在機器人應用中使用元件型配電架構的原因及方法

在工廠自動化、農業、園區與消費性產品交付及倉儲庫存管理等多種應用中，電池供電機器人的使用日益增多。為了充電間隔期間達到最長的工作時間，這些電池系統的設計人員總是需要考量電源轉換效率，以及尺寸和重量等因素。

然而，隨著負載量的持續增加，再加上視覺、測距、鄰近性、位置及其他的感測與安全功能，也加重設計複雜度與實體重量，因而這些考量因素就變得更為關鍵。同時，額外的電子元件處理需求也會耗用更多電力。

在面對這些額外的挑戰時，為了達到最大的電池續航力，設計人員可以轉而使用元件型配電傳輸架構來驅動馬達、CPU 和其他子系統。在此種方法中，各個 DC-DC 電源轉換元件都能放在負載點 (PoL)，並能在高效率、小尺寸 (高功率密度) 和整體效能方面達到最佳化。藉助此方法，即能實現更輕量的整體電源系統，進一步提升電池供電機器人系統的效能增益。此外，系統彈性也獲得加強，因為電源轉換元件能以並聯方式連接，在機器人功率需求增加時容易擴充，同時也能將相同的電源架構部署於多種尺寸的機器人系統平台之上。

本文將簡要列舉幾種機器人應用的功率需求，包括農業收耕、園區與消費性產品交付及倉儲庫存搬移等等。接著會探討使用元件型配電傳輸架構的優勢，然後介紹 Vicor 的 DC-DC 轉換器解決方案範例，以及可幫助設計人員入門的評估板與相關軟體。

機器人的電源要求

特定類型機器人的電源要求是由應用所決定：

• 農業收耕機器人：透過自動車輛導引技術，同時搭配視覺辨識及多種環境和土壤分析感測器，可以種植、照料和收耕農作物 (水果、蔬菜、穀物)。這些大型機器人車輛通常是由 400 V 或更高的高電壓 DC 電源供電。
• 交付機器人：在最後一哩路程將各種不同產品交付給消費者或園區。雖然承載物的尺寸和重量不一，這些機器人通常以 48 V 至 100 V 的電池供電，且運行時間要求高於倉儲庫存搬移類機器人。
• 倉儲庫存搬移機器人：在大型倉庫環境中進行庫存管理和訂單履行工作。此類機器人通常由 24 V 至 72 V 的電池電源供電，並根據需要進行隨機充電。

機器人適用的元件型配電架構

本節將探討機器人適用的四種元件型配電架構範例，涵蓋採用 760 V 電池組的 15.9 kW 農業收耕機器人系統，一直到採用 48 V 電池組的 1.2 kW 倉儲庫存搬移機器人系統。其中三種應用中，都有相對較高的電壓主匯流排，可在機器人內配送電力，後面接著一個或多個電壓降壓段，將需要的電力配送到子系統。高電壓配電匯流排可提高效率並降低配電電流，因此能夠使用更小、更輕且更便宜的電源纜線。第四種應用提供了簡化設計，能夠實現採用 48 V 電池系統的較小型機器人。

農業收耕機器人的電力傳輸網路 (PDN) 包含 760 V 主電源匯流排 (圖 1)。支援元件是一系列固定比率 (未調節) 隔離式 DC/DC 轉換器 (如左邊 BCM 模組所示)，輸出電壓為輸入電壓的 1/16。這些轉換器採用並聯方式，如此便能根據特定的設計需求來改變系統尺寸。

圖 1：這款 15.4 kW 農業收耕機器人 PDN 包含 760 V 配電匯流排，可支援低電壓轉換器 (DCM、PRM、NBM 和降壓) 網路。(圖片來源：Vicor)

若深入研究此網路，即可看到一系列固定比率轉換器 (NBM，中上) 和穩壓式升降壓轉換器 (PRM，中)，以及降壓轉換器 (下)，這些都會視需要供電給下游的低電壓電軌。在此設計中，伺服機直接由 48 V 中間電源匯流排所驅動，不需進行額外的 DC-DC 轉換。

園區和消費性產品交付機器人 PDN 為簡化設計，可供打造出中功率系統；作法是採用較低的主電源匯流排電壓 (此例中為 100 V)，並為主配電匯流排上的隔離式 DC-DC 轉換器 (DCM) 增添穩壓功能，以便產生 48 V 中間匯流排電壓 (圖 2)。

