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高能效机器人设计创新方案助力工业自动化升级和智能制造

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 。
高能效机器人设计创新方案助力工业自动化升级和智能制造
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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：
高能效机器人设计创新方案助力工业自动化升级和智能制造
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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NXH25C120L2C2SG1200 V 25A转换器 - 逆变器 - 制动NXH35C120L2C2ESG/SG/S1G1200 V 35A转换器 - 逆变器 - 制动NXH50C120L2C2ESG/S1G1200 V 50A转换器 - 逆变器 - 制动NXH50M65L4C2SG/ESG650 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 。
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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 。
【高能效机器人设计创新方案助力工业自动化升级和智能制造】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FDMC86116LZMOSFET，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 DSPCore），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 。

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