本文回顧了智能工廠的電子元件所面臨的挑戰，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網連接設備需要在工廠車間的每個控制器、傳感器、I/O 和執行器中增加處理器和連接接口。這些組件必須小巧、節能且高度可靠，以保持在狹小的空間和熱限制內，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，并提供了一些電源管理電子設備如何拯救的示例。

工業 4.0 是當前制造技術中智能自動化和數據交換的趨勢，繼續有增無減，助長了“智能工廠”的愿景。智能工廠依靠電子設備實時收集、合成和處理數據。制造的新技術和方法，也被稱為工業物聯網 （IIoT），有可能提高效率，進而提高盈利能力。IIoT 技術的采用帶來了能源效率、解決方案規模、系統安全性和可靠性方面的問題。本文回顧了工業 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挑戰，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 （IT） 系統（用于以數據為中心的計算）與監控事件、流程和設備的實時操作技術 （OT） 系統相集成。這種能力由部署在工廠中的大量傳感器提供，這些傳感器通過網絡連接到 I/O 模塊、執行器、控制器，并最終連接到企業云。制造設備和傳感器的聯網可實現實時生產線重新配置、減少延遲、提高質量控制、先進的可持續和綠色實踐、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 工業平臺和西門子的 Mindsphere 操作系統。運營商可以通過將需求與生產聯系起來、優化庫存管理、維護和提高可見性而受益。

系統和電子設備的尺寸減小使得高度模塊化的生產線得以發展?？紤]多個聯網機器人在裝配線上執行任務。通過讓相似的機器人按順序執行功能，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化每個機器人執行的任務并提高吞吐量。

人工智能或人工智能是計算機執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實 （AR） 或計算機生成的用戶對現實世界的看法。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。

技術推動者

所有這些額外的智能、網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 和執行器表現出來?？刂破骺梢允强?a target="_blank">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 （DCS）。傳感器可以是數字的或模擬的，用于接近、視覺、重量或溫度。執行器可以是機器人、閥門、電機、計算機數控 （CNC）、接觸器和其他移動機構。輸入和輸出 （I/O） 可以是數字或模擬，甚至是通用 I/O，將傳感器和執行器連接到控制器。

圖 3 顯示了監控和控制單個制造過程的 PLC 或工業計算機。它包括處理器、I/O 模塊、內存/編程和電源。PLC 和其他控制系統由 SCADA（監控和數據采集）等軟件包進行編排，監控和控制多個接口和外圍設備。

【圖3 | PLC系統］

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動適當的執行器。今天的傳感器、I/O 和執行器配備了內部處理器，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據聯網到云端，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

在智能工廠中部署智能聯網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 和執行器中。這反過來又對系統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執行，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。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，這一點至關重要。

工業應用的特點是 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標準。然而，對于非關鍵設備，工業應用的最大工作電壓預計為 36V 至 40V，而控制器、執行器和安全模塊等關鍵設備必須支持 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 應用中的數十安培不等。因此，工業控制應用的明顯選擇是降壓（降壓）穩壓器（圖 4）。

【圖4 | 全集成同步降壓轉換器］

為高性能系統實現高效率的降壓轉換器示例包括 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性的環境，電纜很長，電磁干擾很強，會導致高壓瞬變。因此，傳感器內部的降壓轉換器必須承受 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 SELV/PELV/FELV（安全/保護/功能性超低電壓）法規，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（瞬態電壓抑制器）器件可提供 60V 以上的保護。

滿足工業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，在此工作范圍內進行隔離的需求仍然普遍存在。在此電壓范圍內，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生接地環路。接地回路會產生寄生電流，這些電流會破壞輸出電壓調節并導致導電跡線發生電偶腐蝕。這是降低設備可靠性的現象。因此，隔離電源通常用于工業、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品的無名英雄。無論是何種應用，從交流線路到數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構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鍵挑戰。

概括

由于當前制造技術（也稱為智能工廠或工業 4.0）的自動化和數據交換趨勢有增無減，它將依靠新技術和方法來實現更高的制造效率。這些技術的采用帶來了能源效率、小型化和系統可靠性方面的挑戰。對于所討論的每個挑戰，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工業 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鍵挑戰。

審核編輯：郭婷