安森美的照明、传感器和通信方案如何应用于自主移动机器人

发布时间：2023-10-19 10:30
作者：AMEYA360
来源：网络
阅读量：1079

　　照明、传感器和通信技术是实现自主移动机器人 (AMR) 的关键支持技术，用于确保机器人能够看见、感知现实世界并与现实世界交互。本文介绍了设计子组件的基本注意事项，并介绍了安森美 (onsemi)提供的适用于各应用的方案。

安森美的照明、传感器和通信方案如何应用于自主移动机器人

　　感知环境

　　AMR 需要能够监测环境并与环境进行交互，这就要用到不同类型的传感器，包括温度传感器、图像传感器、LiDAR（用于 3D 映射）、旋转位置和可见光通信 (VLC) 传感器。

　　图像传感器和图像信号处理器赋予 AMR 视觉感知功能，使其能够穿行于所在环境，检测和识别物体。对于该应用，安森美提供了全局快门和卷帘快门图像传感器方案。AR0234CS 图像传感器采用创新的全局快门像素设计，优化了每秒 120 帧、全分辨率下捕捉移动场景的精度和速度。该传感器在低光照和明亮的场景中都能生成清晰的低噪声图像。

　　位置传感器测量 AMR 轮子和其他活动部件的旋转情况，使其能够准确跟踪三维位置和方向。安森美 NCS32100 是一款工业用旋转位置传感器，兼具高精度与高速度优势。它采用 38mm 传感器，可在 6,000 RPM 时提供 +/-50 角秒的精度。对于低精度应用，它支持高达 100,000 RPM 的转速。这款全新器件采用专利方法来实现电感位置感知，非常适用于工业和机器人应用。

　　超声波和红外传感器可以测量与远程物体之间的距离，使 AMR 能够检测障碍物并避免碰撞。

　　智能照明技术

　　发光二极管 (LED) 等照明技术使 AMR 能够穿行于条件恶劣的环境，并能够在这样的环境中开展通信和工作。LED 也可以用于发送信号以及指示机器人的状态或方向。选择 AMR 照明技术时需要考虑的性能特征和参数包括亮度、色温和功耗。LED 控制器和驱动器组件负责监控 LED 内的电流，并使其发出特定强度和波长的光线。LED 驱动电路使用高边和低边功率 MOSFET 开关 LED 电流，并保护它们免受过压和过流条件的影响，确保 LED 驱动电路的稳定性。安森美 NCV7685 LED 线性电流驱动器和 NCL31000 智能 LED 驱动器非常适合 AMR 照明应用。NVC7685 具有 12 个线性可编程恒流源，使用相同的基准电压，支持 128 个不同的可调 PWM 占空比级别。NCL31000 含一个支持高带宽模拟和 PWM 调光（降至零电流）的高效 3 安培降压 LED 驱动器、两个辅助 DC-DC 转换器和监测输入/输出电流及电压、LED 温度、 DC-DC 电压的诊断功能。

　　NCL31000 支持 VLC，使用可见光作为载体单向传输数据，速率高达 10kb/s。VLC 让 AMR 可以与其他设备和人类进行安全通信。由于可见光光谱范围为 430 THz 至 790 THz，因此 VLC 不会影响附近的无线技术，如蓝牙? 低功耗（蓝牙 LE）、Zigbee、超宽带 (UWB) 和 Wi-Fi。VLC 非常安全，因为它本身受制于视线范围。AMR 的仓库导航应用受益于 UWB、蓝牙 LE (AoA/AoD) 和 Wi-Fi 室内定位系统 (IPS)。但是，有时射频 (RF) 拥塞或干扰可能会影响 IPS。为了减轻这种影响，可以使用 VLC 来补充现有的 RF IPS。我们可以将 VLC 安装到天花板灯具网格中，其中的每个天花板灯具都会发射唯一的 ID 号。如果 AMR 内置布局数据库，包含每个灯具的位置和唯一 ID，则 AMR 可以借助朝向天花板的简单光电二极管进行自我导航。

