電流和大電壓分別反饋到對噪聲更敏感的低壓微處理器上，可能需要數(shù)字隔離器；同時根據(jù)電源架構(gòu)，也可能需要隔離驅(qū)動IC。
逆變器功能部分和更高功率的應(yīng)用場景可以使用智能功率模塊(IPM)來實現(xiàn)，如安森美半導(dǎo)體的NFVA35065L32。 這款經(jīng)過AEC-Q和AQG324認證的50 A汽車級高壓模塊，集成了650V場截止溝槽IGBT器件，可以承受更高的感應(yīng)電壓尖峰。 NFVA35065L32還集成了豐富的保護功能如過流關(guān)斷、欠壓鎖定(UVLO)、過溫、過熱監(jiān)控以及故障遙測功能，可滿足您驅(qū)動當今三相BLDC電機應(yīng)用的所有要求，并且穩(wěn)定可靠和優(yōu)良的高可靠性。 NFVA33065/34065L32分別為650 V 30 A / 40A IPM。
NFVA225 / 235 / 25012NP2T– 是1200V 25A/35A/50A IPM。
在更高的功率段上，安森美半導(dǎo)體推出了1200 V 25 A、35 A和50 A 的PIM模塊, 提供轉(zhuǎn)換器-逆變器-制動(CIB)和轉(zhuǎn)換器-逆變器(CI)架構(gòu); 以及650V 50A的PIM模塊, 提供轉(zhuǎn)換器-逆變器-交錯PFC(CIP)架構(gòu)，是工業(yè)自動化-機器人應(yīng)用的理想選擇。未來將推出1200 V級和650 V級25 A至200 A 的產(chǎn)品，包括涵蓋Compact 和QLP-74系列，達到功率頻譜全覆蓋，以滿足各種不同的功率需求。下表列出了安森美半導(dǎo)體已推出的TMPIM模塊。
對于更高壓應(yīng)用，需要采用智能功率逆變器APM17M系列，如NXV10H250XT1 (100 V, Idmax = 250 A，1 mΩ) 和NXV10H350XT1 (100 V, Idmax = 310 A，1 mΩ)。這些功率逆變器單元可采用三相（3個APM17M）或六相（6個APM17M）運行。
該系列的封裝設(shè)計具有低寄生電感(<25nH) 的優(yōu)勢，每一相都能承受較大的負載瞬變(大dI / dt)，且電磁干擾(EMI)低。每個APM17M模塊內(nèi)部都有2個上管（MOS）和2個下管（MOS），它們可用FAN73832（625V驅(qū)動IC）來驅(qū)動。FAN73832具有+0.35A/-0.65A驅(qū)動能力、可編程的死區(qū)時間設(shè)置，從而防止橋式電路的直通。對于每相的電流檢測，我們可用NCV210R、NCV213R和/或NCV214R，使用他們來檢測每相shunt 電阻上的電流， 該系列電流放大器的最大工作電壓為26 V，失調(diào)電壓低至35 uV，是電流的逐周期檢測的最佳選擇。
為幫助設(shè)計人員加速開發(fā)更高能效的電機控制方案，安森美半導(dǎo)體還推出了先進而靈活的電機開發(fā)套件(MDK)，適用于10 kW以內(nèi)的開發(fā)應(yīng)用。該模塊化的綜合原型樣機平臺包括通用控制器板(UCB) 和一系列不斷擴展的電機驅(qū)動評估板，軟件開發(fā)支持來自Xilinx以Vivado®設(shè)計套件的形式進行高層次融合。
機器視覺
實現(xiàn)全自動化的關(guān)鍵要素之一是機器能夠感知周圍環(huán)境：機器能觀察和識別附近物體，并區(qū)分和辨別下一步行動，從而保持安全和避免沖突。安森美半導(dǎo)體是工業(yè)機器視覺的領(lǐng)袖之一，致力于以全方位的成像方案和領(lǐng)先技術(shù)，賦能機器超越人眼的視覺，推進工業(yè)自動化的創(chuàng)新。
如下圖所示的方案中，1/4英寸、100萬像素的AR0144 CMOS圖像傳感器采用最佳的第三代全局快門技術(shù)，極其適用于機器視覺應(yīng)用。使用超低噪聲和紋波的NCP163為AR0144提供電源， 讓AR0144在微光下也可以得到清晰的圖像。