圖 2：園區和消費性產品交付機器人 PDN 包含馬達用的直接驅動器及中間匯流排，可供電給其餘子系統。(圖片來源：Vicor)

此方法可讓非隔離式升降壓和降壓 DC-DC 轉換器供電給各式子系統。此外，以較低電壓用於主電源匯流排，便能讓馬達驅動器直接連接到主匯流排，同時伺服機也能直接連接到 48 V 中間匯流排。較小型園區和消費性產品交付機器人可能包含 24 V 中間匯流排電壓，以及 24 V 或 48 V 伺服機，但整體架構均類似。

倉儲機器人 PDN 採用 67 V 電池組，其特點是主電源匯流排使用升降壓、非隔離式 DC-DC 轉換器 (PRM) (圖 3)。這些轉換器的效率介於 96% 至 98% 之間，能採用並聯方式以滿足較高的功率需求。此架構也具有固定比率的非隔離式 DC-DC 轉換器 (NBM) 以供電給 GPU，非隔離式穩壓降壓轉換器則供電給邏輯部份。

圖 3：倉儲機器人 PDN 包含 67 V 主電源匯流排和 48 V 中間配電匯流排。(圖片來源：Vicor)

對於採用 48 V 電池的更小型機器人設計，不需要產生中間匯流排電壓，設計因此得以簡化 (圖 4)。電池電壓採用多種非隔離式 DC-DC 轉換器直接轉換後，即可向負載直接供電。剔除動力傳動系統中的中間匯流排後，即能提高系統效率並減少電源系統的重量和成本。

圖 4：倉儲機器人 PDN 採用 48 V 電池組，剔除了中間電源匯流排，因而大幅簡化設計。(圖片來源：Vicor)

配電架構設計的考量因素

如上所示，設計人員必須多次選擇電源系統，才能對機器人適用的元件型 PDN 進行最佳化。因此不存在「一體適用」的方法。一般來說，較大型機器人可獲益於更高的電池電壓，因而配電效率也會更高，配電匯流排也會更小、更輕。

若要達到最佳的整體系統效率並將成本降到最低，採用隔離式還是非隔離式 DC-DC 轉換器便成為重要的考量因素。DC-DC 轉換器越是接近低電壓負載，則成本更低的非隔離式電源元件便越可能是最佳選擇，如此可提升整體的 PDN 效率。如果合適，採用較低成本的固定比率 (未穩壓) DC-DC 轉換器，也有助於提升 PDN 效率。

Vicor 所提供的 DC-DC 轉換器，能夠在眾多元件型配電傳輸架構中支援設計人員的需求，其中包括前述的四種架構。下文將著重討論能用於電力傳輸系統的特定元件，類似於圖 2 所示的園區和消費性產品交付機器人的所述系統。

機器人電源系統適用的 DC-DC 轉換器

DCM3623TA5N53B4T70 是 DCM 隔離式穩壓 DC-DC 轉換器的範例，可利用 100 V 電池電源產生 48 V 中間匯流排電壓 (圖 5)。這款轉換器採用零電壓切換 (ZVS) 技術，能提供 90.7% 的峰值效率和 653 W/in3 的功率密度；並且在輸入和輸出之間提供 3,000 V 的 DC 隔離能力。

圖 5：DCM3623TA5N53B4T70 隔離式穩壓 DC-DC 轉換器可利用 100 V 電池電源產生 48 V 中間匯流排電壓。(圖片來源：Vicor)

此 DCM 模組利用 Vicor 的轉換器級封裝 (ChiP) 技術中的散熱和密度優勢，提供靈活的熱管理選項，並在頂端和底部具備超低熱阻抗。ChiP 架構電源元件能讓設計人員以快速且可預期的方式，達到高成本效益的電源系統解決方案，以及前所未及的系統尺寸、重量和效率特性。

若想開始探索 DCM3623TA5N53B4T70 的功能，設計人員可以使用 DCM3623EA5N53B4T70 評估板 (圖 6)。此 DCM 評估板可進行各式啟用與故障監測機制設定，也能根據應用需求執行各種微調模式。

圖 6：DCM3623EA5N53B4T70 評估板可讓設計人員探索 DCM3623TA5N53B4T70 DC-DC 轉換器的功能。(圖片來源：Vicor)

