作者：Jeff Shepard/Digi-Key


在工厂自动化、农业、校园和消费者配送以及仓库库存管理等应用中，电池供电型机器人的使用越来越多。为了实现最长的充电间隔和工作时间，这些电池系统的设计者始终需要关注电源的转换效率及其尺寸和重量。
然而，随着负载能力要求的不断提高，使得这些问题变得更加关键，同时诸如视觉、测距、接近、定位之类传感和安全功能要求也增加了设计的复杂性和物理重量。另外，额外的电子处理需求也会消耗了更多的电力。
面对这些不断增加的挑战，为了最大限度地延长电池续航时间，设计人员可以转而使用基于组件的分布式供电架构，为电机、CPU 和其他子系统供电。在这种方法中，每个单独的 DC-DC 电源转换组件都可以放置在负载点 (PoL) 位置，并且经过优化后可实现高效率、小尺寸（高功率密度）和整体性能。这种方法可以打造出整体重量更轻的电源系统，使得电池供电的机器人系统获得进一步的性能提升。由于电源转换组件可以并联，便于随着机器人功率需求的增加而轻松扩展，因此灵活性也得到了提高，而且它们还允许在不同尺寸的机器人系统平台上部署相同的电源架构。
本文简要介绍了几种机器人应用的电源需求，包括农业采摘、校园和消费者配送、仓库存货搬运机器人。然后回顾使用基于组件的分布式供电架构的好处，最后介绍 Vicor 的几个 DC-DC 转换器解决方案实例，及其评估板和相关软件，以帮助设计人员入门。

机器人的电源要求

具体类型的机器人的电源要求由应用决定。

  • 农业采摘机器人：利用自动车辆引导和视觉识别以及多种环境和土壤分析传感器，进行种植、养护和农产品（水果、蔬菜、谷物）采摘。这些大型机器人车辆通常由 400 伏以上的高压直流电源供电。
  • 送货机器人：各种物品的最后一公里消费者或校园配送。虽然有效载荷的大小和重量各不相同，但这些机器人通常由 48 至 100 伏电池供电，比仓库存货搬运类机器人有更长的运行时间要求。
  • 仓库存货搬运机器人：在大型仓库环境中提供库存管理和进行订单履行任务。此类机器人通常使用 24 至 72 V 电池电源供电，并根据需要一有机会就进行充电。

基于组件的分布式机器人电源架构

本节回顾了四个基于组件的分布式机器人电源架构实例，从使用 760 伏电池组的农业采摘机器人 15.9 千瓦 (kW) 系统到使用 48 伏电池组的仓库存货搬运机器人的 1.2 千瓦系统。其中三个应用有一个共同特点， 就是使用一个电压相对较高的主总线将电力分配到整个机器人，然后由一个或多个降压电路将所需的电力供应到各子系统。高压配电总线提高了效率，降低了配电电流需要，从而可以使用更小、更轻、更便宜的电力电缆。第四个应用是前面的简化，可以用于采用 48 伏电池系统的小型机器人。
农业采摘机器人的供电网络 (PDN) 由 760 伏主电源总线组成（图 1）。这受到一系列固定比率（非稳压）隔离式 DC-DC 转换器（如图左侧所示 BCM 模块）支持，输出电压为输入电压的 1/16。这些转换器并联使用，可以根据具体设计的需要调整系统的大小。
图 1：这个用于 15.4 kW 农业采摘机器人的 PDN 包括一个 760 伏的配电总线，支持低电压转换器（DCM、PRM、NBM 和降压模块）。（图片来源：Vicor）
进一步分析这个供电网络，我们可以看到一系列固定比率（NBM，中上）和稳压式降压-升压（PRM，中间）以及降压转换器（下面）根据需要向下游提供低电压电源轨。在这种设计中，伺服直接由 48 伏中间电源总线驱动，无需额外的 DC-DC 转换。
校园和消费者配送机器人的 PDN 通过这种简化后可实现采用较低主电源总线电压（在这种情况下为 100 伏）的中间电源系统，并且在该主配电总线上对隔离式 DC-DC 转换器 (DCM) 增加调节功能，可产生 48 伏的中间总线电压（图 2）。
图 2：校园和消费者配送机器人的 PDN 包括电机直接驱动电路和为其余子系统供电的中间总线。（图片来源：Vicor）
这种方法可以使用非隔离的降压-升压和降压 DC-DC 转换器为各个子系统供电。此外，主电源总线采用较低的电压，让电机驱动装置可以直接连接到主总线上，而伺服装置可以直接连接到 48 伏的中间总线上。较小的校园和消费送货机器人可能会采用 24 伏的中间总线电压和 24 伏或 48 伏的伺服系统，但整体架构是相似的。
使用 67 伏电池组的仓库机器人 PDN 则强调在主电源总线上使用降压-升压非隔离式 DC-DC 转换器 (PRM)（图 3）。这些转换器的效率达 96% 至 98%，可以并联以满足更高的功率需求。该架构还采用了固定比率、非隔离式 DC-DC 转换器 (NBM) 为 GPU 供电，采用非隔离式稳压降压转换器为逻辑部分供电。
图 3：仓库机器人的 PDN 组合了 67 伏主电源总线和 48 伏中间配电总线。（图片来源：Vicor）
对于使用 48 伏电池的较小型机器人设计，不需要产生中间总线电压，简化了设计（图 4）。利用各种非隔离式 DC-DC 转换器直接转换，由电池电压直接为负载供电。取消了动力系统中的中间总线，提高了系统效率，降低了电源系统重量和成本。
图 4：用于仓库机器人的 PDN 采用 48 伏电池组，取消了中间电源总线，大大简化了设计。（图片来源：Vicor）

