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安森美半導體高能效方案賦能機器人創新，助力工業（yè）自動化升級

2021-4-22 來源：安森美半導體作者：-

工（gōng）業自動化簡單說來指從人力製造轉向機（jī）器人製造，涉及信息物理係統(CPS)、物聯網(IoT)/工業物聯網（wǎng）(IIoT)、雲（yún）計算(Cloud Computing)和（hé）人工智能(AI)等多種技術，可實現經濟增長和利潤最大化，提高生產效率，並避免人力在執行（háng）某（mǒu）些任務時（shí）的安全隱患。安森美半導體為工業自（zì）動化提供全（quán）麵的（de）高能效創新的半導體方（fāng）案。其中，機器（qì）人半導體方案構建框圖（tú）如圖1所示。

圖（tú）1：工業自動化-機器人半導體方案構建框圖

電機控製

設（shè）計（jì）人員可（kě）采用安森（sēn）美半導體的無刷直流電機(BLDC)控製器（qì）實（shí）現BLDC電機控製，如（rú）高性能（néng）第二代單電機控製器MC33035、NCV33035和（hé）MC33033 ，或也可采用（yòng）MC33039進行速度（dù）閉環控（kòng）製。對於配（pèi）套（tào）的功率器件，安森美半（bàn）導體提供Power Trench N溝道MOSFET係列，雪崩擊穿電壓範圍從40 V至150 V甚至更高，具體取決於應（yīng）用。

使用一個專用的逆變器網絡來驅動通（tōng）用臂製動器和末端執行器的BLDC相繞組，這個逆變（biàn）器（qì）係統包含高達150 V耐壓的Power Trench功率器件。下表列出了安森美半導體的Trench係列分立器件的一些成（chéng）員，以及推薦的三相門極（預）驅動器：

為了將瞬態大電流和大電壓分別反饋（kuì）到對噪（zào）聲更敏感的低壓微處理器上，可能需要數字隔（gé）離器；同時根據電源架構，也（yě）可能（néng）需要隔離驅（qū）動IC。

逆變器功能部分和更高功（gōng）率的應用場景可以使用（yòng）智能功率模塊(IPM)來實現，如安森美（měi）半導體的（de）NFVA35065L32。這款經過（guò）AEC-Q和AQG324認證的50 A汽車級高壓模塊，集成了650V場截止（zhǐ）溝槽IGBT器件，可以承受更高的感應電壓（yā）尖峰。 NFVA35065L32還集成了豐富的保護功能如過流關斷、欠壓鎖定(UVLO)、過（guò）溫、過熱監控以及故障（zhàng）遙測功能，可滿足您驅動當今三相BLDC電機應用的所有要求（qiú），並且穩定可靠和（hé）優良的高可靠性。 NFVA33065/34065L32分（fèn）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, 提供轉換器-逆變器-製動(CIB)和轉換器-逆變器(CI)架構; 以及（jí）650V 50A的PIM模塊, 提供轉換器-逆（nì）變器-交錯PFC(CIP)架構，是（shì）工業自動化-機器人應用的理想選擇。未來將推出1200 V級和650 V級25 A至200 A 的產品，包括（kuò）涵蓋Compact 和QLP-74係（xì）列，達到功率頻譜全覆蓋，以滿足各種不同（tóng）的功率需求。下表列出了安森美半導體已推出的TMPIM模塊。

對於更高壓應（yīng）用，需（xū）要采用智能功率逆變器APM17M係列，如（rú）NXV10H250XT1 (100 V, Idmax = 250 A，1 mΩ) 和（hé）NXV10H350XT1 (100 V, Idmax = 310 A，1 mΩ)。這（zhè）些功（gōng）率逆變器單元可采用三相（3個（gè）APM17M）或六（liù）相（6個APM17M）運行。

該係列（liè）的封（fēng）裝設計（jì）具有低寄生電感(<25nH) 的優勢，每一相都能承受（shòu）較大的負載（zǎi）瞬變(大dI / dt)，且電磁幹擾(EMI)低（dī）。每個APM17M模塊內部都有2個上管（MOS）和2個下管（MOS），它們可用FAN73832（625V驅動IC）來驅動。FAN73832具有+0.35A/-0.65A驅動能力、可編程的（de）死區時間設置，從而防止橋式電路的直通。對於每相的電流檢測，我（wǒ）們（men）可用NCV210R、NCV213R和/或NCV214R，使用他們來檢測每相shunt 電阻上的電流，該係（xì）列電流放大器的最大工作電壓為26 V，失（shī）調電壓低至35 uV，是電流的逐周（zhōu）期檢測的最佳選擇。

