智能制造的市場前景及技術發展

　在極端環境中工作

　　在工業環境中，溫度很難控制，這是因為通過以太網連接的電機和機器人通常必須在非常高的溫度下焊接金屬，此外，工廠的建筑結構也造成了難以提供良好的通風條件。為滿足工業環境的需求，PHY必須被設計成在很寬的溫度范圍內能夠發揮出其額定性能。例如，工業以太網PHY應能夠在-40至85℃的溫度范圍內工作，可承受125℃的最大結溫，即使環境溫度持續數小時高溫也能保持性能不變。

　　除了在高溫下工作，PHY還應能承受高壓浪涌。機械設備有時會突然聚積電荷，損壞部件并導致工業系統出現故障。通過增強靜電放電(ESD)保護電路，PHY可以適當保護工業環境免受電荷波動的破壞。

　　在工業環境中實現高性能以太網的另一個挑戰是實時應用，實時應用對延遲有非常嚴格的限制。在線性菊花鏈拓撲中，每個節點的延遲要非常小，才能保證整個網絡滿足快速請求和響應周期時間要求。為滿足工業網絡的實時要求，PHY應具備低延遲和確定性延遲特性。在菊花鏈下，低延遲能實現更快的響應，而確定性延遲可以實現跨網絡單元的精確定時同步。與未經優化的方案相比，優化后的PHY能夠將延遲降低30%至40%，從而提高了效率和效能。

　　滿足不斷增長的網絡速度要求也是工業PHY的一個關鍵特性。雖然百兆的速度足以滿足當今大多數工廠應用的需求，但是要求能夠支持千兆電接口的需求越來越多。由于工業設備和網絡的安裝成本很高，因此建議PHY設備能夠支持高達千兆的網絡速度要求，以適應未來的解決方案。

　　工業解決方案的現狀和未來

　　工廠變得更加智能，更加網絡化，一些行業專家認為正在出現第四次工業革命。然而，隨著不斷出現的工業創新，很顯然，在工廠中維持高性能互聯將變得愈發重要。連接延遲、中斷或故障有可能使生產減緩甚至停產，從而導致收入損失。不受惡劣工廠條件影響的硬件連接對于工業網絡的實現是非常有價值的。

　　Marvell的88E1512P、88E1510Q和88E1548P PHY系列產品專為滿足實時工業以太網的嚴格要求而設計，可用于千兆獨立和交換系統的快速開發和部署。Marvell的PHY系列解決方案提供增強ESD保護、低延遲和確定性延遲特性，并具備在擴展溫度范圍內工作的能力，保證了工業網絡能夠長期保持性能穩定。Marvell的收發器符合1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T標準，滿足了工廠當前和未來的網絡速度要求。該系列還支持采用了新一代MAC的節能以太網(EEE，Energy Efficient Ethernet)。這系列PHY產品提供48管腳、56管腳QFN封裝或196管腳TFBGA封裝，以及各種主機接口選擇，例如RGMII、MII和SGMII。 Marvell還提供配合PHY產品系列的Prestera?和Link Street? 交換機芯片和ARMADA 嵌入式系統芯片。

印刷型電子產品成為當下趨勢

　　柔性混合電子學(FHE)

　　Molex公司GIG工業部高級銷售工程師 Linda Shan認為，智能制造領域當前的一個主要趨勢就是印刷型電子產品，該產品在微型化醫療設備的設計方面可以帶來巨大的優勢，對于可穿戴診斷設備尤其明顯。印刷型電子產品還可作為一種“智能”并且經濟節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、環境和生化上的監控，與傳統電路相比，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的部署。該解決方案還特別適用于包含了智能手表、運動腕帶和智能手機在內的、采用越來越多傳感器的產品，這類產品正在集成到已經高度復雜的各種設備當中。

　　最終產品的靈活性已經被證明是對于多種應用的一項關鍵需求，在智能制造方面開辟了一個新的領域，即所謂的柔性混合電子學(FHE)。FHE適用于日益受物聯網/工業物聯網中對傳感器陣列的需求而推動的傳感器監控功能，以及健身跟蹤和醫療監控功能。此外，智能制造下的FHE還可應用于各種大型結構的傳感器，范圍從航空器和地面交通工具一直延伸到惡劣環境下的輕量級加固傳感器。FHE應用還包含了農業、產品包裝以及體育器材。