NCP3170同步整流Buck提供主電源輸出，用于負載點 (POL) 供電 ，該降壓穩(wěn)壓器具有3.3V/3A 的輸出能力，可為安森美半導(dǎo)體的其它下游器件提供充足的電能，NCP3170也具有熱關(guān)斷和輸出短路等一些關(guān)鍵特性。 在DC BUS 上也可以使用電子保險絲（e-Fuse）來抑制電壓/電流浪涌和解決多路電源的時序問題。
圖2：工業(yè)自動化-機器人之機器視覺半導(dǎo)體塊
激光雷達
對于微光和距離敏感的探測和測量應(yīng)用，利用單光子敏感的高性能固態(tài)傳感器或硅光電倍增管(SiPM)/ 單光子雪崩二極管(SPAD)和Microcell陣列，部署激光雷達(LiDAR) 來探測光和測距，可以生成所需目標的數(shù)字3D圖像。由于光電倍增器的高增益、高帶寬和高靈敏度，可生成更精確的圖像。R系列SiPM傳感器系列的成員之一ARRAYRDM-0116A10-DFN，適用于905/940 nm LiDAR應(yīng)用，該1x16像素的陣列格式和獨特的快速輸出，同時905 nm波長的靈敏度高于100 kA/W，這些優(yōu)異特性為工廠自動化掃描提供一個可行的解決方案。
主電源由幾個開關(guān)穩(wěn)壓器、轉(zhuǎn)換器和LDO組成，為光電倍增器陣列、激光二極管、氮化鎵(GaN)驅(qū)動器、模擬前端偏置電路、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器等提供合適的工作電壓。為了給Microcell陣列提供-24V 或-45V負電壓，可以使用 NCV898031非同步（SEPIC）升壓控制器，NCV898031集成一個MOSFET驅(qū)動器，驅(qū)動FDMC86116LZ 100V 7.5A 103mΩ Rdson MOS，升壓整流部分使用超快恢復(fù)的車規(guī)級二極管SURA8120T3G（1A 150V Trr<35ns）。
可采用NCV887102D1R2G汽車級升壓IC 驅(qū)動FDMC86116LZ MOSFET，可給激光二極管提供80 V電源。NCV890100MWTXG 降壓穩(wěn)壓器內(nèi)部集成開關(guān)MOSFET，適宜輸出3.7 V和5.5 V電源，這款2 MHz開關(guān)頻率的電源能夠處理高達36 V的輸入電壓和適用于小尺寸的應(yīng)用，是需要3.7 V或5.5 V輸出電壓的應(yīng)用的理想選擇。
NCP59300是3A 電流輸出的低噪聲和低紋波線性穩(wěn)壓器，NCV8114ASN250T1G是高PSRR 和低靜態(tài)電流的 300 mA LDO，NCV8187AMT120TAG 可以提供1. 2A輸出。這些LDO為FPGA、NC7WZ17P6X時鐘緩沖器、NCV809RTRG電壓監(jiān)控器/微處理器和時-數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的時鐘振蕩器提供電源，同時這些LDO都由NCV890100MWTXG控制器的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器輸出電源供電。
語音控制
人工智能(AI)語音交互應(yīng)用日趨流行，且在工業(yè)領(lǐng)域進一步滲透?？梢耘c主機AI系統(tǒng)配合使用的LC823455單芯片(SoC)，是32位高分辨率音頻數(shù)字信號處理(DSP)內(nèi)核，帶有多個專有的DSP加速器(編解碼器)，用于音頻降噪、波束成形和回聲消除。它是多核架構(gòu)（2個ARM M3+1 DSP Core），當與大規(guī)模程序連接可提供強大的處理能力。