為幫助設計人員加速開發更高（gāo）能效的（de）電機控製方案，安森美半導（dǎo）體還（hái）推出了先進而靈活的電（diàn）機開發套件(MDK)，適用於10 kW以內的（de）開發應（yīng）用。該（gāi）模塊化的綜合原型樣機（jī）平台包括通用控製器板(UCB) 和一係列不斷（duàn）擴展的電機驅動評估板，軟件開發支持來（lái）自（zì）Xilinx以Vivado®設計套件的（de）形式進行高層次融合。

機器視覺

實現全自動化的關鍵要素之一是機器能夠感知周圍環境：機器能觀察和識別附（fù）近物（wù）體（tǐ），並區分和（hé）辨別下一步行動，從而保持安全和避免衝突。安森美（měi）半導體是工業機器視覺（jiào）的（de）領袖之一，致力於以全方位的成像方案和領先（xiān）技術，賦能機（jī）器超越人眼的視覺，推進工業自動化的創新。

如下圖所示的方案中，1/4英寸、100萬像素的AR0144 CMOS圖像（xiàng）傳（chuán）感器采用最佳的第三代全局快（kuài）門技術，極其適（shì）用（yòng）於（yú）機器視覺應用（yòng）。使用超低（dī）噪聲和紋（wén）波的NCP163為（wéi）AR0144提供電源，讓AR0144在微光下也可以得到清晰的圖像（xiàng）。

NCP3170同步整流Buck提供主電源輸出，用於（yú）負載點 (POL) 供電，該降壓穩壓器具有3.3V/3A 的輸出能力，可為（wéi）安森美（měi）半導體的其它下遊器（qì）件提供充足的電能，NCP3170也具有熱關斷和輸出短路等（děng）一些（xiē）關鍵特性。在DC BUS 上也可以使用電子保險絲（e-Fuse）來抑製電壓/電流浪湧和解決（jué）多路電源的時序問題。

圖（tú）2：工業（yè）自動化-機器人之機器視覺半導體塊（kuài）

激光雷達

對於微光和距離敏感的探測（cè）和測量應用，利用單光子敏感的高性能固態傳感器或矽光電倍增管（guǎn）(SiPM)/ 單光（guāng）子雪崩二極管(SPAD)和Microcell陣列（liè），部署激光雷達(LiDAR) 來（lái）探測光和（hé）測距，可以生成所需目標的數（shù）字（zì）3D圖像。由於（yú）光電倍增器的高增益、高帶（dài）寬和高靈敏度，可生成更精確的圖像。R係列SiPM傳感器係列的成員之一ARRAYRDM-0116A10-DFN，適用於905/940 nm LiDAR應用，該1x16像（xiàng）素的陣列格式（shì）和獨（dú）特的快速輸出，同時905 nm波（bō）長的靈敏度高於100 kA/W，這些優異特性為工廠自動化掃描（miáo）提供一個可（kě）行（háng）的（de）解決方案（àn）。

主電源由幾個開關穩壓器、轉換器和LDO組成，為光電倍增器陣列、激光二（èr）極管、氮化镓(GaN)驅動器（qì）、模擬前端偏置電路、時間數字轉換器等提供合（hé）適的工作電（diàn）壓。為（wéi）了給Microcell陣列提供-24V 或-45V負電壓，可以使用 NCV898031非同步（SEPIC）升壓控製器，NCV898031集成一個MOSFET驅（qū）動器，驅動FDMC86116LZ 100V 7.5A 103mΩ Rdson MOS，升壓整流部分使用超快恢複的車規級二極（jí）管SURA8120T3G（1A 150V Trr<35ns）。

可采用NCV887102D1R2G汽車（chē）級升壓IC 驅動FDMC86116LZ MOSFET，可給激光二極管提供80 V電源。NCV890100MWTXG 降壓穩壓器內部集成開（kāi）關MOSFET，適宜（yí）輸出3.7 V和5.5 V電源，這款2 MHz開關頻率的電源能夠處理高達36 V的輸入電壓和適用於小尺寸的應用，是需要3.7 V或5.5 V輸出電壓的應（yīng）用的理想選擇（zé）。

