滿足最新機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)的電力需求

很明顯，工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人（cobots）需要高功率密度和出色的散熱特性。隨著各種機(jī)器人系統(tǒng)從集中式架構(gòu)向分散式（分布式）架構(gòu)轉(zhuǎn)變，需要一種非常高效且超緊湊的 IC，允許將電機(jī)驅(qū)動器安裝在機(jī)器人手臂內(nèi)。

使用集成的電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動器和電機(jī)可以作為一個單元存儲，節(jié)省空間。此外，我們無需在機(jī)器人機(jī)柜和機(jī)械手之間鋪設(shè)長而昂貴的電纜，即可將電機(jī)連接到驅(qū)動器。

除了昂貴之外，電纜還需要定期維護(hù)。對于機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行的多軸系統(tǒng)尤其如此。此外，如果我們遇到與電纜相關(guān)的問題，排除故障可能需要一些時間，這可能會導(dǎo)致生產(chǎn)力下降。通過集成驅(qū)動器和電機(jī)，我們可以減少電纜數(shù)量，同時節(jié)省空間。

雖然集成驅(qū)動器和電機(jī)有很多優(yōu)勢，但熱設(shè)計(jì)提出了一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。驅(qū)動器的每個部分都暴露在較高的環(huán)境溫度下并且冷卻有限。結(jié)果，在這些溫度下提供額定功率變得更加困難。這種情況對驅(qū)動器的逆變器施加了嚴(yán)格的功率損耗限制，需要低損耗的高效驅(qū)動器。

兩種類型的驅(qū)動器可以幫助解決這些挑戰(zhàn)。第一種選擇是使用基于傳統(tǒng) IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的逆變器驅(qū)動。但由于二極管的反向恢復(fù)損耗，一般IGBT的損耗較大，不易與電機(jī)集成。開關(guān)損耗意味著散熱器需要更大并且液體需要冷卻，這使得與電機(jī)集成幾乎是不可能的。 

第二個更好的選擇是使用 GaN FET（氮化鎵場效應(yīng)晶體管）。TI 的產(chǎn)品系列由各種具有內(nèi)置柵極驅(qū)動器的 GaN FET 和各種 GaN 功率器件組成，有助于在其整個生命周期內(nèi)提供可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。GaN 晶體管的開關(guān)速度比硅 MOSFET（場效應(yīng)晶體管）快得多，因此減少開關(guān)損耗的機(jī)會更大，因此散熱更少。采用 GaN 晶體管還可以降低散熱器、風(fēng)扇及其組件等組件的系統(tǒng)成本和尺寸。如果空間有限，例如機(jī)器人手臂，這一點(diǎn)尤其重要。

添加 GaN 功率器件也帶來了集成挑戰(zhàn)。但是，我們可以通過選擇將 GaN FET 與內(nèi)部硅柵極驅(qū)動器和保護(hù)相結(jié)合的產(chǎn)品來簡化此任務(wù)。“ LMG3422R030 ”就是一個例子。

LMG342xR030 GaN FET 具有集成驅(qū)動器和保護(hù)功能，可讓設(shè)計(jì)人員在電力電子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高水平的功率密度和效率。

LMG342xR030 集成了一個硅驅(qū)動器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 150V/ns 的開關(guān)速度。與分立式硅柵極驅(qū)動器相比，TI 的集成精密柵極偏置可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān) SOA。這種集成特性與 TI 的低電感封裝技術(shù)相結(jié)合，可在硬開關(guān)電源拓?fù)渲刑峁└蓛舻拈_關(guān)和超小的振鈴?？烧{(diào)柵極驅(qū)動強(qiáng)度允許將壓擺率控制在 20V/ns 至 150V/ns 之間，這可用于主動控制 EMI 并優(yōu)化開關(guān)性能。 LMG3425R030 包含理想二極管模式，該模式通過啟用自適應(yīng)死區(qū)時間控制來降低第三象限損耗。

高級電源管理功能包括數(shù)字溫度報告和故障檢測。GaN FET 的溫度通過可變占空比 PWM 輸出進(jìn)行報告，這可簡化器件加載管理。報告的故障包括過熱、過流和 UVLO 監(jiān)控。

LMG3422R030專為具有高功率密度的工業(yè)機(jī)器人和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)用于EMI（電磁干擾）控制，具有柵極驅(qū)動強(qiáng)度和過熱/過流保護(hù)等功能，并具有故障通知功能。

機(jī)器人控制器還具有數(shù)量靈活的模擬 I/O 模塊，具有隔離的電源和信號路徑。隨著通道數(shù)量的增加和封裝變得更小，現(xiàn)有的隔離式開關(guān)拓?fù)湫枰倪M(jìn)。

即使在反激式穩(wěn)壓器等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，添加同步整流也可以提高效率。

雖然可以實(shí)現(xiàn)超過 90% 的效率，但與傳統(tǒng)的反激式設(shè)計(jì)相比，使用同步整流增加了復(fù)雜性和成本。同步整流通常需要變壓器次級側(cè)的同步整流控制器和初級側(cè)反激控制器的光耦合器反饋。

在這種情況下，像LM25184這樣的反激式轉(zhuǎn)換器可能是解決方案。該產(chǎn)品使用初級側(cè)調(diào)節(jié) (PSR)，不需要光耦合器或輔助變壓器繞組用于反饋應(yīng)用。LM25184 可在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 90% 的效率，并采用增強(qiáng)散熱、超薄、4mm x 4mm 小外形無引線 (SON) 封裝。承受 42V 的最大輸入電壓，有足夠的余量來處理標(biāo)準(zhǔn) 24V 工業(yè)總線上發(fā)生的瞬變。

處理工廠自動化應(yīng)用中的電源問題是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。某些應(yīng)用需要產(chǎn)品要求，例如在繁忙的工廠環(huán)境中正常運(yùn)行、存儲在可用空間中、符合 EMI 要求以及對人和機(jī)器的防護(hù)。