毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

工業(yè) 4.0 技術(shù)革命不僅通過在生產(chǎn)過程中使用數(shù)據(jù)或在整個(gè)供應(yīng)鏈中集成各種生產(chǎn)系統(tǒng)來定義。它還涉及分析和整合產(chǎn)品和流程的整個(gè)生命周期，以滿足個(gè)別客戶的需求。

在未來的幾十年里，公司將建立全球網(wǎng)絡(luò)，將他們的機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施以可以實(shí)時(shí)管理的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的形式整合起來。智能物聯(lián)網(wǎng)傳感器通過云接口和 I/O 鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最佳工業(yè)條件的持續(xù)監(jiān)控和維護(hù)。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 正在迅速形成，公司正在調(diào)整其 IT 基礎(chǔ)設(shè)施以滿足新的物聯(lián)網(wǎng)要求。數(shù)據(jù)中心正在幫助處理數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中涉及的大量數(shù)據(jù)，靠近數(shù)據(jù)的來源。作為 IT 轉(zhuǎn)型的一部分，一些公司已開始實(shí)施新的數(shù)據(jù)中心技術(shù)和分布方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制是工業(yè) 4.0 發(fā)展中的另一項(xiàng)重要戰(zhàn)略技術(shù)。尋找電機(jī)控制領(lǐng)域的高效解決方案是每個(gè)人的首要任務(wù)，包括系統(tǒng)開發(fā)商和組件制造商。

在所有應(yīng)用環(huán)境中，包括集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都遵循精確的規(guī)范。其中包括輸入電壓范圍、輸出電壓值、輸出功率、效率、輸入和輸出之間的電氣絕緣以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè) 4.0 需要用于工業(yè)設(shè)備的高性能組件，從更高的能源效率到在惡劣環(huán)境中的穩(wěn)健運(yùn)行，同時(shí)縮小外形尺寸。能源管理、效率和運(yùn)動(dòng)控制是這些新型智能工廠的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

工業(yè)用 DC/DC 電源

隨著工業(yè) 4.0 的發(fā)展，能源管理有了新的意義，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算的融合導(dǎo)致了復(fù)雜、分散和互聯(lián)的工業(yè)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)最佳能效，工程師越來越需要正確、準(zhǔn)確地表征智能工廠中電力系統(tǒng)所有組件的行為，特別是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)正在擴(kuò)大。在包括通信、計(jì)算機(jī)和各種工業(yè)領(lǐng)域在內(nèi)的傳統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)步增長(zhǎng)以及幾種新型創(chuàng)新電源架構(gòu)的出現(xiàn)的推動(dòng)下，DC/DC 轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)也將受益于新器件的可用性，例如碳化硅（ SiC) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。憑借其出色的熱特性，SiC 器件代表了各種應(yīng)用中的優(yōu)選解決方案。

例如，RECOM Power GmbH 的RKZ-xx2005D 系列?（通過 UL60950 和 IEC/EN60950 認(rèn)證）包括適用于 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，效率高達(dá) 87%（圖 1）和一個(gè)最大容性負(fù)載為 47/680 μF。

隔離電壓為 3 kVDC 或 4 kVDC，最高可達(dá) 5.2 kVDC（測(cè)試一分鐘），溫度范圍為 –40°C 至 90°C，可滿足汽車和工業(yè)應(yīng)用中最惡劣的條件。

圖 1：RKZ-xx2005D 系列的典型應(yīng)用電路。（圖片：RECOM Power）

Tamura Corp. 的柵極驅(qū)動(dòng)器模塊是具有內(nèi)置 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和專用驅(qū)動(dòng)電路的集成器件，適用于 SiC MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器。模塊是一體式的，只需幾個(gè)外部組件即可運(yùn)行。低共模噪聲、高速響應(yīng)和小尺寸是這些解決方案的主要特點(diǎn)，使其能夠在工業(yè)、機(jī)器人和電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用。

汽車、交通運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域等需要低電磁干擾 (EMI) 電源解決方案的應(yīng)用中，對(duì)噪聲的敏感性是另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。雖然 EMI 過濾或金屬屏蔽會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，但 Analog Devices Inc. (ADI) 的低噪聲 μModule 技術(shù)提供了一種可能的替代方案，可在高開關(guān)頻率下以高效率將 EMI 輻射降至最低。