安森美的照明、传感器和通信方案如何应用于自主移动机器人

　　与现实世界的通信

　　通信技术使 AMR 能够向其他设备和系统传输数据并从中接收命令。为 AMR 选择通信技术时，需要考虑的参数包括工作范围、数据速率、功耗和安全性。工作范围必须足够长，从而便于以可接受的速度与周围环境中的其他设备和系统进行通信。收发器的功耗必须尽可能低，以延长电池寿命，同时安全性也非常重要，以防止 AMR 的数据和命令遭到破坏。

　　蓝牙 LE 无线通信技术专为低功耗设计，因此非常适合电池供电设备。该协议支持一系列数据传输速率，用于在 AMR 和其他设备之间传输传感器数据和控制信号。蓝牙 LE 也可以用于室内定位系统，从而支持 AMR 穿行于动态环境。安森美 RSL15 是通过蓝牙 5.2 认证的收发器，提供易于实施的蓝牙 LE 无线应用，支持到达角 (AOA) 和出发角 (AOD) 关键功能，以实现正确的室内定位。高度集成的无线系统单芯片 (SoC) 优化了系统尺寸和电池寿命。它采用 ARM Cortex-M33 处理器和 2.4 GHz 收发器，支持蓝牙 LE 5.2 和 2.4 GHz 自定义协议。

　　工业以太网通信协议提供高速通信功能，用于实时控制和协调多个 AMR。安森美NCN26010 10BASE-T1S 工业以太网收发器，可利用现有的双绞线布线实现工业应用的多分支以太网通信。该器件符合 IEEE 802.3cg 标准，包括媒体访问控制器 (MAC)、PLCA 协调子层 (RS) 和专为工业多分支以太网设计的 10BASE-T1S PHY。它可提供通过单一的非屏蔽双绞线传输和接收数据的所有物理层功能，并可通过 Open Alliance 的 MACPHY SPI 协议与主机 MCU 通信。

　　AMR 组件选择指南

　　AMR 的宗旨是与现实世界积极互动，安森美支持设计人员选用适合其应用需求的照明、感知和连接方案以实现这一目标。如需深入了解 AMR 领域的电源和电机控制方案，请阅读我们的第一篇博客“安森美的电源和电机控制方案如何应用于自主移动机器人”


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　　今日，安森美 (onsemi) 推出采用 F5BP 封装的最新一代硅和碳化硅混合功率集成模块 (PIM)，非常适合用于提高大型太阳能组串式逆变器或储能系统 (ESS) 的功率。与前几代产品相比，这些模块在相同尺寸下提供了更高的功率密度和效率，将太阳能逆变器的总系统功率从 300 kW提高到 350 kW。这意味着，使用最新一代模块的装机容量为一千兆瓦的大型太阳能发电场，每小时可实现近两兆瓦的节能效果，相当于每年为超过 700 户家庭供电。此外，要达到与上一代产品相同的功率，所需的模块数量更少，可将功率器件的元器件成本降低 25% 以上。　　由于太阳能发电的平准化能源成本 (LCOE) 最低，太阳能正日益成为全球可再生能源发电的首选。为了弥补太阳能发电的不稳定性，公用事业运营商也在增设大型电池储能系统 (BESS) ，以确保电网的稳定供能。为了支持这种系统组合，制造商和公用事业公司需要能够提供最高效率和可靠电力转换的解决方案。每提高 0.1% 的效率，对于每千兆瓦装机容量，每年可节省 25 万美元的运营成本。　　“作为一种依赖阳光的波动性能源，我们需要不断提高系统效率和可靠性，并采用先进储能解决方案，以确保全球电网在电力需求高峰期和非高峰期的稳定性和可靠性。”安森美电源方案事业群工业电源部副总裁 Sravan Vanaparthy 表示，“更高效的基础设施会促进采用，并确保随着更多太阳能发电设施的建成，减少能源浪费，推动我们在摆脱化石燃料的道路上不断前进。”　　F5BP-PIM集成了1050V FS7 IGBT和1200V D3 EliteSiC二极管，实现高电压和大电流转换的同时降低功耗并提高可靠性。FS7 IGBT 关断损耗低，可将开关损耗降低达 8%，而EliteSiC二极管则提供了卓越的开关性能，与前几代产品相比，导通压降 (VF) 降低了15%。　　这些PIM包含了一种创新的I型中点箝位 (INPC) 拓扑结构的逆变器模块和飞跨电容拓扑结构的升压模块。这些模块还使用了优化的电气布局和先进的直接铜键合 (DBC) 基板，以降低杂散电感和热阻。此外，铜基板进一步将结到散热片的热阻降低了9.3%，确保模块在重载下保持冷却。这种热管理对于保持模块的效率和使用寿命至关重要，使其在需要可靠和持续供电的苛刻应用中非常有效。
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安森美：OBC设计不断升级，揭秘如何适应更高功率等级和电压
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安森美：OBC设计不断升级，揭秘如何适应更高功率等级和电压

