智能制造的市場前景及技術(shù)發(fā)展

　在極端環(huán)境中工作

　　在工業(yè)環(huán)境中，溫度很難控制，這是因?yàn)橥ㄟ^以太網(wǎng)連接的電機(jī)和機(jī)器人通常必須在非常高的溫度下焊接金屬，此外，工廠的建筑結(jié)構(gòu)也造成了難以提供良好的通風(fēng)條件。為滿足工業(yè)環(huán)境的需求，PHY必須被設(shè)計(jì)成在很寬的溫度范圍內(nèi)能夠發(fā)揮出其額定性能。例如，工業(yè)以太網(wǎng)PHY應(yīng)能夠在-40至85℃的溫度范圍內(nèi)工作，可承受125℃的最大結(jié)溫，即使環(huán)境溫度持續(xù)數(shù)小時(shí)高溫也能保持性能不變。

　　除了在高溫下工作，PHY還應(yīng)能承受高壓浪涌。機(jī)械設(shè)備有時(shí)會突然聚積電荷，損壞部件并導(dǎo)致工業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。通過增強(qiáng)靜電放電(ESD)保護(hù)電路，PHY可以適當(dāng)保護(hù)工業(yè)環(huán)境免受電荷波動的破壞。

　　在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高性能以太網(wǎng)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)時(shí)應(yīng)用，實(shí)時(shí)應(yīng)用對延遲有非常嚴(yán)格的限制。在線性菊花鏈拓?fù)渲校總€(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲要非常小，才能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)滿足快速請求和響應(yīng)周期時(shí)間要求。為滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)要求，PHY應(yīng)具備低延遲和確定性延遲特性。在菊花鏈下，低延遲能實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)，而確定性延遲可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)單元的精確定時(shí)同步。與未經(jīng)優(yōu)化的方案相比，優(yōu)化后的PHY能夠?qū)⒀舆t降低30%至40%，從而提高了效率和效能。

　　滿足不斷增長的網(wǎng)絡(luò)速度要求也是工業(yè)PHY的一個(gè)關(guān)鍵特性。雖然百兆的速度足以滿足當(dāng)今大多數(shù)工廠應(yīng)用的需求，但是要求能夠支持千兆電接口的需求越來越多。由于工業(yè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的安裝成本很高，因此建議PHY設(shè)備能夠支持高達(dá)千兆的網(wǎng)絡(luò)速度要求，以適應(yīng)未來的解決方案。

　　工業(yè)解決方案的現(xiàn)狀和未來

　　工廠變得更加智能，更加網(wǎng)絡(luò)化，一些行業(yè)專家認(rèn)為正在出現(xiàn)第四次工業(yè)革命。然而，隨著不斷出現(xiàn)的工業(yè)創(chuàng)新，很顯然，在工廠中維持高性能互聯(lián)將變得愈發(fā)重要。連接延遲、中斷或故障有可能使生產(chǎn)減緩甚至停產(chǎn)，從而導(dǎo)致收入損失。不受惡劣工廠條件影響的硬件連接對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是非常有價(jià)值的。

　　Marvell的88E1512P、88E1510Q和88E1548P PHY系列產(chǎn)品專為滿足實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的嚴(yán)格要求而設(shè)計(jì)，可用于千兆獨(dú)立和交換系統(tǒng)的快速開發(fā)和部署。Marvell的PHY系列解決方案提供增強(qiáng)ESD保護(hù)、低延遲和確定性延遲特性，并具備在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作的能力，保證了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)能夠長期保持性能穩(wěn)定。Marvell的收發(fā)器符合1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T標(biāo)準(zhǔn)，滿足了工廠當(dāng)前和未來的網(wǎng)絡(luò)速度要求。該系列還支持采用了新一代MAC的節(jié)能以太網(wǎng)(EEE，Energy Efficient Ethernet)。這系列PHY產(chǎn)品提供48管腳、56管腳QFN封裝或196管腳TFBGA封裝，以及各種主機(jī)接口選擇，例如RGMII、MII和SGMII。 Marvell還提供配合PHY產(chǎn)品系列的Prestera?和Link Street? 交換機(jī)芯片和ARMADA 嵌入式系統(tǒng)芯片。

印刷型電子產(chǎn)品成為當(dāng)下趨勢

　　柔性混合電子學(xué)(FHE)