分布式电源架构设计注意事项

如上所示，设计人员必须进行大量电源系统选择，以优化基于组件的机器人 PDN。没有“万全之策”。一般来说，机器人越大，电池电压越高就越好，因为这可以实现更高的配电效率和更小、更轻的配电总线。
在优化整体系统效率和降低成本时，使用隔离式与非隔离式 DC-DC 转换器是一个重要的考虑因素。DC-DC 转换器离低压负载越近，成本较低的非隔离电源元件就越有可能是最佳选择，同时还能提高整体 PDN 效率。在适当情况下，使用成本较低的固定比率（非稳压）DC-DC 转换器也有助于提高 PDN 效率。
Vicor 提供的 DC-DC 转换器能够满足设计人员在广泛的基于组件的分布式供电架构方面的需求，包括上述四种应用。下面重点讨论类似于前述校园和消费者配送机器人 PDN（所图 2 所示）的供电系统中的具体设备。

用于机器人电源系统的 DC-DC 转换器

DCM3623TA5N53B4T70 是一个 DCM 隔离、稳压式 DC-DC 转换器实例，它可以从 100 伏电池电源产生 48 伏的中间总线电压（图 5）。该转换器采用零电压开关 (ZVS) 技术，提供 90.7% 的峰值效率和 653 瓦/立方英寸的电源密度。它在输入和输出之间提供 3,000 伏直流隔离。
图 5：DCM3623TA5N53B4T70 隔离、稳压式 DC-DC 转换器可以从 100 伏电池电源产生 48 伏的中间总线电压。（图片来源：Vicor）
这种 DCM 模块具有 Vicor 的 Converter-housed-in-Package (ChiP) 封装技术的热和密度优势，以极低的上、下侧热阻实现了灵活的热管理方案选择。基于 ChiP 技术的功率元件能够让设计人员以前所未有的系统尺寸、重量和效率属性，快速、可预控地实现高性价比电源系统。
如需探索 DCM3623TA5N53B4T70 的功能，设计人员可以使用 DCM3623EA5N53B4T70 评估板（图 6）。该 DCM 评估板可以配置用于各种使能和故障监测方案，并根据应用要求执行各种微调模式。
图 6：DCM3623EA5N53B4T70 评估板能够让设计人员了解 DCM3623TA5N53B4T70 DC-DC 转换器的功能。（图片来源：Vicor）
DCM3623EA5N53B4T70 可用于评估采用独立配置或作为模块阵列的 DCM 模块。它还支持评估各种使能、微调和故障监测选项：
使能选项：

