安森美高效解决方案助力工业自动化升级

——访安森美亚太区应用工程技术总监 Hector Ng

当前，工业自动化正在向着数字化和智能化趋势发展，即通过物联网（IoT）技术，设备和系统能够实现互联互通，数据可以实时采集和分析，从而提高生产效率和灵活性。那么，工业领域未来发展趋势如何？作为半导体厂商，安森美半导体在工业领域方面有着怎样的布局，将如何在这场工业浪潮中抓住机遇迎接挑战？近日，中电网采访了安森美亚太区应用工程技术总监 Hector Ng，共同探讨了工业领域中的“芯”机遇。

工业自动化未来发展趋势如何？将带来哪些机遇和挑战？

工业自动化正在向智能化和互联化方向发展：通过物联网（IoT）技术，设备和系统能够实现互联互通，数据可以实时采集和分析，从而提高生产效率和灵活性。此外，AI和机器学习技术在工业自动化中的应用越来越广泛。这些技术可以帮助优化生产流程、预测设备故障、提高产品质量。

其中，机器视觉技术将扮演至关重要的角色。机器视觉技术在工业自动化中的应用将显著提升质量控制和检测的效率和准确性，通过高分辨率摄像头和先进的图像处理算法，机器视觉系统可以实时检测产品缺陷，确保产品质量。机器视觉技术还将进一步推动自动化生产线的发展，视觉系统可以用于物料识别、定位和跟踪，从而实现更高效的自动化操作，减少人工干预。在工业机器人领域，机器视觉技术将用于引导和控制机器人执行复杂的任务，机器人可以更精确地完成装配、搬运和包装等操作，提高生产效率。

在工业自动化应用中，除了要求高性能，人们还越来越重视减少碳足迹，更加关注在任何负载下实现更高的功率转换效率。因此采用面向未来的高效率功率半导体技术对于此类应用具有商业可行性和可持续性至关重要。作为集成和分立功率转换半导体供应商的行业领导者，安森美(onsemi)一直与合作伙伴合作，解决实现更高效率和性能的主要挑战。我们提供多种拓扑，包括升压、反激和准谐振，可选择单片 IC 或分立方案实现。如碳化硅（SiC）在电机驱动中的应用越来越广泛。这些材料具有更高的开关速度和更低的导通损耗，能够显著提高系统效率。

当前工业自动化向着数字化和智能化趋势发展。集成了传感器和控制算法的智能电机驱动器能够实时监测和调整电机运行状态，提高系统的可靠性和效率。数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）的应用使得电机驱动控制更加精确和灵活，支持复杂的控制算法和通信协议。

工业自动化发展至今如今面临哪些问题？

为了能推进实时决策、提高生产效率和自动化水平，各行各业都越来越关注装备计算机视觉技术的应用。工业图像传感器赋能机器超越人眼的视觉，使机器视觉更精准、智能、高效，推进工业自动化的发展。要让系统更精准，需要考虑如何提高图像传感器的感光性能，降低噪声，提高帧率和分辨率，增大动态范围，甚至直接使用图像传感器输出3D信息和高光谱信息。功耗和成本也很重要。此外，需要确保图像传感器的性能稳定，质量可靠，以实现高效的工业系统。以安森美的图像传感器为例，由于采用了全像素架构，安森美传感器在所有光照条件下都能保留更多细节，即使在低光条件下也不例外。安森美图像传感器在HDR方面表现出色，能够捕捉到高对比度场景的细节，即使在极端光照条件下也能提供清晰、丰富的图像。可扩展的产品系列能够减少系统开发成本和时间。

工业自动化中，电机驱动扮演着重要的角色，其能耗占据了工业应用能耗的很大一部分。根据国际能源署（IEA）的数据，电机系统的能耗约占全球工业电力消耗的65%左右。相关法规越来越严格，市场对大幅降低工业电机驱动器能耗的需求变得愈加迫切。例如交流电机通常可直接由交流电源驱动，为了提高能效和加强控制，可以采用变频驱动，根据负载需求调节电机的运行速度，减少能源浪费。而利用先进的控制算法和智能化技术，如矢量控制、直接转矩控制等，可以实现更精细的电机控制，提高能效。

新一代功率半导体器件支持更高的开关频率，实现更低的导通损耗和开关损耗，提高了电机驱动系统的效率，如安森美近期新推出的采用了新的场截止第7代(FS7)绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术的1200V SPM31智能功率模块，与市场上其他领先的解决方案相比，能效更高、尺寸更小、功率密度更高，因而总体系统成本更低，非常适合三相变频驱动应用，如热泵、商用暖通空调系统以及工业泵和风扇。而第7代1200V 800A QDual3 IGBT功率模块与其他同类产品相比，功率密度更高，且提供高10%的输出功率，带来业界领先的能效表现，有助于降低系统成本并简化设计，也非常适合用于大功率工业电机驱动器。

工业应用对半导体解决方案是否有特殊的要求？

工业应用对半导体解决方案的要求有其独特性，主要体现在以下几个方面：

可靠性和耐久性。工业环境通常较为严苛，包括高温、低温、湿度、振动和电磁干扰等。因此，芯片需要具备高可靠性和耐久性，以确保在各种极端条件下仍能稳定运行。安森美(onsemi)的产品遵循严格的质量控制标准，确保每一个元件都具有高可靠性和长寿命。安森美的解决方案还具备出色的耐高温性能，产品设计考虑了抗干扰能力，确保信号传输的稳定性和准确性，而且所有产品在出厂前都经过严格的测试，包括环境测试、寿命测试和性能测试，确保其在各种苛刻条件下的可靠性和耐久性。