　　Molex公司GIG工業(yè)部高級銷售工程師 Linda Shan認(rèn)為，智能制造領(lǐng)域當(dāng)前的一個(gè)主要趨勢就是印刷型電子產(chǎn)品，該產(chǎn)品在微型化醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)方面可以帶來巨大的優(yōu)勢，對于可穿戴診斷設(shè)備尤其明顯。印刷型電子產(chǎn)品還可作為一種“智能”并且經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方式來提供小尺寸、高柔性的集成傳感器解決方案，理想用于生理、環(huán)境和生化上的監(jiān)控，與傳統(tǒng)電路相比，總成本要低得多。這種新一代的多功能、高靈活性傳感器解決方案適合超移動空間內(nèi)的部署。該解決方案還特別適用于包含了智能手表、運(yùn)動腕帶和智能手機(jī)在內(nèi)的、采用越來越多傳感器的產(chǎn)品，這類產(chǎn)品正在集成到已經(jīng)高度復(fù)雜的各種設(shè)備當(dāng)中。

　　最終產(chǎn)品的靈活性已經(jīng)被證明是對于多種應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵需求，在智能制造方面開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，即所謂的柔性混合電子學(xué)(FHE)。FHE適用于日益受物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中對傳感器陣列的需求而推動的傳感器監(jiān)控功能，以及健身跟蹤和醫(yī)療監(jiān)控功能。此外，智能制造下的FHE還可應(yīng)用于各種大型結(jié)構(gòu)的傳感器，范圍從航空器和地面交通工具一直延伸到惡劣環(huán)境下的輕量級加固傳感器。FHE應(yīng)用還包含了農(nóng)業(yè)、產(chǎn)品包裝以及體育器材。

　　印刷型電池和網(wǎng)絡(luò)通信帶來的支持

　　可穿戴電子產(chǎn)品以及物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是兩個(gè)相對較新的市場，這兩個(gè)市場正在通過柔性混合電子學(xué)(FHE)推動著智能制造業(yè)的發(fā)展。FHE技術(shù)可以帶來各種設(shè)備，整合起無線連接、傳感器陣列通信、觸摸界面和語音界面，以及使用創(chuàng)新性封裝技術(shù)、在尺寸更小的柔性基板上實(shí)現(xiàn)組件部署的低功率操作。

　　在這種智能制造當(dāng)中，電池自身也成了印刷型產(chǎn)品。比如說，Enfucell就是在印刷型電池設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先驅(qū)。Molex 現(xiàn)已簽訂了一份全球性許可協(xié)議來制造Enfucell的SoftBattery?電源。這使得Molex可以更好地服務(wù)于使用印刷型電池為傳感器陣列供電的、不斷增長的市場。

　　智能制造已經(jīng)以工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的形式開始蓬勃發(fā)展，而網(wǎng)絡(luò)通信解決方案供應(yīng)商可以為這一過渡過程提供支持。Molex與遠(yuǎn)程維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品及解決方案的制造商MB Connect Line GmbH達(dá)成一項(xiàng)協(xié)議，使得他們共同致力于向復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的制造商以及自動化的提供商提供對數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的高度安全可靠的遠(yuǎn)程訪問能力。

　　Molex智能制造解決方案

　　Molex的Soligie?印刷型電子傳器感具備在塑料、紙質(zhì)以及金屬箔之類柔性基板上制作組件和互連功能的全部優(yōu)勢。這樣可在微型化醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中提供一項(xiàng)主要的優(yōu)勢。Soligie?印刷型電子傳器感設(shè)計(jì)采用了低成本的基板，在其上可以使用導(dǎo)電銀墨來形成電路，從而添加組件;同時(shí)還采用了高精度的卷對卷(R2R)高速印刷工藝，完全等效于銅電路的性能，可以減少制造工藝、使用的材料，并降低成本。本產(chǎn)品適用于傳感器、電池、LED 和其他無源裝置的集成，與傳統(tǒng)的電路相比總成本更低，可實(shí)現(xiàn)小尺寸、高靈活性的一體化傳感器解決方案。