  • 板载机械开关（默认）
  • 外部控制
微调选项：

  • 固定微调操作（默认）：初始启动时允许 TR 引脚浮动。DCM 禁用输出微调，输出微调被编程为标称额定 VOUT。
  • 可变微调操作，板载可变电阻器：微调引脚电压是按比例的，用一个变阻器对 DCM 内部的上拉电阻进行平衡，使该电压达到 VCC。
  • 可变微调操作，板外控制：微调引脚电压通过外部编程进行控制，在系统中以每个特定 DCM 的 -IN 为参考。
故障监测选项：

  • 板载 LED：FT 引脚驱动一个可见的 LED，实现故障状态的视觉反馈。
  • 板载光耦合器：FT 引脚驱动板载光耦合器，使故障状态跨越主次隔离边界。
Vicor 的 PI3740-00 降压-升压 DC-DC 转换器可分别为 LED 泛光灯和高清 (HD) 摄像头提供 44 伏和 24 伏的电压。它是一种高效率、宽输入输出范围 ZVS 转换器。这种高密度系统级封装 (SiP) 集成了一个控制器、电源开关和支持组件（图 7）。其特点是峰值效率高达 96%，以及具有良好的轻载效率。
图 7：在校园和消费者送货机器人 PDN 中，PI3740-00 降压-升压 DC-DC 转换器 SiP 可用于为 LED 泛光灯和高清摄像头供电。（图片来源：Vicor）
PI3740-00 需要一个外部电感器、电阻分压器和最小的电容器来组成一个完整的降压-升压稳压器。凭借 1 兆赫 (MHz) 的开关频率，该器件可减小外部滤波元件尺寸，提高功率密度，并实现对线路和负载瞬态的快速动态响应。
为方便使用 PI3740-00 进行设计，Vicor 提供了 PI3740-00-EVAL1 评估板，用于评估 VOUT 高于 8 伏的恒压应用中的 PI3740-00。该评估板的输入电压为 8 至 60 伏的直流电压，支持最高 50 伏的直流输出电压。该评估板的特性如下：

  • 用于电源和负载连接的输入和输出接线片
  • 通孔输入铝电解电容器的放置位置
  • 输入源滤波器
  • 示波器探头插孔，用于精确的高频输出和输入电压测量
  • 信号引脚测试点和导线连接器
  • 适合 PI3740 所有引脚的开尔文电压测试点和插座
  • 可跳线选择的高压侧/低压侧电流传感功能
  • 可跳线选择的浮动电压
最后要介绍的是 Vicor 的 PI3526-00-LGIZ 降压稳压器，它可以用于为 PDN 中的计算机和无线子系统提供 12 伏电源（图 8）。这款 DC-DC 转换器的效率高达 98%，并支持用户可调节的软启动和跟踪，包括快速和慢速限流功能。这款 ZVS 稳压器采用 SiP 配置，集成了控制器、电源开关和支持组件。
图 8：Vicor 的 PI3526-00-LGIZ 降压稳压器在校园和送货机器人 PDN 中可用于为计算机和无线子系统提供所需的 12 伏电源。（图片来源：Vicor）
Vicor 的 PI3526-00-EVAL1 评估板可以配置成独立或远程感应模式，以试用 PI3526-00-LGIZ 降压稳压器。它提供插座以允许快速探测和放置散装输入电容器。该评估板还提供了接线片、用于输入和输出连接的底层香蕉插孔基底、信号连接器和测试点，以及用于精确测量电源节点电压的开尔文约翰逊插孔。

结语


由于负载能力、视觉识别和用户功能增加了机器人的复杂性，机器人系统的电源转换需求也变得更具挑战性。现有的电源解决方案会受到尺寸、效率、重量和可扩展性等方面的性能限制，因此不太适合机器人应用。对于机器人应用，设计人员可以转而采用基于组件的分布式供电架构，为电机、CPU 和其他系统供电。
如前文所述，这种方法可以实现重量更轻的电源系统，使得电池供电的机器人系统获得进一步的性能提升。由于电源转换组件可以并联，便于随着功率需求的增加而轻松扩展，因此灵活性也得到了提高，而且还可以在不同尺寸的机器人系统平台上部署相同的电源架构。