散热与热管理。高功率电子器件在运行过程中会产生大量热量，如果散热不良可能导致性能下降、寿命缩短甚至故障。设计有效的冷却系统，结合被动（如散热片、液冷）和主动（如风扇、泵）冷却技术，以及优化电子封装和布局，是确保系统稳定工作的关键。如安森美的压铸模模块比普通的凝胶填充模块提高热循环使用寿命10倍。

高效率与节能。随着全球对节能减排的关注度提高，工业系统往往需要更加注重能效。安森美强调智能电源技术的重要性，这包括使用先进的半导体材料如碳化硅来制造更高效的功率电子器件，这些器件能够支持更高频率的操作，减少损耗，提高电机整体系统效率。与此同时，功率因数校正PFC拓扑技术将继续发展，以减少电网谐波和提高系统的整体能效。

工业物联网关键技术有哪些？这些关键技术将如何实现？

工业物联网（IIoT）的关键技术包括以下几个方面：

传感器技术

传感器是IIoT的基础，负责采集各种物理量和环境参数，如温度、湿度、压力、振动等。

边缘计算

边缘计算在靠近数据源的地方进行数据处理，减少了数据传输的延迟，提高了实时性和响应速度。

通信技术

可靠的通信技术是IIoT的核心，包括有线和无线通信技术，如低功耗蓝牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT和10Base-T1S以太网等，确保数据的实时传输和设备的互联互通。

数据处理与分析

大数据技术和人工智能（AI）用于处理和分析从传感器和设备收集的大量数据，提供有价值的洞察和决策支持。

此外，云计算提供了强大的计算和存储能力，支持数据的集中管理和分析，提升了系统的灵活性和可扩展性。IIoT系统需要强大的网络安全措施来保护数据和设备免受网络攻击，包括加密技术、身份验证和访问控制等。通过这些关键技术的应用，工业物联网能够实现设备的智能化、生产的自动化和管理的精细化，推动工业领域的数字化转型。

工业 4.0 主要解决了哪些问题，工业 4.0 的到来，对制造业带来哪些影响？

工业4.0通过自动化和智能化技术显著提高了生产效率，减少了人工干预和错误，使得生产系统更加灵活，能够快速响应市场需求的变化，实现定制化生产。通过数据分析和智能管理，工业4.0优化了资源的使用。智能传感器和数据分析技术使得质量控制更加精准。

此外，工业4.0通过物联网和大数据技术，实现了供应链的透明化和高效管理，减少了库存和物流成本。通过预测性维护技术，工业4.0能够提前发现设备故障，减少停机时间和维护成本。工业4.0利用大数据和人工智能技术，支持企业进行数据驱动的决策，提高了决策的科学性和准确性。通过解决这些问题，工业4.0推动了制造业的转型升级，提高了企业的竞争力和市场响应能力。

在逐渐迈向工业 4.0的过程中，对于人机交互的需求日益增加，机器人技术也亟待改进。智能机器人与传统工业机器人的不同之处在于，前者使用了大量不同的传感器、AI 和先进算法来与环境交互，检测障碍物，并与人类和其他机器协作。目前，智能机器人主要用于仓库和生产工厂等受控环境，但应用于户外作业的趋势日益明显。

安森美在工业控制方面的布局？如何助力智能工业发展？

安森美在工业控制方面有着广泛的布局，其智能传感和智能电源技术致力于提供高性能、高可靠性和高效能的解决方案。特别是在相关的电源管理、传感器技术以及电机驱动控制和接口通信等方面提供一些关键技术解决方案。

安森美提供各种电源管理解决方案，包括高效的电源转换器、稳压器和电源管理IC。这些产品能够确保工业控制系统在各种工作条件下稳定运行。安森美的传感器产品线涵盖了位置传感器、图像传感器、温度传感器等多种类型，这些传感器能够实时监测工业环境中的各种参数，为控制系统提供准确的数据支持。特别值得一提的是，安森美的图像传感器系列集高性能、紧凑像素和低功耗等特性于一体，它提供多种分辨率，从30万至 4500 万像素不等，适用于广泛的应用，有效为智能工业发展提供助力。安森美的NCS32100双电感旋转位置传感器能在 6,000 RPM 转速时实现 ±50 角秒的位置精度，在牺牲些许精度的情况下，转速高达 45,000 RPM。

在电机控制方面，安森美提供了多种驱动器和控制器，支持各种类型的电机，包括直流电机、步进电机和交流电机。这些产品能够实现高效、精确的电机控制，广泛应用于工业自动化设备中。安森美也提供各种用于变频驱动的MOSFET、IGBT、二极管、模块和栅极驱动器、运放等器件，以提高能效和加强控制。

工业控制离不开各种通信方案和接口，安森美的接口和通信解决方案包括各种总线接口、无线通信模块和有线通信模块。这些产品能够确保工业控制系统与其他设备和系统之间的可靠通信。布线是在工业环境中部署传统以太网的另一个障碍。标准以太网线缆有四对电线，不仅增加了成本，而且也难以安装。10BASE-T1S 专为使用单对电线而开发，因此更小巧、更易使用，成本也明显更低。安森美的10BASE-T1S以太网控制器产品组合处于发展前沿，能够为要求苛刻的工业环境提供更优异的可靠性和性能表现。安森美推出了一系列符合10BASE-T1S标准的以太网控制器和收发器，包括NCN26010 (MAC/PHY) 和NCN26000 (PHY)控制器专为工业多点网络而设计，有助于减少机柜内的布线，同时可增加带宽。

此外，安森美还提供了一系列安全和保护解决方案，包括过压保护、过流保护和热保护等。这些产品能够提高工业控制系统的安全性和可靠性，防止意外故障和损坏。通过这些布局，安森美在工业控制领域提供了全面的解决方案，帮助客户提高生产效率、降低能耗和提升系统可靠性。