圖 2：LTM8003H 的框圖。（圖片：模擬設(shè)備公司）

ADI 的LTM8003H?旨在滿足汽車、工業(yè)和軍事應(yīng)用所需的 –40°C 至 150°C 內(nèi)部工作溫度范圍的規(guī)范，在這些應(yīng)用中，電源電路必須連續(xù)且安全地工作（圖 2）。

高效數(shù)據(jù)中心

即使對(duì)更多功率的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)電源的重量和尺寸的要求也越來越嚴(yán)格。這就是為什么越來越多的公司將其配電和電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)的 12 V 轉(zhuǎn)換為 48 V 的主要原因。數(shù)據(jù)中心、云服務(wù)器、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用程序?qū)﹄娏Φ男枨笤絹碓酱?，因?yàn)閺V泛的使用 CPU、GPU 和其他計(jì)算設(shè)備。從 12V 切換到 48V 電源總線需要仔細(xì)選擇組件和適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)。

英飛凌科技股份公司為 48V 配電推出了一種創(chuàng)新的高效兩級(jí)架構(gòu)，特別適用于數(shù)據(jù)中心?；谄淞汶妷洪_關(guān) (ZSC) 開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器，新架構(gòu)可以有效地為 CPU、GPU、SoC、ASIC 和內(nèi)存模塊供電。

將 ZSC 技術(shù)與氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 相結(jié)合，例如CoolGan?600-V 器件，可為下一代數(shù)據(jù)中心優(yōu)化功率流和高性能。ZSC 轉(zhuǎn)換器可為基于 48V 總線電壓的應(yīng)用提供最高水平的效率和功率密度。

圖 3：ZSC 兩級(jí)架構(gòu)。（圖片：英飛凌）

ZSC 轉(zhuǎn)換器與最佳多相降壓穩(wěn)壓器的組合使用可提供等于或大于 94% 的效率和高于 48 V 供電系統(tǒng)的市場(chǎng)平均水平的功率密度。圖 3?顯示了一個(gè)評(píng)估板，基于ZSC 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)架構(gòu)。

運(yùn)動(dòng)控制

電機(jī)控制是一種方法和技術(shù)，涵蓋范圍廣泛，從簡(jiǎn)單的風(fēng)扇和泵控制到更復(fù)雜的工業(yè)控制問題，如機(jī)器人和伺服機(jī)構(gòu)。閉環(huán)控制算法需要測(cè)量三相電機(jī)電流和轉(zhuǎn)子位置。這種控制涉及高側(cè)和低側(cè)電流放大器、霍爾效應(yīng)傳感器和能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中準(zhǔn)確工作的 ADC 轉(zhuǎn)換器。

霍爾技術(shù)已經(jīng)在各種應(yīng)用中取代了許多傳統(tǒng)的電流控制技術(shù)，包括液位測(cè)量和電機(jī)控制。霍爾效應(yīng)器件提供了一種可靠且簡(jiǎn)單的方法來監(jiān)控與電機(jī)扭矩成正比的電機(jī)電流。

例如，Maxim Integrated 的MAX9640?是一款霍爾效應(yīng)開關(guān)，可檢測(cè)磁場(chǎng)的方向和幅度。如果磁場(chǎng)超過內(nèi)部閾值，無論磁場(chǎng)的極性如何，它都有一個(gè)輸出。

此外，電流檢測(cè)放大器有助于監(jiān)控電流并提供系統(tǒng)負(fù)載的閉環(huán)反饋。傳感放大器用于過流保護(hù)和電源監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化。一個(gè)例子是 Maxim Integrated 的MAX40056?雙向電流檢測(cè)放大器，具有獲得專利的脈寬調(diào)制 (PWM) 抑制（圖 4）。

圖 4：MAX40056 框圖。（圖片：美信集成）

結(jié)論

工業(yè) 4.0 通常與制造公司通過利用數(shù)字集成實(shí)現(xiàn)工廠和生產(chǎn)線自動(dòng)化來提高生產(chǎn)力和更新運(yùn)營(yíng)模式的機(jī)會(huì)相關(guān)聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)等支持技術(shù)使工程師能夠走得更遠(yuǎn)，創(chuàng)建一個(gè)智能工廠，使用改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制和電源管理解決方案優(yōu)化生產(chǎn)效率。因此獲得了額外的節(jié)省，減少了能源消耗——該行業(yè)最重要的成本項(xiàng)目之一——并在可持續(xù)性方面取得了收益。

審核編輯 黃昊宇