NCP2823是用于驅(qū)動4 Ω至8 Ω輸出揚聲器的D類音頻放大器，為該音頻放大器供電的是NCP3170 DC-DC提供5 V電源。連接到5 V POL電源的是一系列高噪聲抑制能力的線性穩(wěn)壓器 (LDO)--NCP170，其超低的靜態(tài)電流消耗是電池供電應(yīng)用的理想選擇，為采用支持藍牙5的RSL10平臺可實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通。
無線聯(lián)接
QCS-AX-D12/QCS-AX2-D12是支持802.11ax/ac/n/a/g/b標準的雙頻雙并發(fā)WiFi 6/6E芯片組，是業(yè)界首款支持8x8的8空間流和多用戶多入多出 (MU-MIMO) 的芯片。其8 x 8 + 4 x 4 雙頻并發(fā)(DBDC)及OFDMA(正交頻分多址)可最佳和高效地利用帶寬。QCS-AX-D12/QCS-AX2-D12接入點支持達10 Gbps和八條空間流（Eight Simultaneous Spatial Streams）。
隔離電源
在電源部分，用全橋整流器GBPC3506將交流整流成直流電壓，利用3通道交錯式CCM PFC IC FAN9673Q可為電源提供PF=1的高功率因數(shù)，PFC的功率MOS 推薦使用600 V30 A 的SuperFET III NTPF082N65S3F ，650V30A的SiC 二極管FFSP3065A 為PFC的整流二極管 ，SiC二極管零電流恢復(fù)特性實現(xiàn)了更高的效率和更好的EMC特性和更低的溫升 。
在500W-5KW應(yīng)用中，采用全橋LLC和次級同步整流輸出或者全橋整流輸出，可以獲得高于95%的效率，同時提供安全隔離。NCP(V)4390是采用自適應(yīng)死區(qū)時間（維持最佳的體二極管導(dǎo)通時間）控制的LLC控制器，同時集成了次級同步整流驅(qū)動信號，以實現(xiàn)最佳能效性能和最簡化的外圍器件。
NCP(V)4390原邊MOS為零電壓開關(guān)（ZVS），次級端MOS/二極管為零電流開關(guān)（ZCS），以此達到功耗最小化。次級可提供多種繞組配置，以適應(yīng)各種所需的母線電壓，如48 V母線電壓用于BLDC電機的集成電源模塊，12 V用于為圖像傳感器、激光雷達系統(tǒng)、多相轉(zhuǎn)換器的智能功率級（SPS）、無線電板/天線和語音音頻處理的POL供電。
多相DC-DC轉(zhuǎn)換器
需要用到多相控制器如NCP81233，集成的MOSFET驅(qū)動器NCP5339，可視電路需要采用e-Fuse或負載開關(guān)IC提供反向電流保護、輸入過壓鉗位或過流保護。
對于更高功率需求的應(yīng)用，可用相位倍增器NCP81162?？梢允褂脙上嗷蛉噢D(zhuǎn)換器給多核系統(tǒng)單芯片平臺供電，如NCV81277或NCV81275A多相控制器，配以MOSFET驅(qū)動IC如NCV3025833或NCV303150。
為開關(guān)穩(wěn)壓器提供5 V DC電源的是個10 A單相降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由NCV881930控制IC， 驅(qū)動兩個分立的40V78 A N溝道MOS– NVMFS5C460NL構(gòu)成。其余輸出電壓范圍為0.75 V至3.3 V的低功率電源由NCV6323內(nèi)部補償穩(wěn)壓器 (集成的MOSFET和MOSFET驅(qū)動器) 提供。
總結(jié)
機器人是實現(xiàn)工業(yè)自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一。安森美半導(dǎo)體為機器人各構(gòu)建塊如電機控制、機器視覺、激光雷達、語音控制、無線聯(lián)接、電源等提供全面的高能效半導(dǎo)體方案，支持并推進創(chuàng)新。
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