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内容
安森美半导体高能效方案赋能机器人创新,助力工业自动化升级
2021-04-22 10:28:36
来源:
安森美半导体
工业自动化简单说来指从人力制造转向机器人制造,涉及信息物理系统(CPS)、
物联网
(IoT)/工业
物联网
(IIoT)、云计算(Cloud Computing)和
人工智能
(
AI
)等多种技术,可实现经济增长和利润最大化,提高生产效率,并避免人力在执行某些任务时的安全隐患。安森美
半导体
为工业自动化提供全面的高能效创新的
半导体
方案。其中,机器人
半导体
方案构建框图如图1所示。
图1:工业自动化-机器人
半导体
方案构建框图
电机控制
设计人员可采用安森美
半导体
的无刷直流电机(BLDC)控制器实现BLDC电机控制,如高性能第二代单电机控制器MC33035、NCV33035和MC33033 , 或也可采用MC33039进行速度闭环控制。 对于配套的功率器件,安森美
半导体
提供Power Trench N沟道MOSFET系列,雪崩击穿电压范围从40 V至150 V甚至更高,具体取决于应用。
使用一个专用的逆变器网络来驱动通用臂制动器和末端执行器的BLDC相绕组,这个逆变器系统包含高达150 V耐压 的Power Trench功率器件。 下表列出了安森美
半导体
的Trench系列分立器件的一些成员,以及推荐的三相门极(预)驱动器:
为了将瞬态大电流和大电压分别反馈到对噪声更敏感的低压微
处理器
上,可能需要数字隔离器;同时根据
电源
架构,也可能需要隔离驱动IC。
逆变器功能部分和更高功率的应用场景可以使用智能功率模块(IPM)来实现,如安森美
半导体
的NFVA35065L32。 这款经过AEC-Q和AQG324认证的50 A
汽车
级高压模块,集成了650V场截止沟槽IGBT器件,可以承受更高的感应电压尖峰。 NFVA35065L32还集成了丰富的保护功能如过流关断、欠压锁定(UVLO)、过温、过热监控以及故障遥测功能,可满足您驱动当今三相BLDC电机应用的所有要求,并且稳定可靠和优良的高可靠性。 NFVA33065/34065L32分别为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
半导体
推出了1200 V 25 A、35 A和50 A 的PIM模块, 提供转换器-逆变器-制动(CIB)和转换器-逆变器(CI)架构; 以及650V 50A的PIM模块, 提供转换器-逆变器-交错PFC(CIP)架构,是工业自动化-机器人应用的理想选择。未来将推出1200 V级和650 V级25 A至200 A 的产品,包括涵盖Compact 和QLP-74系列,达到功率频谱全覆盖,以满足各种不同的功率需求。下表列出了安森美
半导体
已推出的TMPIM模块。
器件
额定值
架构
NXH25C120L2C2SG
1200 V 25A
转换器 - 逆变器 - 制动
NXH35C120L2C2ESG/SG/S1G
1200 V 35A
转换器 - 逆变器 - 制动
NXH50C120L2C2ESG/S1G
1200 V 50A
转换器 - 逆变器 - 制动
NXH50M65L4C2SG/ESG
650 V 50A
转换器 - 逆变器 - PFC
对于更高压应用,需要采用智能功率逆变器APM17M系列,如NXV10H250XT1 (100 V, Idmax = 250 A,1 mΩ) 和NXV10H350XT1 (100 V, Idmax = 310 A,1 mΩ)。这些功率逆变器单元可采用三相(3个APM17M)或六相(6个APM17M)运行。
