毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

工業 4.0 技術革命不僅通過在生產過程中使用數據或在整個供應鏈中集成各種生產系統來定義。它還涉及分析和整合產品和流程的整個生命周期，以滿足個別客戶的需求。

在未來的幾十年里，公司將建立全球網絡，將他們的機器、存儲系統和生產設施以可以實時管理的網絡物理系統的形式整合起來。智能物聯網傳感器通過云接口和 I/O 鏈接實現數據收集和分析，從而實現對最佳工業條件的持續監控和維護。

物聯網 (IoT) 正在迅速形成，公司正在調整其 IT 基礎設施以滿足新的物聯網要求。數據中心正在幫助處理數字化轉型過程中涉及的大量數據，靠近數據的來源。作為 IT 轉型的一部分，一些公司已開始實施新的數據中心技術和分布方法。

發動機控制是工業 4.0 發展中的另一項重要戰略技術。尋找電機控制領域的高效解決方案是每個人的首要任務，包括系統開發商和組件制造商。

在所有應用環境中，包括集成 DC/DC 轉換器在內的電源管理系統的設計都遵循精確的規范。其中包括輸入電壓范圍、輸出電壓值、輸出功率、效率、輸入和輸出之間的電氣絕緣以及工業標準。

工業 4.0 需要用于工業設備的高性能組件，從更高的能源效率到在惡劣環境中的穩健運行，同時縮小外形尺寸。能源管理、效率和運動控制是這些新型智能工廠的幾個關鍵領域。

工業用 DC/DC 電源

隨著工業 4.0 的發展，能源管理有了新的意義，因為物聯網、數據分析和云計算的融合導致了復雜、分散和互聯的工業系統和生態系統。為了實現最佳能效，工程師越來越需要正確、準確地表征智能工廠中電力系統所有組件的行為，特別是 DC/DC 轉換器。

DC/DC 轉換器市場正在擴大。在包括通信、計算機和各種工業領域在內的傳統應用的穩步增長以及幾種新型創新電源架構的出現的推動下，DC/DC 轉換器市場也將受益于新器件的可用性，例如碳化硅（ SiC) MOSFET 驅動器。憑借其出色的熱特性，SiC 器件代表了各種應用中的優選解決方案。

例如，RECOM Power GmbH 的RKZ-xx2005D 系列?（通過 UL60950 和 IEC/EN60950 認證）包括適用于 SiC MOSFET 驅動器的 DC/DC 轉換器，效率高達 87%（圖 1）和一個最大容性負載為 47/680 μF。

隔離電壓為 3 kVDC 或 4 kVDC，最高可達 5.2 kVDC（測試一分鐘），溫度范圍為 –40°C 至 90°C，可滿足汽車和工業應用中最惡劣的條件。

圖 1：RKZ-xx2005D 系列的典型應用電路。（圖片：RECOM Power）

Tamura Corp. 的柵極驅動器模塊是具有內置 DC/DC 轉換器和專用驅動電路的集成器件，適用于 SiC MOSFET 和 IGBT 柵極驅動器。模塊是一體式的，只需幾個外部組件即可運行。低共模噪聲、高速響應和小尺寸是這些解決方案的主要特點，使其能夠在工業、機器人和電源轉換應用中使用。

汽車、交通運輸和工業領域等需要低電磁干擾 (EMI) 電源解決方案的應用中，對噪聲的敏感性是另一個值得關注的領域。雖然 EMI 過濾或金屬屏蔽會增加設計成本，但 Analog Devices Inc. (ADI) 的低噪聲 μModule 技術提供了一種可能的替代方案，可在高開關頻率下以高效率將 EMI 輻射降至最低。

圖 2：LTM8003H 的框圖。（圖片：模擬設備公司）

ADI 的LTM8003H?旨在滿足汽車、工業和軍事應用所需的 –40°C 至 150°C 內部工作溫度范圍的規范，在這些應用中，電源電路必須連續且安全地工作（圖 2）。

高效數據中心

即使對更多功率的需求不斷增長，對電源的重量和尺寸的要求也越來越嚴格。這就是為什么越來越多的公司將其配電和電力系統從傳統的 12 V 轉換為 48 V 的主要原因。數據中心、云服務器、機器學習和深度學習應用程序對電力的需求越來越大，因為廣泛的使用 CPU、GPU 和其他計算設備。從 12V 切換到 48V 電源總線需要仔細選擇組件和適當的設計技術。

英飛凌科技股份公司為 48V 配電推出了一種創新的高效兩級架構，特別適用于數據中心。基于其零電壓開關 (ZSC) 開關電容器轉換器，新架構可以有效地為 CPU、GPU、SoC、ASIC 和內存模塊供電。

將 ZSC 技術與氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 相結合，例如CoolGan?600-V 器件，可為下一代數據中心優化功率流和高性能。ZSC 轉換器可為基于 48V 總線電壓的應用提供最高水平的效率和功率密度。

圖 3：ZSC 兩級架構。（圖片：英飛凌）

ZSC 轉換器與最佳多相降壓穩壓器的組合使用可提供等于或大于 94% 的效率和高于 48 V 供電系統的市場平均水平的功率密度。圖 3?顯示了一個評估板，基于ZSC 轉換器，實現了兩級架構。

運動控制

電機控制是一種方法和技術，涵蓋范圍廣泛，從簡單的風扇和泵控制到更復雜的工業控制問題，如機器人和伺服機構。閉環控制算法需要測量三相電機電流和轉子位置。這種控制涉及高側和低側電流放大器、霍爾效應傳感器和能夠在具有挑戰性的環境中準確工作的 ADC 轉換器。

霍爾技術已經在各種應用中取代了許多傳統的電流控制技術，包括液位測量和電機控制。霍爾效應器件提供了一種可靠且簡單的方法來監控與電機扭矩成正比的電機電流。

例如，Maxim Integrated 的MAX9640?是一款霍爾效應開關，可檢測磁場的方向和幅度。如果磁場超過內部閾值，無論磁場的極性如何，它都有一個輸出。

此外，電流檢測放大器有助于監控電流并提供系統負載的閉環反饋。傳感放大器用于過流保護和電源監控系統的優化。一個例子是 Maxim Integrated 的MAX40056?雙向電流檢測放大器，具有獲得專利的脈寬調制 (PWM) 抑制（圖 4）。

圖 4：MAX40056 框圖。（圖片：美信集成）

結論

工業 4.0 通常與制造公司通過利用數字集成實現工廠和生產線自動化來提高生產力和更新運營模式的機會相關聯。物聯網等支持技術使工程師能夠走得更遠，創建一個智能工廠，使用改進的運動控制和電源管理解決方案優化生產效率。因此獲得了額外的節省，減少了能源消耗——該行業最重要的成本項目之一——并在可持續性方面取得了收益。

審核編輯 黃昊宇