　　Molex新開發(fā)的Brad? IP67解決方案智能制造產(chǎn)品組合。這種工業(yè)通信下的開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議基于IO-Link技術(shù)，可以通過PROFINET將小型傳感器和執(zhí)行器連接到網(wǎng)絡(luò)。采用菊花鏈布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集成的2端口交換機(jī)可達(dá)到100 Mbps的全雙工數(shù)據(jù)傳輸速率，在為應(yīng)用布線的過程中無需使用交換機(jī)，為機(jī)器的制造商降低總成本。短路保護(hù)、介質(zhì)冗余協(xié)議(MRP)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及可視的診斷用LED指示燈之類的高級模塊功能便于使用，可簡化設(shè)備的操作。

電池技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

　　電池技術(shù)在各領(lǐng)域中的發(fā)展

　　在傳統(tǒng)的航空航天應(yīng)用中，對電源的可靠性、效率、重量和體積的要求從未降低。這些年來在航空航天中新型電子材料的出現(xiàn)，例如GaN功放的應(yīng)用，能使得系統(tǒng)性能大幅提高，也因此對電源提出了更高要求，不僅要求功率密度，還對產(chǎn)品的高度提出了苛刻要求。

　　新能源汽車一直是Vicor重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，為了滿足國家對車企的排放燃油要求，眾多車企將汽油車改裝成油電混合汽車，甚至直接將動力系統(tǒng)改成純電系統(tǒng)。為了維持汽車重量尺寸不變，電源的重量、尺寸和散熱性能都需要滿足具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)指標(biāo)。Vicor上一代基于ChiP的方案明顯改善了新能源汽車DCDC的功率密度。

　　5G作為新一代通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，MIMO將得到更廣泛的應(yīng)用。無線產(chǎn)品板上供電系統(tǒng)將有所改變，功率會更大，而產(chǎn)品的體積不會變大，直接從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到目標(biāo)電壓是目前關(guān)注焦點(diǎn)。

　　近幾年，各種電池技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用非常迅速，如采用電池作為動力源的自動化搬運(yùn)機(jī)器人、為電路系統(tǒng)供電的測試設(shè)備等，這些產(chǎn)品提高了工廠自動化產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。而高效、輕便的電源管理方案能延長電池的工作時(shí)間。由于電池電壓的波動，采用高效升降壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)壓的電池具有更大的可用性。

　　電源的智能化

　　高效率、低成本、低能耗的綠色智能工廠已經(jīng)成為各制造企業(yè)追求的目標(biāo)。在該目標(biāo)下，電源技術(shù)一直圍繞著提升效率和密度在發(fā)展，效率和密度提升了，單位功率的成本就降下來了。在發(fā)展過程中出現(xiàn)了新的材料，新的技術(shù)和新的封裝。例如，SiC、GaN寬禁帶材料經(jīng)過這幾年的發(fā)展，已經(jīng)開始應(yīng)用于越來越多的電源系統(tǒng)中，產(chǎn)生了良好的效應(yīng)。無線充電技術(shù)的應(yīng)用給工業(yè)智能化的帶來更多的可能。

　　智能制造也需要電源的智能化，電源的可通訊性將是未來對電源的一個(gè)基本要求。具有通訊接口的電源，可以直接將電源的各種狀態(tài)匯報(bào)給管理系統(tǒng)，并且根據(jù)系統(tǒng)需要做動態(tài)調(diào)整。

　　Vicor的ChiP平臺及升降壓技術(shù)

　　Vicor從2013年開始將ACDC、DCDC等不同的電源架構(gòu)封裝在ChiP平臺中，緊接著為了改善客戶應(yīng)用中的散熱問題，將ChiP置于雙面增強(qiáng)散熱的VIA封裝中。這兩個(gè)已經(jīng)完全量產(chǎn)的平臺可以提供靈活的產(chǎn)品選型。這些產(chǎn)品都可以選擇支持PMBus通訊接口。

　　Vicor具有非常好的升降壓技術(shù)，能夠把輸入電壓范圍擴(kuò)展寬，兼容非常高的輸入比，可以支持傳統(tǒng)汽車、新能源汽車、醫(yī)療設(shè)備和其他電池供電設(shè)備等應(yīng)用。其中降壓芯片PI352x系列芯片采用ZVS技術(shù)，可以支持高輸入輸出電壓差。在典型的5G通訊應(yīng)用中，從48V轉(zhuǎn)5V，20A輸出，轉(zhuǎn)換效率超過93%。今年還將推出全新電源架構(gòu)的穩(wěn)壓隔離產(chǎn)品，功率密度將數(shù)倍于現(xiàn)有Vicor的產(chǎn)品。

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本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第8頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。