DCM3623EA5N53B4T70 可用來以獨立配置或作為陣列模組對 DCM 進行評估。此外，還可支援對各種啟用、微調和故障監測選項進行評估：

啟用選項：

• 板載機械開關 (預設)
• 外部控制

微調選項：

• 固定微調作業 (預設)：允許 TR 引腳於初次啟動時浮動。DCM 停用輸出微調功能，輸出微調經編程設定為標稱額定 VOUT。
• 可變式微調作業，板載可變電阻：微調引腳電壓成比例，變阻器則是按照 DCM 內部上拉電阻上拉至 VCC 的方向運作。
• 可變式微調作業，板外控制：微調引腳電壓控制是透過外部編程控制完成，並參考系統內每個特定 DCM 的 –IN。

故障監測選項：

• 板載 LED：FT 引腳可驅動視覺 LED，提供故障狀態的視覺回授。
• 板載光耦合器：FT 引腳可驅動板載光耦合器，使故障狀態得以穿越一次與二次隔離邊界。

Vicor 的 PI3740-00 升降壓 DC-DC 轉換器可針對 LED 泛光燈和高解析度 (HD) 攝影機，分別提供 44 V 和 24 V 的電力。這是一款高效率的 ZVS 轉換器，具有寬廣的輸入與輸出範圍。此款高密度系統級封裝 (SiP) 整合了控制器、電源開關及支援元件 (圖 7)。其峰值效率高達 96%，輕負載效率也很高。

圖 7：PI3740-00 升降壓 DC-DC 轉換器 SiP 可供電給園區和交付機器人 PDN 內部的 LED 泛光燈和高解析度攝影機。(圖片來源：Vicor)

PI3740-00 需要外接式電感、分阻器及最少的電容，以打造完整的升降壓穩壓器。1 MHz 切換頻率能縮減外部濾波元件的尺寸、提高功率密度，並且能快速地動態回應線路和負載的暫態。

為了使用 PI3740-00 開始設計，Vicor 推出的 PI3740-00-EVAL1 可在恆定電壓應用中評估 PI3740-00，其中 V_OUT 高於 8 V。此板件的工作輸入電壓介於 8 至 60 V DC，並支援高達 50 V DC 的輸出電壓。此評估板的特點包括：

• 輸入與輸出接片可用於電源和負載連接
• 提供位置用以放置通孔式輸入鋁質電解電容
• 輸入源濾波器
• 示波器探針插孔可進行準確的高頻輸出與輸入電壓測量
• 訊號引腳測試點及電線連接器
• Kelvin 電壓測試點與插槽適用於所有 PI3740 引腳
• 跳接線可選的高側／低側電流感測
• 跳接線可選的浮動電壓

最後，Vicor 的 PI3526-00-LGIZ 降壓穩壓器可為 PDN 中的電腦及無線子系統提供 12 V 的電力 (圖 8)。此款 DC-DC 轉換器提供的效率高達 98%，可支援使用者可調式軟啟動與追蹤功能，其中包括快慢電流限制功能。這些 ZVS 穩壓器在 SiP 配置中整合了控制器、電源開關及支援元件。

圖 8：Vicor 的 PI3526-00-LGIZ 降壓穩壓器可為園區和交付機器人 PDN 中的電腦及無線子系統提供 12 V 的所需電力。(圖片來源：Vicor)

Vicor 的 PI3526-00-EVAL1 評估板可進行設定，以便在獨立式配置或遠端感測配置中使用 PI3526-00-LGIZ 降壓穩壓器進行試驗。所提供的插槽有助於快速地探測及放置大容量輸入電容。評估板可提供接片、底層香蕉插孔覆蓋區進行輸入和輸出連接、訊號連接器和測試點，以及 Kelvin-Johnson 插孔進行準確的電源節點電壓測量。

結論

隨著負載量、視覺辨識和使用者功能增加了機器人的複雜性，機器人系統的電源轉換需求也變得越來越艱鉅。無論在尺寸、效率、重量還是可擴充性上，現有的電源解決方案都會受制於效能限制，因此較不適合機器人應用。針對機器人應用，設計人員可以轉用元件型配電傳輸架構，來驅動馬達、CPU 和其他系統。

如本文所示，此種方法能打造出更輕量的電源系統，進一步提升電池供電機器人的效能增益。此外，系統彈性也獲得加強，因為電源轉換元件能以並聯方式連接，在功率需求增加時方便擴充，同時能將相同的電源架構部署於不同尺寸的機器人系統平台上。

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