本文回顧了智能工廠的電子元件所面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些電源管理電子設(shè)備如何拯救的示例。

在智能工廠中添加智能的互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備需要在工廠車間的每個(gè)控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器中增加處理器和連接接口。這些組件必須小巧、節(jié)能且高度可靠，以保持在狹小的空間和熱限制內(nèi)，同時(shí)減少停機(jī)時(shí)間。本文回顧了智能工廠的電子元件所面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些電源管理電子設(shè)備如何拯救的示例。

工業(yè) 4.0 是當(dāng)前制造技術(shù)中智能自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換的趨勢(shì)，繼續(xù)有增無(wú)減，助長(zhǎng)了“智能工廠”的愿景。智能工廠依靠電子設(shè)備實(shí)時(shí)收集、合成和處理數(shù)據(jù)。制造的新技術(shù)和方法，也被稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT），有可能提高效率，進(jìn)而提高盈利能力。IIoT 技術(shù)的采用帶來(lái)了能源效率、解決方案規(guī)模、系統(tǒng)安全性和可靠性方面的問題。本文回顧了工業(yè) 4.0 革命背后的大趨勢(shì)，以及當(dāng)今智能工廠在電源管理、安全性和可靠性方面面臨的相關(guān)挑戰(zhàn)，并討論了滿足這些趨勢(shì)的解決方案。

大趨勢(shì)

智能工廠的一個(gè)重要元素是將分時(shí)信息技術(shù) （IT） 系統(tǒng)（用于以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算）與監(jiān)控事件、流程和設(shè)備的實(shí)時(shí)操作技術(shù) （OT） 系統(tǒng)相集成。這種能力由部署在工廠中的大量傳感器提供，這些傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到 I/O 模塊、執(zhí)行器、控制器，并最終連接到企業(yè)云。制造設(shè)備和傳感器的聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)線重新配置、減少延遲、提高質(zhì)量控制、先進(jìn)的可持續(xù)和綠色實(shí)踐、供應(yīng)鏈可追溯性和整體效率。

工廠運(yùn)營(yíng)商的回報(bào)是提高利用率和吞吐量、減少停機(jī)時(shí)間、對(duì)即將發(fā)生的設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)、更高的標(biāo)準(zhǔn)化、靈活和自適應(yīng)的制造以及集成安全性。這方面的例子包括 GE 的 Predix 工業(yè)平臺(tái)和西門子的 Mindsphere 操作系統(tǒng)。運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)將需求與生產(chǎn)聯(lián)系起來(lái)、優(yōu)化庫(kù)存管理、維護(hù)和提高可見性而受益。

系統(tǒng)和電子設(shè)備的尺寸減小使得高度模塊化的生產(chǎn)線得以發(fā)展?？紤]多個(gè)聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人在裝配線上執(zhí)行任務(wù)。通過(guò)讓相似的機(jī)器人按順序執(zhí)行功能，故障機(jī)器人的任務(wù)可以很容易地被相鄰的機(jī)器人接管。同樣，增加智能可以幫助優(yōu)化每個(gè)機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)并提高吞吐量。

人工智能或人工智能是計(jì)算機(jī)執(zhí)行通常需要人類智能的復(fù)雜任務(wù)的能力。與工廠自動(dòng)化設(shè)備配合使用，是智能工廠的又一重要元素。通過(guò)軟件和機(jī)器學(xué)習(xí)的機(jī)器人流程自動(dòng)化（例如，IBM 的 Node-RED、Preferred Networks、西門子的 Mindsphere 和 GE 的 Brilliant Manufacturing Suite），可以實(shí)時(shí)識(shí)別和糾正瓶頸。

智能工廠的另一個(gè)重要元素是使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 或計(jì)算機(jī)生成的用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的看法。AR 提供了有助于提高安全性、組裝和維護(hù)的復(fù)合視圖。示例包括 ESI IC.IDO、Oculus Rift、HTC Vive、DAQRI 智能頭盔、Microsoft Hololens 和 Google Glass。

技術(shù)推動(dòng)者

所有這些額外的智能、網(wǎng)絡(luò)和控制都得益于傳感、連接、處理和云計(jì)算方面的顯著進(jìn)步。在工廠車間，它通過(guò)控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器表現(xiàn)出來(lái)?？刂破骺梢允强?a target="_blank">編程邏輯控制器 （PLC）、電機(jī)/運(yùn)動(dòng)控制器或使用高級(jí)處理器和微控制器的分布式控制系統(tǒng) （DCS）。傳感器可以是數(shù)字的或模擬的，用于接近、視覺、重量或溫度。執(zhí)行器可以是機(jī)器人、閥門、電機(jī)、計(jì)算機(jī)數(shù)控 （CNC）、接觸器和其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)。輸入和輸出 （I/O） 可以是數(shù)字或模擬，甚至是通用 I/O，將傳感器和執(zhí)行器連接到控制器。