该系列的封装设计具有低寄生电感(<25nH) 的优势,每一相都能承受较大的负载瞬变(大dI / dt),且电磁干扰(EMI)低。每个APM17M模块内部都有2个上管(MOS)和2个下管(MOS),它们可用FAN73832(625V驱动IC)来驱动。FAN73832具有+0.35A/-0.65A驱动能力、可编程的死区时间设置,从而防止桥式电路的直通。对于每相的电流检测,我们可用NCV210R、NCV213R和/或NCV214R,使用他们来检测每相shunt 电阻上的电流, 该系列电流放大器的最大工作电压为26 V,失调电压低至35 uV,是电流的逐周期检测的最佳选择。
为帮助设计人员加速开发更高能效的电机控制方案,安森美
半导体
还推出了先进而灵活的电机开发套件(MDK),适用于10 kW以内的开发应用。该模块化的综合原型样机平台包括通用控制器板(UCB) 和一系列不断扩展的电机驱动评估板,软件开发支持来自Xilinx以Vivado®设计套件的形式进行高层次融合。
机器视觉
实现全自动化的关键要素之一是机器能够感知周围环境:机器能观察和识别附近物体,并区分和辨别下一步行动,从而保持安全和避免冲突。安森美
半导体
是工业机器视觉的领袖之一,致力于以全方位的成像方案和领先技术,赋能机器超越人眼的视觉,推进工业自动化的创新。
如下图所示的方案中,1/4英寸、100万像素的AR0144 CMOS图像传感器采用最佳的第三代全局快门技术,极其适用于机器视觉应用。使用超低噪声和纹波的NCP163为AR0144提供
电源
, 让AR0144在微光下也可以得到清晰的图像。
NCP3170同步整流Buck提供主
电源
输出,用于负载点 (POL) 供电 ,该降压稳压器具有3.3V/3A 的输出能力,可为安森美
半导体
的其它下游器件提供充足的电能,NCP3170也具有热关断和输出短路等一些关键特性。 在DC BUS 上也可以使用电子保险丝(e-Fuse)来抑制电压/电流浪涌和解决多路
电源
的时序问题。
图2:工业自动化-机器人之机器视觉
半导体
块
激光雷达
对于微光和距离敏感的探测和
测量
应用,利用单光子敏感的高性能固态传感器或硅光电倍增管(SiPM)/ 单光子雪崩二极管(SPAD)和Microcell阵列,部署激光雷达(LiDAR) 来探测光和测距,可以生成所需目标的数字3D图像。由于光电倍增器的高增益、高带宽和高灵敏度,可生成更精确的图像。R系列SiPM传感器系列的成员之一ARRAYRDM-0116A10-DFN,适用于905/940 nm LiDAR应用,该1x16像素的阵列格式和独特的快速输出,同时905 nm波长的灵敏度高于100 kA/W,这些优异特性为工厂自动化扫描提供一个可行的解决方案。
主
电源
由几个开关稳压器、转换器和LDO组成,为光电倍增器阵列、激光二极管、氮化镓(GaN)驱动器、模拟前端偏置电路、时间数字转换器等提供合适的工作电压。为了给Microcell阵列提供-24V 或-45V负电压,可以使用 NCV898031非同步(SEPIC)升压控制器,NCV898031集成一个MOSFET驱动器,驱动FDMC86116LZ 100V 7.5A 103mΩ Rdson MOS,升压整流部分使用超快恢复的车规级二极管SURA8120T3G(1A 150V Trr<35ns)。
可采用NCV887102D1R2G
汽车
级升压IC 驱动FDMC86116LZ MOSFET,可给激光二极管提供80 V
电源
。NCV890100MWTXG 降压稳压器内部集成开关MOSFET,适宜输出3.7 V和5.5 V
电源
,这款2 MHz开关频率的
电源
能够处理高达36 V的输入电压和适用于小尺寸的应用,是需要3.7 V或5.5 V输出电压的应用的理想选择。
NCP59300是3A 电流输出的低噪声和低纹波线性稳压器,NCV8114ASN250T1G是高PSRR 和低静态电流的 300 mA LDO,NCV8187AMT120TAG 可以提供1. 2A输出。这些LDO为
FPGA
、NC7WZ17P6X时钟缓冲器、NCV809RTRG电压监控器/微
处理器
和时-数转换器内的时钟振荡器提供
电源
