【導讀】制造業(yè)已經(jīng)發(fā)展了200多年。工業(yè)4.0是第四次工業(yè)革命，其重點(diǎn)在于互聯(lián)互通、自動(dòng)化、機器學(xué)習和實(shí)時(shí)數據處理。隨著(zhù)各種制造業(yè)都在向工業(yè)4.0邁進(jìn)，為了保持競爭力并降低制造成本，制造商正致力于為工廠(chǎng)投入更多的設備，同時(shí)削減員工數量。

制造業(yè)已經(jīng)發(fā)展了200多年。工業(yè)4.0是第四次工業(yè)革命，其重點(diǎn)在于互聯(lián)互通、自動(dòng)化、機器學(xué)習和實(shí)時(shí)數據處理。隨著(zhù)各種制造業(yè)都在向工業(yè)4.0邁進(jìn)，為了保持競爭力并降低制造成本，制造商正致力于為工廠(chǎng)投入更多的設備，同時(shí)削減員工數量。

圖1.制造業(yè)的發(fā)展

制造商正致力于在其工廠(chǎng)（即亞馬遜配送倉庫和裝配線(xiàn)）和倉庫中大力投資先進(jìn)的移動(dòng)機器人技術(shù)，來(lái)承擔大部分的材料建造、組裝和運輸工作。然而，這些移動(dòng)機器人必須定期充電，這對工業(yè)工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)日益嚴峻的挑戰。如今，無(wú)線(xiàn)充電空間做出了一些改進(jìn)，讓這些機器人變得更加靈活，從而提高了工廠(chǎng)的制造能力和效率。隨著(zhù)組件選擇、線(xiàn)圈設計和電路板布局的正確結合，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)正日益成為制造業(yè)的變革者，并且正在影響整個(gè)經(jīng)濟。

無(wú)線(xiàn)充電的工作原理

最新的無(wú)線(xiàn)充電解決方案采用了基于電磁感應原理的技術(shù)。當交流電通過(guò)發(fā)送器側的感應線(xiàn)圈時(shí)，會(huì )產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)。當此振蕩磁場(chǎng)與接收器側的感應線(xiàn)圈耦合時(shí)，接收器側線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生交流電（見(jiàn)圖2）。

圖2.借助感應式無(wú)線(xiàn)充電，無(wú)線(xiàn)充電解決方案的接收器側線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生交流電

無(wú)線(xiàn)充電系統需要許多組件，包括發(fā)送器線(xiàn)圈、調諧電容、線(xiàn)圈驅動(dòng)器和接收器線(xiàn)圈。其他組件還包括二極管整流器、直流-直流轉換器、發(fā)送器和接收器控制電路及算法，以及電池充電電路。

在下面給出的示例中，無(wú)線(xiàn)充電系統借助電磁感應，能夠將電能從安裝在工廠(chǎng)車(chē)間的充電源墊傳輸到安裝在移動(dòng)機器人上的接收墊。

圖3.工廠(chǎng)車(chē)間移動(dòng)機器人的無(wú)線(xiàn)充電

工廠(chǎng)車(chē)間無(wú)線(xiàn)充電的優(yōu)勢

出于多種原因考量，采用更高效率和成本優(yōu)化組件的現代無(wú)線(xiàn)充電系統經(jīng)過(guò)驗證，已成為工廠(chǎng)設置的變革者。首先，它可通過(guò)多種方式提高生產(chǎn)力并降低制造成本。它可通過(guò)機會(huì )充電（即利用空閑時(shí)間充電）實(shí)現連續操作，并減少投資，因為機器人支持多種用途，從而用于不同的操作。此外，還減少了人為干預，因為充電過(guò)程可以自動(dòng)化，同時(shí)還降低了維護成本，因為無(wú)需使用連接器和電纜等，從而實(shí)現完全非接觸式解決方案。

其次，這類(lèi)充電系統還提高了安全性。它們消除了因連接器導致的火花及其內部污染或水分引起的短路的風(fēng)險。其他安全優(yōu)勢包括：這些解決方案能夠可靠地檢測發(fā)送器和接收器線(xiàn)圈之間的金屬碎片和其他異物。此外，充電器和機器人之間可輕松實(shí)現安全驗證，從而避免未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)，并且充電期間的數據傳輸可用于預測性維護以防止停機。其他優(yōu)勢包括：與有線(xiàn)充電系統相比，無(wú)線(xiàn)充電系統在工廠(chǎng)車(chē)間的維護和清潔要容易得多。這是完全自動(dòng)化工廠(chǎng)的重要貢獻者，可最大限度地減少人為干預，并可防止員工間傳播傳染?。ㄈ鏑OVID-19），從而有助于營(yíng)造更安全的環(huán)境。

克服無(wú)線(xiàn)充電實(shí)現挑戰

考慮到無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的優(yōu)勢，在潛力工廠(chǎng)設置中采用這項技術(shù)將制造業(yè)提升到一個(gè)新的水平，并解決困難的生產(chǎn)挑戰。然而，無(wú)線(xiàn)充電也存在一些挑戰。這些挑戰包括：與傳統有線(xiàn)充電相比，需要相對較高的投資來(lái)建造無(wú)線(xiàn)充電基礎設施，而且還存在相對較低的效率和EMI問(wèn)題。如果發(fā)送器和接收器線(xiàn)圈之間有異物，也會(huì )存在與過(guò)熱相關(guān)的安全問(wèn)題。BOM成本管理和組件選擇尤其重要。