圖 3 顯示了監(jiān)控和控制單個(gè)制造過(guò)程的 PLC 或工業(yè)計(jì)算機(jī)。它包括處理器、I/O 模塊、內(nèi)存/編程和電源。PLC 和其他控制系統(tǒng)由 SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）等軟件包進(jìn)行編排，監(jiān)控和控制多個(gè)接口和外圍設(shè)備。

【圖3 | PLC系統(tǒng)］

PLC 從工廠車間的傳感器接收輸入，在本地對(duì)其進(jìn)行處理并驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?shù)膱?zhí)行器。今天的傳感器、I/O 和執(zhí)行器配備了內(nèi)部處理器，可以在本地做出簡(jiǎn)單的決策，而無(wú)需升級(jí)到控制器，從而提高吞吐量。除非需要考慮多個(gè)設(shè)備，否則甚至不涉及 PLC。通過(guò)將所有設(shè)備生成的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)到云端，可以利用人工智能的進(jìn)步實(shí)時(shí)運(yùn)行分析以確定要采取的行動(dòng)。

挑戰(zhàn)

在智能工廠中部署智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要將處理器和連接接口擴(kuò)散到工廠車間的每個(gè)控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器中。這反過(guò)來(lái)又對(duì)系統(tǒng)硬件提出了新的要求：減小組件尺寸以在同一機(jī)箱中安裝更多電子設(shè)備，提高能效以在相同或更低的熱預(yù)算內(nèi)執(zhí)行，并提高電氣/機(jī)械安全性和可靠性以減少停機(jī)時(shí)間?？傊?，電子元件面臨的挑戰(zhàn)是：

更高的能源效率

減小解決方案尺寸

提高安全性和可靠性

在以下部分中，我們將展示一些示例，說(shuō)明電源管理電子設(shè)備如何在每種情況下進(jìn)行救援。

解決方案

更高的能源效率

小型化導(dǎo)致的較小 PCB 尺寸對(duì)散熱提出了挑戰(zhàn)。由于電路板空間非常寶貴，因此排除了熱管理選項(xiàng)，例如散熱器。由于密封外殼可防止灰塵和污染物進(jìn)入，因此無(wú)法使用強(qiáng)制氣流風(fēng)扇。因此，電源解決方案必須非常高效，同時(shí)提供比以往更高的功率和更小的面積，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

工業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)是 24V 標(biāo)稱直流電壓總線，該總線在老式模擬繼電器中有其歷史，并且仍然是事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，對(duì)于非關(guān)鍵設(shè)備，工業(yè)應(yīng)用的最大工作電壓預(yù)計(jì)為 36V 至 40V，而控制器、執(zhí)行器和安全模塊等關(guān)鍵設(shè)備必須支持 60V（IEC 61131-2、60664-1 和61508 SIL 標(biāo)準(zhǔn)）。流行的輸出電壓為 3.3V 和 5V，電流從小型傳感器中的 10mA 到運(yùn)動(dòng)控制、CNC 和 PLC 應(yīng)用中的數(shù)十安培不等。因此，工業(yè)控制應(yīng)用的明顯選擇是降壓（降壓）穩(wěn)壓器（圖 4）。

【圖4 | 全集成同步降壓轉(zhuǎn)換器］

為高性能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效率的降壓轉(zhuǎn)換器示例包括 MAX17503 和 MAX17506（來(lái)自 Himalaya IC 系列），以及 MAX17504 電源模塊（來(lái)自 Himalaya SiP 模塊系列）。

減小解決方案尺寸

傳感器能位于工廠車間的任何位置。

傳感器通常由 24V 直流電源供電。然而，工廠車間可能是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，電纜很長(zhǎng)，電磁干擾很強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致高壓瞬變。因此，傳感器內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器必須承受 42V 或 60V 的電壓瞬變，這遠(yuǎn)高于傳感器的工作電壓。如前所述，對(duì)于 24V 電源軌，最好使用最大工作電壓為 42V 的設(shè)備。根據(jù) SELV/PELV/FELV（安全/保護(hù)/功能性超低電壓）法規(guī)，處理高達(dá) 60V 的隔離設(shè)備被認(rèn)為是可以安全觸摸的。通過(guò)添加專用 TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）器件可提供 60V 以上的保護(hù)。