NCP59300是3A 電流輸出的低噪聲和低紋波（bō）線性穩壓器，NCV8114ASN250T1G是高PSRR 和低靜態電流的（de） 300 mA LDO，NCV8187AMT120TAG 可（kě）以提供1. 2A輸出（chū）。這些LDO為FPGA、NC7WZ17P6X時鍾緩衝器、NCV809RTRG電壓（yā）監控（kòng）器/微處理器和時-數轉（zhuǎn）換器內的時鍾（zhōng）振蕩器提供（gòng）電源，同時這些LDO都由NCV890100MWTXG控製器的DC-DC降壓轉換器輸出電源供電。

語音控製

人（rén）工智能(AI)語音交互（hù）應用日趨流（liú）行，且在工業領（lǐng）域進一步滲（shèn）透。可以與主機AI係統配合使用（yòng）的LC823455單芯片(SoC)，是32位高分辨率音頻數字信號處理(DSP)內核，帶有多個專有的DSP加速器(編解碼器（qì）)，用於音頻降噪、波束成形和回聲消除。它是多核架構（2個ARM M3+1 DSP Core），當與（yǔ）大規模（mó）程序連（lián）接可提供強大（dà）的處理能力。

NCP2823是用於驅動（dòng）4 Ω至8 Ω輸（shū）出揚聲器的D類音頻放大器，為（wéi）該音頻放（fàng）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（shì）一係列高噪聲抑製能力的線性穩壓器 (LDO)--NCP170，其超低的靜態電流消耗是電池供電應用的理想選擇，為采用支持藍牙5的RSL10平台可實現設備（bèi）間的（de）互聯互通。

無線聯接

QCS-AX-D12/QCS-AX2-D12是支持802.11ax/ac/n/a/g/b標準的雙頻雙並發WiFi 6/6E芯片組，是業界首款支持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 雙頻並發(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（dá）10 Gbps和八條空（kōng）間流（liú）（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，PFC的功率MOS 推薦（jiàn）使用600 V30 A 的SuperFET III NTPF082N65S3F ，650V30A的SiC 二極管FFSP3065A 為PFC的整（zhěng）流二極管，SiC二極管（guǎn）零電流恢複特性實現了更高的效率和更好的EMC特性和更低的溫升。

在500W-5KW應用中，采用全橋LLC和次（cì）級同步整流輸出或者全橋整流輸出，可以獲得高於（yú）95%的效率，同時提供安全隔離。NCP(V)4390是采用（yòng）自適（shì）應死區時（shí）間（維持最佳的體二極管（guǎn）導通時間）控製的LLC控（kòng）製器，同時集成了次級同步整流驅動信號（hào），以實現最佳能效（xiào）性能和最簡化的外圍器件。

NCP(V)4390原邊MOS為零電壓開關（ZVS），次級端MOS/二極管為零電流開關（ZCS），以此達到功耗最小化。次級可提供多種（zhǒng）繞組配（pèi）置，以適應各種所需的母線電（diàn）壓（yā），如48 V母線電壓用於BLDC電機的集成電源（yuán）模塊，12 V用於為圖像（xiàng）傳感器、激光雷達（dá）係統、多相（xiàng）轉換器（qì）的智能功（gōng）率級（SPS）、無線（xiàn）電板/天線和（hé）語音音頻處理的POL供電。

多相DC-DC轉換器

需要用到多相控製器如NCP81233，集成的MOSFET驅動器NCP5339，可視（shì）電路需要采用（yòng）e-Fuse或負載開關IC提供反向電流保護（hù）、輸入過壓（yā）鉗（qián）位（wèi）或過流保（bǎo）護。

對於更高功率需求的應用，可（kě）用（yòng）相位倍增器NCP81162。可以使（shǐ）用兩相或三相轉換器給多核係統單芯片平台供電，如NCV81277或NCV81275A多相控製（zhì）器，配以MOSFET驅動IC如NCV3025833或NCV303150。

為開關穩壓器提供5 V DC電源的是個（gè）10 A單（dān）相降壓轉換器，該轉換器由NCV881930控製IC，驅動兩個分立的40V78 A N溝道MOS– NVMFS5C460NL構成。其餘輸出電壓範圍為0.75 V至3.3 V的低功率電源由NCV6323內部補償穩壓器 (集成的MOSFET和MOSFET驅動器) 提供（gòng）。

總結

機器人是實現工業自動化的關鍵技術之一。安森美（měi）半導體為機器人各構（gòu）建塊如電機控製、機器視覺、激光雷達、語音控製、無線聯接、電源等提供（gòng）全麵的高能效半導體方案，支持並推進創新。

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