在無(wú)線(xiàn)電源發(fā)送器中，大功率無(wú)線(xiàn)電源系統中開(kāi)關(guān)電流的關(guān)鍵回路包括功率開(kāi)關(guān)、諧振電容和線(xiàn)圈。此回路涉及高電壓、高電流和高開(kāi)關(guān)頻率。這種高功率無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統中的PCB布局、組件布局和布線(xiàn)會(huì )影響效率、EMI性能和散熱，進(jìn)而影響系統性能和可靠性。由于線(xiàn)圈存在制造可變性，線(xiàn)圈參數變化也會(huì )帶來(lái)挑戰。線(xiàn)圈之間的變化可能導致產(chǎn)品之間存在差異，從而導致行為不一致和現場(chǎng)性能不可靠。

雖然通用器件可用于構建無(wú)線(xiàn)充電解決方案，但其性能無(wú)法達到與固定功能替代品相同的水平。根據組件選擇和電路板布局決策，解決方案的成本和效率也會(huì )有所不同?？梢岳迷S多方法來(lái)優(yōu)化目前的無(wú)線(xiàn)充電解決方案。

構建優(yōu)化的解決方案

固定功能器件用于優(yōu)化無(wú)線(xiàn)充電解決方案，這樣便能應對在高功率水平下實(shí)現安全、可靠、高效的無(wú)線(xiàn)電源這一挑戰。優(yōu)化此解決方案的發(fā)送器和接收器電路是一個(gè)重要步驟，這種電路運行高度專(zhuān)業(yè)化的通信、功率控制和異物檢測（FOD）算法。這些算法基于大量的研發(fā)和多項授權專(zhuān)利。

理想情況下，無(wú)線(xiàn)充電解決方案中應采用帶內通信，這有助于消除帶外通信方案所增加的系統成本。尋找約100 kHz范圍內的電力傳輸頻率。應使用驅動(dòng)發(fā)送器中全橋逆變器的PWM的可變頻率和可變占空比控制來(lái)執行功率控制。在高功率水平下，FOD變得至關(guān)重要。采用這種方法時(shí)，電力傳輸會(huì )短暫停止幾微秒，并使用解決方案的高性能外設和內核測量線(xiàn)圈電壓。當輸出FET關(guān)閉時(shí)，可通過(guò)計算線(xiàn)圈電壓的斜率來(lái)檢測是否存在異物。

選擇解決方案的所有組件（包括控制器、FET、穩壓器和線(xiàn)圈）時(shí)，必須使成本符合總系統預算，這可能需要包含高端金屬觸點(diǎn)，以確保在潮濕或灰塵環(huán)境中的可靠性。解決方案的效率取決于功率控制方案和最佳線(xiàn)圈設計。一個(gè)示例是Microchip的WP300解決方案，其設計在超過(guò)100W的負載下可實(shí)現超過(guò)90%的效率。此效率是從發(fā)送器的直流輸入到接收器的穩壓直流輸出測得的。該解決方案可在12-36V DC的輸入電壓下工作，并且可以在接收器側調節到類(lèi)似的電壓范圍。

在基于WP300的參考解決方案中，PCB布局、組件布局和PCB層疊已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現最佳性能。在設計PCB時(shí)，已確保數字部分、模擬部分和電源部分彼此隔離，這樣便可最大限度地減少噪聲耦合。

除了降低開(kāi)關(guān)頻率外，還可在發(fā)送器中使用適當的控制方法和優(yōu)化使用去耦電容來(lái)降低開(kāi)關(guān)噪聲，進(jìn)而減輕EMI問(wèn)題。去耦電容可降低開(kāi)關(guān)噪聲耦合，但會(huì )增加損耗，從而導致熱耗散增加和效率損失。為優(yōu)化設計，這些權衡的評估至關(guān)重要。

線(xiàn)圈參數可在生產(chǎn)線(xiàn)上組裝時(shí)進(jìn)行校準。這種解決方案的優(yōu)勢在于，可在產(chǎn)品測試期間將線(xiàn)圈校準數據寫(xiě)入WP300TX IC，從而實(shí)現整個(gè)產(chǎn)品的一致操作和可靠性能。最后，為在發(fā)送器和接收器之間創(chuàng )建1:1配對，可在帶內包含安全通信，以確保只有經(jīng)過(guò)發(fā)送器驗證的接收器才能獲得供電。圖4包含經(jīng)優(yōu)化可提供這些功能的300W發(fā)送器控制器和300W接收器控制器的框圖。

300W發(fā)送器

300W接收器

圖4.已針對無(wú)線(xiàn)充電進(jìn)行優(yōu)化的發(fā)送器和接收器電路框圖

系統開(kāi)發(fā)人員應與可提供使用其無(wú)線(xiàn)充電解決方案的詳細指南的供應商合作，具體包括組件選擇、線(xiàn)圈設計和電路板布局的指南。供應商還應提供分步指導，以確保最終產(chǎn)品能夠無(wú)縫執行。借助這種方法，開(kāi)發(fā)人員可節省時(shí)間、降低風(fēng)險并簡(jiǎn)化其無(wú)線(xiàn)充電器設計，從而充分履行電磁感應技術(shù)的承諾，同時(shí)提高生產(chǎn)力、降低制造成本并提高安全性。

（來(lái)源：與非網(wǎng)）

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