　　消费者需求不断攀升，电动汽车(EV)必须延长续航里程，方可与传统的内燃机(ICE)汽车相媲美。解决这个问题主要有两种方法：在不显著增加电池尺寸或重量的情况下提升电池容量，或提高主驱逆变器等关键高功率器件的运行能效。为应对电子元件导通损耗和开关损耗造成的巨大功率损耗，汽车制造商正在通过提高电池电压来增加车辆的续航里程。　　由此，800 V 电池架构越来越普及，并可能最终取代目前的400 V 技术。然而，电池容量越大，所需的充电时间就越长，这正是车主的另一个顾虑，意味着若在抵达目的地前需中途充电，将要等待很长时间。　　因此，就像需要提高电池电压一样，汽车整车厂商也必须跟上电动汽车车载充电器(OBC)的发展步伐，而首先要考虑的是必须支持800 V 电池架构和处理更高的电压。为此，现行的标准650 V 额定芯片元件需过渡到额定电压最高达1200 V 的芯片元件。此外，为加快电池充电速率，对更高额定功率OBC的需求也在日益增长。　　消费者迫切需要更出色的性能　　OBC能够将交流电转换为直流电，因而可以让汽车利用电网等交流电源进行充电。充电站的输出峰值会明显限制充电速度，同样的，OBC的峰值功率处理能力也是充电速度的一大影响因素。　　在目前的充电基础设施中，充电桩分为三个等级：　　1 级的最大功率为 3.6 kW　　2 级的功率为 3.6 kW 到大约 22 kW ，与 OBC 的最大容量相当　　3 级提供直流电，无需使用 OBC，功率为 50 kW 到 350+ kW　　尽管速度较快的3级直流充电站已投入使用，但其在全球范围内分布有限，因此OBC仍然不可或缺。此外，许多企业正尽可能提高现有2级充电基础设施的性能并促进更高电压电池技术的采用，市场对更高能效OBC的需求预计仍将持续增长。　　表1：OBC的不同功率等级及其对80 kWh 电池充电时间的影响　　表1列举了常见的OBC功率等级及大致充电时间。为加快充电速度、满足消费者需求，行业已开始转向更强大的三相OBC。然而，电动汽车的实际充电时间取决于多个因素。　　首先我们需要明确一点，充电并不是一个线性过程。当电池接近满容量(通常超过80%)时，充电速度会减慢，以保护电池健康。简单来说，电池电量越满，接受电能的速度就越慢。电动汽车通常不是满电状态，许多电动汽车制造商通常也不建议频繁待电量耗至0%再充满至100%，而是只需充一部分(例如最高充到80%)，这样可显著缩短充电时间。此外，电气化趋势正逐渐延伸到公共汽车、货车、重型车辆和农业用车等各种车辆类型甚至是船舶，OBC还将继续发展，目标是实现22 kW 以上更高功率等级。　　汽车整车厂商可以通过构建更强大的OBC来提高2级充电站的充电速度，但这需要利用经济高效且性能可靠的电子元件，来实现更高的电压(800 V，而非400 V)和更高的功率等级。　　更高性能OBC的关键设计考虑因素　　对于更高性能的OBC，除了额定功率和电池电压之外，还有许多因素需要考虑。其中包括散热管理、封装限制、器件成本、电磁兼容性(EMC)以及对双向充电的潜在需求。　　谈到散热管理，很容易想到增加OBC的尺寸和重量。然而，这种简单的方案并不理想，因为电动汽车的空间有限，难以容纳过于庞大OBC，而且重量增加也会导致缩短车辆的续航里程。　　800 V 电池架构可以带来诸多益处，例如减少导通损耗、提高性能、加快充电和电力输送速度等，但也为设计师带来了许多复杂难题：　　器件供应：寻找适合 800 V 安全运转的器件可能会很困难。　　降额以确保可靠性：即使是合格的器件也可能需要降额，也就是以低于最大容量的功率运转，以确保长期可靠性。　　