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)連接設備需要在工廠車間的每個控制器、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)，同時減少停機時間。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備如何拯救的示例。

工業(yè) 4.0 是當前制造技術(shù)中智能自動化和數(shù)據(jù)交換的趨勢，繼續(xù)有增無減，助長了“智能工廠”的愿景。智能工廠依靠電子設備實時收集、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，進而提高盈利能力。IIoT 技術(shù)的采用帶來了能源效率、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，以及當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的解決方案。

大趨勢

智能工廠的一個重要元素是將分時信息技術(shù) （IT） 系統(tǒng)（用于以數(shù)據(jù)為中心的計算）與監(jiān)控事件、流程和設備的實時操作技術(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，這些傳感器通過網(wǎng)絡連接到 I/O 模塊、執(zhí)行器、控制器，并最終連接到企業(yè)云。制造設備和傳感器的聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)實時生產(chǎn)線重新配置、減少延遲、提高質(zhì)量控制、先進的可持續(xù)和綠色實踐、供應鏈可追溯性和整體效率。

工廠運營商的回報是提高利用率和吞吐量、減少停機時間、對即將發(fā)生的設備故障進行預測性維護、更高的標準化、靈活和自適應的制造以及集成安全性。這方面的例子包括 GE 的 Predix 工業(yè)平臺和西門子的 Mindsphere 操作系統(tǒng)。運營商可以通過將需求與生產(chǎn)聯(lián)系起來、優(yōu)化庫存管理、維護和提高可見性而受益。

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

人工智能或人工智能是計算機執(zhí)行通常需要人類智能的復雜任務的能力。與工廠自動化設備配合使用，是智能工廠的又一重要元素。通過軟件和機器學習的機器人流程自動化（例如，IBM 的 Node-RED、Preferred Networks、西門子的 Mindsphere 和 GE 的 Brilliant Manufacturing Suite），可以實時識別和糾正瓶頸。

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

技術(shù)推動者

所有這些額外的智能、網(wǎng)絡和控制都得益于傳感、連接、處理和云計算方面的顯著進步。在工廠車間，它通過控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器表現(xiàn)出來。控制器可以是可編程邏輯控制器 （PLC）、電機/運動控制器或使用高級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)行器可以是機器人、閥門、電機、計算機數(shù)控 （CNC）、接觸器和其他移動機構(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)控和控制單個制造過程的 PLC 或工業(yè)計算機。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）等軟件包進行編排，監(jiān)控和控制多個接口和外圍設備。

【圖3 | PLC系統(tǒng)］

PLC 從工廠車間的傳感器接收輸入，在本地對其進行處理并驅(qū)動適當?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，可以在本地做出簡單的決策，而無需升級到控制器，從而提高吞吐量。除非需要考慮多個設備，否則甚至不涉及 PLC。通過將所有設備生成的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)到云端，可以利用人工智能的進步實時運行分析以確定要采取的行動。

挑戰(zhàn)

在智能工廠中部署智能聯(lián)網(wǎng)設備需要將處理器和連接接口擴散到工廠車間的每個控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器中。這反過來又對系統(tǒng)硬件提出了新的要求：減小組件尺寸以在同一機箱中安裝更多電子設備，提高能效以在相同或更低的熱預算內(nèi)執(zhí)行，并提高電氣/機械安全性和可靠性以減少停機時間?？傊娮釉媾R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，說明電源管理電子設備如何在每種情況下進行救援。

解決方案

更高的能源效率

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

工業(yè)應用的特點是 24V 標稱直流電壓總線，該總線在老式模擬繼電器中有其歷史，并且仍然是事實上的行業(yè)標準。然而，對于非關(guān)鍵設備，工業(yè)應用的最大工作電壓預計為 36V 至 40V，而控制器、執(zhí)行器和安全模塊等關(guān)鍵設備必須支持 60V（IEC 61131-2、60664-1 和61508 SIL 標準）。流行的輸出電壓為 3.3V 和 5V，電流從小型傳感器中的 10mA 到運動控制、CNC 和 PLC 應用中的數(shù)十安培不等。因此，工業(yè)控制應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)實現(xiàn)高效率的降壓轉(zhuǎn)換器示例包括 MAX17503 和 MAX17506（來自 Himalaya IC 系列），以及 MAX17504 電源模塊（來自 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非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，電纜很長，電磁干擾很強，會導致高壓瞬變。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，這遠高于傳感器的工作電壓。如前所述，對于 24V 電源軌，最好使用最大工作電壓為 42V 的設備。根據(jù) SELV/PELV/FELV（安全/保護/功能性超低電壓）法規(guī)，處理高達 60V 的隔離設備被認為是可以安全觸摸的。通過添加專用 TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）器件可提供 60V 以上的保護。

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)，電源電子負載（通常是非常精密且昂貴的微控制器）需要保護。如果意外暴露在高壓下，它很容易自毀。

隔離（圖 6）可防止在兩個或多個電路共享公共返回路徑時發(fā)生接地環(huán)路。接地回路會產(chǎn)生寄生電流，這些電流會破壞輸出電壓調(diào)節(jié)并導致導電跡線發(fā)生電偶腐蝕。這是降低設備可靠性的現(xiàn)象。因此，隔離電源通常用于工業(yè)、消費和電信應用中，這些應用涉及保護敏感負載和設備的長期可靠性。

【圖6 | MAX17690 Rainer隔離無光反激控制器］

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

提高安全性和可靠性：保護

保護電路是當今電子產(chǎn)品的無名英雄。無論是何種應用，從交流線路到數(shù)字負載的長電氣鏈都散布著各種尺寸和形狀的保險絲和瞬態(tài)電壓抑制器。雖然 ESD 保護和引腳對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（例如存儲電容器引起的浪涌電流、斷電引起的反向電流、過電壓以及感應負載開關(guān)或閃電引起的欠電壓）可能會損壞寶貴的電子負載。對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器而言，情況確實如此。處理這些潛在的災難性事件需要多層保護

保護電子設備必須在其電壓和電流額定值的范圍內(nèi)處理過壓/欠壓、過流和反向電流等故障情況。如果預期的電壓浪涌超過保護電子設備的額定值，則會以濾波器和瞬態(tài)電壓抑制 （TVS） 設備的形式添加額外的保護層。

電弧故障保護器和 TVS 二極管可防止雷電浪涌和災難性高壓事件。但是，當您進入主輸入總線（上例中的 48V 或工業(yè)應用中的典型 24V）時，仍然需要保護。熱插拔會導致電源在振鈴時反彈，由于電纜電感過長，還會導致電壓浪涌。

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

電源管理解決方案

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

概括

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

審核編輯：郭婷