应对智能工厂的电源管理挑战

本文回顾了智能工厂的电子元件所面临的挑战，并提供了一些电源管理电子设备如何拯救的示例。

在智能工厂中添加智能的互联网连接设备需要在工厂车间的每个控制器、传感器、I/O 和执行器中增加处理器和连接接口。这些组件必须小巧、节能且高度可靠，以保持在狭小的空间和热限制内，同时减少停机时间。本文回顾了智能工厂的电子元件所面临的挑战，并提供了一些电源管理电子设备如何拯救的示例。

工业 4.0 是当前制造技术中智能自动化和数据交换的趋势，继续有增无减，助长了“智能工厂”的愿景。智能工厂依靠电子设备实时收集、合成和处理数据。制造的新技术和方法，也被称为工业物联网 （IIoT），有可能提高效率，进而提高盈利能力。IIoT 技术的采用带来了能源效率、解决方案规模、系统安全性和可靠性方面的问题。本文回顾了工业 4.0 革命背后的大趋势，以及当今智能工厂在电源管理、安全性和可靠性方面面临的相关挑战，并讨论了满足这些趋势的解决方案。

大趋势

智能工厂的一个重要元素是将分时信息技术 （IT） 系统（用于以数据为中心的计算）与监控事件、流程和设备的实时 *** 作技术 （OT） 系统相集成。这种能力由部署在工厂中的大量传感器提供，这些传感器通过网络连接到 I/O 模块、执行器、控制器，并最终连接到企业云。制造设备和传感器的联网可实现实时生产线重新配置、减少延迟、提高质量控制、先进的可持续和绿色实践、供应链可追溯性和整体效率。

工厂运营商的回报是提高利用率和吞吐量、减少停机时间、对即将发生的设备故障进行预测性维护、更高的标准化、灵活和自适应的制造以及集成安全性。这方面的例子包括 GE 的 Predix 工业平台和西门子的 Mindsphere *** 作系统。运营商可以通过将需求与生产联系起来、优化库存管理、维护和提高可见性而受益。

系统和电子设备的尺寸减小使得高度模块化的生产线得以发展。考虑多个联网机器人在装配线上执行任务。通过让相似的机器人按顺序执行功能，故障机器人的任务可以很容易地被相邻的机器人接管。同样，增加智能可以帮助优化每个机器人执行的任务并提高吞吐量。

人工智能或人工智能是计算机执行通常需要人类智能的复杂任务的能力。与工厂自动化设备配合使用，是智能工厂的又一重要元素。通过软件和机器学习的机器人流程自动化（例如，IBM 的 Node-RED、Preferred Networks、西门子的 Mindsphere 和 GE 的 Brilliant Manufacturing Suite），可以实时识别和纠正瓶颈。

智能工厂的另一个重要元素是使用增强现实 （AR） 或计算机生成的用户对现实世界的看法。AR 提供了有助于提高安全性、组装和维护的复合视图。示例包括 ESI IC.IDO、Oculus Rift、HTC Vive、DAQRI 智能头盔、Microsoft Hololens 和 Google Glass。

技术推动者

所有这些额外的智能、网络和控制都得益于传感、连接、处理和云计算方面的显着进步。在工厂车间，它通过控制器、传感器、I/O 和执行器表现出来。控制器可以是可编程逻辑控制器 （PLC）、电机/运动控制器或使用高级处理器和微控制器的分布式控制系统 （DCS）。传感器可以是数字的或模拟的，用于接近、视觉、重量或温度。执行器可以是机器人、阀门、电机、计算机数控 （CNC）、接触器和其他移动机构。输入和输出 （I/O） 可以是数字或模拟，甚至是通用 I/O，将传感器和执行器连接到控制器。

图 3 显示了监控和控制单个制造过程的 PLC 或工业计算机。它包括处理器、I/O 模块、内存/编程和电源。PLC 和其他控制系统由 SCADA（监控和数据采集）等软件包进行编排，监控和控制多个接口和外围设备。

【图3 | PLC系统］

PLC 从工厂车间的传感器接收输入，在本地对其进行处理并驱动适当的执行器。今天的传感器、I/O 和执行器配备了内部处理器，可以在本地做出简单的决策，而无需升级到控制器，从而提高吞吐量。除非需要考虑多个设备，否则甚至不涉及 PLC。通过将所有设备生成的数据联网到云端，可以利用人工智能的进步实时运行分析以确定要采取的行动。

挑战

在智能工厂中部署智能联网设备需要将处理器和连接接口扩散到工厂车间的每个控制器、传感器、I/O 和执行器中。这反过来又对系统硬件提出了新的要求：减小组件尺寸以在同一机箱中安装更多电子设备，提高能效以在相同或更低的热预算内执行，并提高电气/机械安全性和可靠性以减少停机时间。总之，电子元件面临的挑战是：

