安森美半導體高能效方案賦能機器人創新,助力工業自動化升級

工控自動化 時間:2021-04-22來源:電子產品世界

工業自動化簡單說來指從人力制造轉向機器人制造,涉及信息物理系統(CPS)、物聯網(IoT)/工業物聯網(IIoT)、云計算(Cloud Computing)和人工智能(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,并避免人力在執行某些任務時的安全隱患。安森美半導體為工業自動化提供全面的高能效創新的半導體方案。其中,機器人半導體方案構建框圖如圖1所示。

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圖1 工業自動化-機器人半導體方案構建框圖

電機控制

設計人員可采用安森美半導體的無刷直流電機(BLDC)控制器實現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進行速度閉環控制。 對于配套的功率器件,安森美半導體提供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,具體取決于應用。

使用一個專用的逆變器網絡來驅動通用臂制動器和末端執行器的BLDC相繞組,這個逆變器系統包含高達150 V耐壓 的Power Trench功率器件。 下表列出了安森美半導體的Trench系列分立器件的一些成員,以及推薦的三相門極(預)驅動器:

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為了將瞬態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,可能需要數字隔離器;同時根據電源架構,也可能需要隔離驅動IC。

逆變器功能部分和更高功率的應用場景可以使用智能功率模塊(IPM)來實現,如安森美半導體的NFVA35065L32。 這款經過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電壓尖峰。 NFVA35065L32還集成了豐富的保護功能如過流關斷、欠壓鎖定(UVLO)、過溫、過熱監控以及故障遙測功能,可滿足您驅動當今三相BLDC電機應用的所有要求,并且穩定可靠和優良的高可靠性。 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-制動(CIB)和轉換器-逆變器(CI)架構; 以及650V 50A的PIM模塊, 提供轉換器-逆變器-交錯PFC(CIP)架構,是工業自動化-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體已推出的TMPIM模塊。

器件

額定值

架構

NXH25C120L2C2SG

1200V 25A

轉換器 - 逆變器 - 制動

NXH35C120L2C2ESG/SG/S1G

1200V 35A

轉換器 - 逆變器 - 制動

NXH50C120L2C2ESG/S1G

1200V 50A

轉換器 - 逆變器 - 制動

NXH50M65L4C2SG/ESG

650V 50A

轉換器 - 逆變器 - PFC

對于更高壓應用,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。

該系列的封裝設計具有低寄生電感(<25nH) 的優勢,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、可編程的死區時間設置,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,失調電壓低至35 uV,是電流的逐周期檢測的最佳選擇。

為幫助設計人員加速開發更高能效的電機控制方案,安森美半導體還推出了先進而靈活的電機開發套件(MDK),適用于10 kW以內的開發應用。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動評估板,軟件開發支持來自Xilinx以Vivado?設計套件的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近物體,并區分和辨別下一步行動,從而保持安全和避免沖突。安森美半導體是工業機器視覺的領袖之一,致力于以全方位的成像方案和領先技術,賦能機器超越人眼的視覺,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圖像傳感器采用最佳的第三代全局快門技術,極其適用于機器視覺應用。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 ,該降壓穩壓器具有3.3V/3A 的輸出能力,可為安森美半導體的其它下游器件提供充足的電能,NCP3170也具有熱關斷和輸出短路等一些關鍵特性。 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。

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圖2 工業自動化-機器人之機器視覺半導體塊

激光雷達

對于微光和距離敏感的探測和測量應用,利用單光子敏感的高性能固態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。

主電源由幾個開關穩壓器、轉換器和LDO組成,為光電倍增器陣列、激光二極管、氮化鎵(GaN)驅動器、模擬前端偏置電路、時間數字轉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驅動器,驅動FDMC86116LZ 100V 7.5A 103mΩ Rdson MOS,升壓整流部分使用超快恢復的車規級二極管SURA8120T3G(1A 150V Trr<35ns)。

可采用NCV887102D1R2G汽車級升壓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關MOSFET,適宜輸出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的輸入電壓和適用于小尺寸的應用,是需要3.7 V或5.5 V輸出電壓的應用的理想選擇。

NCP59300是3A 電流輸出的低噪聲和低紋波線性穩壓器,NCV8114ASN250T1G是高PSRR 和低靜態電流的 300 mA LDO,NCV8187AMT120TAG 可以提供1. 2A輸出。這些LDO為FPGA、NC7WZ17P6X時鐘緩沖器、NCV809RTRG電壓監控器/微處理器和時-數轉換器內的時鐘振蕩器提供電源,同時這些LDO都由NCV890100MWTXG控制器的DC-DC降壓轉換器輸出電源供電。

語音控制

人工智能(AI)語音交互應用日趨流行,且在工業領域進一步滲透??梢耘c主機AI系統配合使用的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),用于音頻降噪、波束成形和回聲消除。它是多核架構(2個ARM M3+1 DSP  Core),當與大規模程序連接可提供強大的處理能力。

NCP2823是用于驅動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平臺可實現設備間的互聯互通。

無線聯接

QCS-AX-D12/QCS-AX2-D12是支持802.11ax/ac/n/a/g/b標準的雙頻雙并發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 雙頻并發(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,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是采用自適應死區時間(維持最佳的體二極管導通時間)控制的LLC控制器,同時集成了次級同步整流驅動信號,以實現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(ZVS),次級端MOS/二極管為零電流開關(ZCS),以此達到功耗最小化。次級可提供多種繞組配置,以適應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、多相轉換器的智能功率級(SPS)、無線電板/天線和語音音頻處理的POL供電。

多相DC-DC轉換器

需要用到多相控制器如NCP81233,集成的MOSFET驅動器NCP5339,可視電路需要采用e-Fuse或負載開關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用,可用相位倍增器NCP81162??梢允褂脙上嗷蛉噢D換器給多核系統單芯片平臺供電,如NCV81277或NCV81275A多相控制器,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10 A單相降壓轉換器,該轉換器由NCV881930控制IC, 驅動兩個分立的40V78 A N溝道MOS– NVMFS5C460NL構成。其余輸出電壓范圍為0.75 V至3.3 V的低功率電源由NCV6323內部補償穩壓器 (集成的MOSFET和MOSFET驅動器) 提供。

總結

機器人是實現工業自動化的關鍵技術之一。安森美半導體為機器人各構建塊如電機控制、機器視覺、激光雷達、語音控制、無線聯接、電源等提供全面的高能效半導體方案,支持并推進創新。

關鍵詞: MOSFET BLDC IoT IIoT

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