,同时这些LDO都由NCV890100MWTXG控制器的DC-DC降压转换器输出
电源
供电。
语音控制
人工智能
(
AI
)语音交互应用日趋流行,且在工业领域进一步渗透。可以与主机
AI
系统配合使用的LC823455单
芯片
(SoC),是32位高分辨率音频数字信号处理(DSP)内核,带有多个专有的DSP加速器(编解码器),用于音频降噪、波束成形和回声消除。它是多核架构(2个
ARM
M3+1 DSP Core),当与大规模程序连接可提供强大的处理能力。
NCP2823是用于驱动4 Ω至8 Ω输出扬声器的D类音频放大器,为该音频放大器供电的是NCP3170 DC-DC提供5 V
电源
。连接到5 V POL
电源
的是一系列高噪声抑制能力的线性稳压器 (LDO)--NCP170,其超低的静态电流消耗是电池供电应用的理想选择,为采用支持蓝牙5的RSL10平台可实现设备间的互联互通。
无线联接
QCS-AX-D12/QCS-AX2-D12是支持802.11ax/ac/n/a/g/b标准的双频双并发WiFi 6/6E
芯片
組,是业界首款支持8x8的8空间流和多用户多入多出 (MU-MIMO) 的
芯片
。其8 x 8 + 4 x 4 双频并发(DBDC)及OFDMA(正交频分多址)可最佳和高效地利用带宽。QCS-AX-D12/QCS-AX2-D12接入点支持达10 Gbps和八条空间流(Eight Simultaneous Spatial Streams)。
隔离
电源
在
电源
部分,用全桥整流器GBPC3506将交流整流成直流电压,利用3通道交错式CCM PFC IC FAN9673Q可为
电源
提供PF=1的高功率因数,PFC的功率MOS 推荐使用600 V30 A 的SuperFET III NTPF082N65S3F ,650V30A的SiC 二极管FFSP3065A 为PFC的整流二极管 ,SiC二极管零电流恢复特性实现了更高的效率和更好的EMC特性和更低的温升 。
在500W-5KW应用中,采用全桥LLC和次级同步整流输出或者全桥整流输出,可以获得高于95%的效率,同时提供安全隔离。NCP(V)4390是采用自适应死区时间(维持最佳的体二极管导通时间)控制的LLC控制器,同时集成了次级同步整流驱动信号,以实现最佳能效性能和最简化的外围器件。NCP(V)4390原边MOS为零电压开关(ZVS),次级端MOS/二极管为零电流开关(ZCS),以此达到功耗最小化。次级可提供多种绕组配置,以适应各种所需的母线电压,如48 V母线电压用于BLDC电机的集成
电源
模块,12 V用于为图像传感器、激光雷达系统、多相转换器的智能功率级(SPS)、无线电板/天线和语音音频处理的POL供电。
多相DC-DC转换器
需要用到多相控制器如NCP81233,集成的MOSFET驱动器NCP5339,可视电路需要采用e-Fuse或负载开关IC提供反向电流保护、输入过压钳位或过流保护。
对于更高功率需求的应用,可用相位倍增器NCP81162。可以使用两相或三相转换器给多核系统单
芯片
平台供电,如NCV81277或NCV81275A多相控制器,配以MOSFET驱动IC如NCV3025833或NCV303150。
为开关稳压器提供5 V DC
电源
的是个10 A单相降压转换器,该转换器由NCV881930控制IC, 驱动两个分立的40V78 A N沟道MOS– NVMFS5C460NL构成。其余输出电压范围为0.75 V至3.3 V的低功率
电源
由NCV6323内部补偿稳压器 (集成的MOSFET和MOSFET驱动器) 提供。
总结
机器人是实现工业自动化的关键技术之一。安森美
半导体
为机器人各构建块如电机控制、机器视觉、激光雷达、语音控制、无线联接、
电源
等提供全面的高能效
半导体
方案,支持并推进创新。
关键词:
安森美半导体
工业电子
机器人
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