　　印刷型電池和網絡通信帶來的支持

　　可穿戴電子產品以及物聯網 (IoT) 是兩個相對較新的市場，這兩個市場正在通過柔性混合電子學(FHE)推動著智能制造業的發展。FHE技術可以帶來各種設備，整合起無線連接、傳感器陣列通信、觸摸界面和語音界面，以及使用創新性封裝技術、在尺寸更小的柔性基板上實現組件部署的低功率操作。

　　在這種智能制造當中，電池自身也成了印刷型產品。比如說，Enfucell就是在印刷型電池設計領域的先驅。Molex 現已簽訂了一份全球性許可協議來制造Enfucell的SoftBattery?電源。這使得Molex可以更好地服務于使用印刷型電池為傳感器陣列供電的、不斷增長的市場。

　　智能制造已經以工業4.0和工業物聯網的形式開始蓬勃發展，而網絡通信解決方案供應商可以為這一過渡過程提供支持。Molex與遠程維護和網絡安全產品及解決方案的制造商MB Connect Line GmbH達成一項協議，使得他們共同致力于向復雜機械設備的制造商以及自動化的提供商提供對數據和網絡的高度安全可靠的遠程訪問能力。

　　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勢。這樣可在微型化醫療設備的設計過程中提供一項主要的優勢。Soligie?印刷型電子傳器感設計采用了低成本的基板，在其上可以使用導電銀墨來形成電路，從而添加組件;同時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。本產品適用于傳感器、電池、LED 和其他無源裝置的集成，與傳統的電路相比總成本更低，可實現小尺寸、高靈活性的一體化傳感器解決方案。

　　Molex新開發的Brad? IP67解決方案智能制造產品組合。這種工業通信下的開放標準協議基于IO-Link技術，可以通過PROFINET將小型傳感器和執行器連接到網絡。采用菊花鏈布線拓撲結構，集成的2端口交換機可達到100 Mbps的全雙工數據傳輸速率，在為應用布線的過程中無需使用交換機，為機器的制造商降低總成本。短路保護、介質冗余協議(MRP)、網絡服務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，可簡化設備的操作。

電池技術的發展與應用

　　電池技術在各領域中的發展

　　在傳統的航空航天應用中，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，例如GaN功放的應用，能使得系統性能大幅提高，也因此對電源提出了更高要求，不僅要求功率密度，還對產品的高度提出了苛刻要求。

　　新能源汽車一直是Vicor重點關注的領域，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改成純電系統。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性的技術指標。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標準，MIMO將得到更廣泛的應用。無線產品板上供電系統將有所改變，功率會更大，而產品的體積不會變大，直接從高輸入電壓轉換到目標電壓是目前關注焦點。

　　近幾年，各種電池技術的發展與應用非常迅速，如采用電池作為動力源的自動化搬運機器人、為電路系統供電的測試設備等，這些產品提高了工廠自動化產線的生產效率。而高效、輕便的電源管理方案能延長電池的工作時間。由于電池電壓的波動，采用高效升降壓轉換器穩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成為各制造企業追求的目標。在該目標下，電源技術一直圍繞著提升效率和密度在發展，效率和密度提升了，單位功率的成本就降下來了。在發展過程中出現了新的材料，新的技術和新的封裝。例如，SiC、GaN寬禁帶材料經過這幾年的發展，已經開始應用于越來越多的電源系統中，產生了良好的效應。無線充電技術的應用給工業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匯報給管理系統，并且根據系統需要做動態調整。

　　Vicor的ChiP平臺及升降壓技術

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

　　Vicor具有非常好的升降壓技術，能夠把輸入電壓范圍擴展寬，兼容非常高的輸入比，可以支持傳統汽車、新能源汽車、醫療設備和其他電池供電設備等應用。其中降壓芯片PI352x系列芯片采用ZVS技術，可以支持高輸入輸出電壓差。在典型的5G通訊應用中，從48V轉5V，20A輸出，轉換效率超過93%。今年還將推出全新電源架構的穩壓隔離產品，功率密度將數倍于現有Vicor的產品。

參考文獻：

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