滿足工業(yè)傳感器要求的電源解決方案包括 MAX15062 和 MAX15462 低功耗、高度集成的 Himalaya 降壓轉(zhuǎn)換器 IC，以及完全集成的 Himalaya uSLIC 電源模塊 MAXM17532 和 MAXM15462。

提高安全性和可靠性：隔離

盡管低于 60V 的輸入電壓被認(rèn)為本質(zhì)上是觸摸安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范圍內(nèi)進(jìn)行隔離的需求仍然普遍存在。在此電壓范圍內(nèi)，電源電子負(fù)載（通常是非常精密且昂貴的微控制器）需要保護(hù)。如果意外暴露在高壓下，它很容易自毀。

隔離（圖 6）可防止在兩個(gè)或多個(gè)電路共享公共返回路徑時(shí)發(fā)生接地環(huán)路。接地回路會(huì)產(chǎn)生寄生電流，這些電流會(huì)破壞輸出電壓調(diào)節(jié)并導(dǎo)致導(dǎo)電跡線發(fā)生電偶腐蝕。這是降低設(shè)備可靠性的現(xiàn)象。因此，隔離電源通常用于工業(yè)、消費(fèi)和電信應(yīng)用中，這些應(yīng)用涉及保護(hù)敏感負(fù)載和設(shè)備的長(zhǎng)期可靠性。

【圖6 | MAX17690 Rainer隔離無(wú)光反激控制器］

Rainier 隔離系列是用于增強(qiáng)安全性和可靠性的無(wú)光隔離反激式轉(zhuǎn)換器 IC 的示例。

提高安全性和可靠性：保護(hù)

保護(hù)電路是當(dāng)今電子產(chǎn)品的無(wú)名英雄。無(wú)論是何種應(yīng)用，從交流線路到數(shù)字負(fù)載的長(zhǎng)電氣鏈都散布著各種尺寸和形狀的保險(xiǎn)絲和瞬態(tài)電壓抑制器。雖然 ESD 保護(hù)和引腳對(duì)引腳短路等常見問題在 IC 內(nèi)處理，但安全性和可靠性還需要考慮其他方面。沿著電氣路徑，電氣壓力源（例如存儲(chǔ)電容器引起的浪涌電流、斷電引起的反向電流、過(guò)電壓以及感應(yīng)負(fù)載開關(guān)或閃電引起的欠電壓）可能會(huì)損壞寶貴的電子負(fù)載。對(duì)于采用脆弱的亞微米低電壓技術(shù)構(gòu)建的微處理器和存儲(chǔ)器而言，情況確實(shí)如此。處理這些潛在的災(zāi)難性事件需要多層保護(hù)

保護(hù)電子設(shè)備必須在其電壓和電流額定值的范圍內(nèi)處理過(guò)壓/欠壓、過(guò)流和反向電流等故障情況。如果預(yù)期的電壓浪涌超過(guò)保護(hù)電子設(shè)備的額定值，則會(huì)以濾波器和瞬態(tài)電壓抑制 （TVS） 設(shè)備的形式添加額外的保護(hù)層。

電弧故障保護(hù)器和 TVS 二極管可防止雷電浪涌和災(zāi)難性高壓事件。但是，當(dāng)您進(jìn)入主輸入總線（上例中的 48V 或工業(yè)應(yīng)用中的典型 24V）時(shí)，仍然需要保護(hù)。熱插拔會(huì)導(dǎo)致電源在振鈴時(shí)反彈，由于電纜電感過(guò)長(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致電壓浪涌。

Olympus 保護(hù)系列中的兩款高度集成保護(hù) IC MAX17608 和 MAX17525 是該應(yīng)用的候選產(chǎn)品。

電源管理解決方案

這些電源管理解決方案克服了當(dāng)今智能工廠面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

概括

由于當(dāng)前制造技術(shù)（也稱為智能工廠或工業(yè) 4.0）的自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換趨勢(shì)有增無(wú)減，它將依靠新技術(shù)和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的制造效率。這些技術(shù)的采用帶來(lái)了能源效率、小型化和系統(tǒng)可靠性方面的挑戰(zhàn)。對(duì)于所討論的每個(gè)挑戰(zhàn)，我們都展示了一些電源管理 IC，以幫助設(shè)計(jì)人員有效地實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0。這些電源管理解決方案克服了當(dāng)今智能工廠面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