更高的能源效率

减小解决方案尺寸

提高安全性和可靠性

在以下部分中，我们将展示一些示例，说明电源管理电子设备如何在每种情况下进行救援。

解决方案

更高的能源效率

小型化导致的较小 PCB 尺寸对散热提出了挑战。由于电路板空间非常宝贵，因此排除了热管理选项，例如散热器。由于密封外壳可防止灰尘和污染物进入，因此无法使用强制气流风扇。因此，电源解决方案必须非常高效，同时提供比以往更高的功率和更小的面积，这一点至关重要。

工业应用的特点是 24V 标称直流电压总线，该总线在老式模拟继电器中有其历史，并且仍然是事实上的行业标准。然而，对于非关键设备，工业应用的最大工作电压预计为 36V 至 40V，而控制器、执行器和安全模块等关键设备必须支持 60V（IEC 61131-2、60664-1 和61508 SIL 标准）。流行的输出电压为 3.3V 和 5V，电流从小型传感器中的 10mA 到运动控制、CNC 和 PLC 应用中的数十安培不等。因此，工业控制应用的明显选择是降压（降压）稳压器（图 4）。

【图4 | 全集成同步降压转换器］

为高性能系统实现高效率的降压转换器示例包括 MAX17503 和 MAX17506（来自 Himalaya IC 系列），以及 MAX17504 电源模块（来自 Himalaya SiP 模块系列）。

减小解决方案尺寸

传感器能位于工厂车间的任何位置。

传感器通常由 24V 直流电源供电。然而，工厂车间可能是一个非常具有挑战性的环境，电缆很长，电磁干扰很强，会导致高压瞬变。因此，传感器内部的降压转换器必须承受 42V 或 60V 的电压瞬变，这远高于传感器的工作电压。如前所述，对于 24V 电源轨，最好使用最大工作电压为 42V 的设备。根据 SELV/PELV/FELV（安全/保护/功能性超低电压）法规，处理高达 60V 的隔离设备被认为是可以安全触摸的。通过添加专用 TVS（瞬态电压抑制器）器件可提供 60V 以上的保护。

满足工业传感器要求的电源解决方案包括 MAX15062 和 MAX15462 低功耗、高度集成的 Himalaya 降压转换器 IC，以及完全集成的 Himalaya uSLIC 电源模块 MAXM17532 和 MAXM15462。

提高安全性和可靠性：隔离

尽管低于 60V 的输入电压被认为本质上是触摸安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范围内进行隔离的需求仍然普遍存在。在此电压范围内，电源电子负载（通常是非常精密且昂贵的微控制器）需要保护。如果意外暴露在高压下，它很容易自毁。

隔离（图 6）可防止在两个或多个电路共享公共返回路径时发生接地环路。接地回路会产生寄生电流，这些电流会破坏输出电压调节并导致导电迹线发生电偶腐蚀。这是降低设备可靠性的现象。因此，隔离电源通常用于工业、消费和电信应用中，这些应用涉及保护敏感负载和设备的长期可靠性。

【图6 | MAX17690 Rainer隔离无光反激控制器］

Rainier 隔离系列是用于增强安全性和可靠性的无光隔离反激式转换器 IC 的示例。

提高安全性和可靠性：保护

保护电路是当今电子产品的无名英雄。无论是何种应用，从交流线路到数字负载的长电气链都散布着各种尺寸和形状的保险丝和瞬态电压抑制器。虽然 ESD 保护和引脚对引脚短路等常见问题在 IC 内处理，但安全性和可靠性还需要考虑其他方面。沿着电气路径，电气压力源（例如存储电容器引起的浪涌电流、断电引起的反向电流、过电压以及感应负载开关或闪电引起的欠电压）可能会损坏宝贵的电子负载。对于采用脆弱的亚微米低电压技术构建的微处理器和存储器而言，情况确实如此。处理这些潜在的灾难性事件需要多层保护

保护电子设备必须在其电压和电流额定值的范围内处理过压/欠压、过流和反向电流等故障情况。如果预期的电压浪涌超过保护电子设备的额定值，则会以滤波器和瞬态电压抑制 （TVS） 设备的形式添加额外的保护层。

电弧故障保护器和 TVS 二极管可防止雷电浪涌和灾难性高压事件。但是，当您进入主输入总线（上例中的 48V 或工业应用中的典型 24V）时，仍然需要保护。热插拔会导致电源在振铃时反d，由于电缆电感过长，还会导致电压浪涌。

Olympus 保护系列中的两款高度集成保护 IC MAX17608 和 MAX17525 是该应用的候选产品。

电源管理解决方案

这些电源管理解决方案克服了当今智能工厂面临的关键挑战。

概括

由于当前制造技术（也称为智能工厂或工业 4.0）的自动化和数据交换趋势有增无减，它将依靠新技术和方法来实现更高的制造效率。这些技术的采用带来了能源效率、小型化和系统可靠性方面的挑战。对于所讨论的每个挑战，我们都展示了一些电源管理 IC，以帮助设计人员有效地实现工业 4.0。这些电源管理解决方案克服了当今智能工厂面临的关键挑战。

审核编辑：郭婷