为工业变革打头阵的是高效的半导体技术

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 “工业”带给人的印象曾是稳定和一成不变,实际上,随着工业4.0和中国制造2025号角的吹响,革新和变化已经开始主导工业领域。在德州仪器(TI)公司的眼中,从智能电网到新能源汽车,再到工业机器人和机器视觉,高效、智能、绿色已经是工业的主命题,书写它们的,则是半导体技术的进步。

精准高效的背后是技术的大升级

根据IHS的数据显示,全球工业电机耗电量占了全球用电总量近30%。老旧的电机驱动器已经不能跟上时代的步伐,精度更高、运行更快、系统成本更低、效率更高是电机驱动器的发展方向。

TI近日推出一项创新的三相氮化镓(GaN)逆变器参考设计,可帮助工程师构建200 V,2 kW交流伺服电机驱动器和下一代工业机器人。这款参考设计的亮点就在于,其采用了GaN技术,是TI基于去年发布的GaN工艺所做的第一个方案。

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TI华东区销售和应用总经理吕昱昭总结了这款方案的三大优点:1 因为开关频率高,能够最大限度优化电源设计方案;2 提高控制精度,特别是在高速运转时;3 凭借GaN工艺,设计师能够优化开关性能,减少电机功率损耗,缩小散热器的体积,从而节省占板空间。

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GaN是第三代半导体材料的佼佼者,TI在此领域已经提前布局,去年发布的LMG3410芯片,就是600V、12A GaN电源模块。配合集成式FET和栅极驱动器和保护,整个方案可以实现200V电机控制的高效率:在24kHz PWM下实现99%的效率。

伺服电机的驱动需要高精度,控制方面更是如此。工厂生产效率的提升驱使着伺服驱动器提升响应时间和控制精度,进而要求其具有快速的电路环路。为此,TI推出了DesignDRIVE快速电流环路(Fast Current Loop)软件,可以发挥C2000微控制器的最大效能,将其的电流环路性能降低到1μS以内。“C2000之所以在行业里著名,最重要的就是因为它的实时控制性能,包括高效率的CPU及其协处理器,高精度的PWM,以及高性能的ADC设计,使它以更高的控制带宽成为行业内的翘楚”,吕昱昭认为这款软件可以将C2000为核心的驱动系统的转矩响应提高两倍,将最高速度提升一倍,且不会因提高驱动器载波频率而增加成本。

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伺服系统乃至整个工业设备,最需要的还是稳定供电,参考设计TIDA-00951的目标就是与此。这是用于48~400V不间断电源(UPS)和能量存储系统的2kW隔离双向DC/DC转换器参考设计。吕昱昭介绍了该设计的三个优点:一是将原来的两套系统合而为一,大幅降低了整体成本,二是可以达到94%以上的效率,三则是采用了TI在业内领先的运放和隔离器器件,如INA240,AMC1301等,提供了高性能的方案。

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伺服驱动控制只是工业系统的一个方面,但是从侧面反映了半导体技术在工业领域的融合程度更加深化。新一代半导体材料、智能化的软硬件结合方案,都是新工业革命的必要条件。

对工业市场的信心

这里介绍的参考设计只是2000多种TI Designs中很小的一部分。整个TI Designs是TI在十万多种产品的基础上,依靠各应用领域的顶尖系统专家,根据具体应用为客户打造的解决方案。

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这背后体现了TI对工业市场,特别是中国的工业市场的信心。“正是因为拥有全面的产品体系和系统团队提供的广泛的解决方案,TI能够支撑更广泛的工业领域的应用发展” ,吕昱昭说。

作为同时拥有模拟和数字芯片的半导体公司,TI深耕工业市场多年,拥有技术和制造的独特方法,最广泛的产品组合,市场渠道覆盖面和具有广泛应用知识的顶尖系统专家是其巨大优势。

吕昱昭认为,像电网升级、充电桩、可再生能源、工业机器人和机器视觉等,都是重要的技术发展方向,会给TI更多的机会,也会充分发挥TI的优势,让其产品和解决方案覆盖这些应用。

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中国的工业自动化程度同先进国家还有差距,但在有些方面,中国的发展速度已经领先了。“比如在电力保护和输配电市场,中国客户对ADC/DAC的要求越来越高,从原来的少路数到多路数,从低精度到高精度;还有工业市场的产品周期也越来越短,某些工业领域的设计周期只有3-4个季度”,吕昱昭认为这就是中国的客户需求开始影响市场发展。

吕昱昭表示:站在TI的角度,没有高低的差别,只有需求的具体差异。最重要是能解决客户的系统问题。“TI在工业市场关注的是系统的创新”,他表示。

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