安全问题：更高电压的系统需要强大的绝缘和安全功能。　　测试和验证：验证高电压系统更为复杂，可能需要专门的设备和专业知识。　　为此，需要用到击穿电压更高的元件，对于MOSFET而言尤其如此。事实证明，在需要更快MOSFET开关的更高电压应用(例如OBC)中，改用高性能碳化硅(SiC)元件将大有裨益。开发PCB布局时，考虑电压等级也至关重要，因为可能需要相应地扩大元件间距和PCB走线之间的距离。同样，暴露于更高电压的其他器件(例如连接器、变压器、电容)也需要更高的额定值。　　改进OBC设计，提升性能和功能　　安森美(onsemi)是一家值得信赖的高功率汽车应用功率模块供应商，可以为向800 V 电池系统过渡提供强大支持。安森美先进的EliteSiC 1200 V MOSFET和汽车功率模块(APM)能够实现更高的功率密度，在汽车设计领域一直深受认可。　　图2：EliteSiC 1200V MOSFET 采用TO247-4L封装，提供开尔文源极连接(第3根引线)，可消除栅极驱动环路内共源极寄生电感的影响　　APM32功率模块系列集成安森美先进的1200 V SiC 器件，针对800 V 电池架构进行了优化，更适用于高电压和功率级OBC。APM32系列包括用于功率因数校正(PFC)级的三相桥模块，例如采用1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET(集成温度感测)的NVXK2VR40WDT2。该模块专为11 – 22 kW OBC 终端应用而设计。　　相较于分立方案，APM32模块技术具有多种优势，包括尺寸更小、散热设计更佳、杂散电感更低、内部键合电阻更低、电流能力更强、EMC性能更好、可靠性更高等，从而有助于创建高性能双向OBC(图3)。这不仅能够增强车辆OBC的功能，还能让电动汽车充当移动的电池储能器。　　　图3的OBC功率级示例中包含升压型三相PFC和双向CLLC全桥转换器，用于提供必要的功率和电压处理及先进的双向充电功能。　　在全球各地逐渐转向太阳能和风能等可持续能源之际，电网的电力供应有时可能供不应求。充满电的电动汽车能够作为重要的储能资源，用来支援电网的峰值需求，或者在建筑物主要电源受损的紧急情况下使用。利用安森美APM32等模块，OBC可以实现电动汽车电池的双向能量传输。由此，电池存储的能量可以短暂地为房屋供电，之后还能随时充电。　　可靠的设计和供应　　与一些将封装技术外包的竞争对手不同，安森美的APM系列均在内部设计和制造，因而能够更好地掌控散热优化。此外，安森美为制造商提供了一系列封装和制造选项，包括裸片、分立元件或模块，从而确保有合适的方案支持任何先进的OBC设计。　　结论　　OBC技术正蓬勃发展，不仅能帮助汽车制造商满足消费者对电动汽车的需求，还能有效应对800 V 电池架构等新技术趋势。利用安森美系统方案(例如APM32功率模块)，汽车设计人员可以简化流程并有效满足新需求，从而在大量减少设计工作的同时，确保更高的质量、可靠性和供应链一致性。　　此外，安森美还提供广泛的技术支持、仿真及其他电源方案，其中包含EliteSiC 1200 V M1和M3SMOSFET、EliteSiC 1200V D1和D3二极管，以及电隔离栅极驱动器、CAN收发器和可复位保险丝等配套器件，旨在助力实现全面、高性能的OBC设计。
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