智能制造的市场前景及技术发展

　在极端环境中工作

　　在工业环境中，温度很难控制，这是因为通过以太网连接的电机和机器人通常必须在非常高的温度下焊接金属，此外，工厂的建筑结构也造成了难以提供良好的通风条件。为满足工业环境的需求，PHY必须被设计成在很宽的温度范围内能够发挥出其额定性能。例如，工业以太网PHY应能够在-40至85℃的温度范围内工作，可承受125℃的最大结温，即使环境温度持续数小时高温也能保持性能不变。

　　除了在高温下工作，PHY还应能承受高压浪涌。机械设备有时会突然聚积电荷，损坏部件并导致工业系统出现故障。通过增强静电放电(ESD)保护电路，PHY可以适当保护工业环境免受电荷波动的破坏。

　　在工业环境中实现高性能以太网的另一个挑战是实时应用，实时应用对延迟有非常严格的限制。在线性菊花链拓扑中，每个节点的延迟要非常小，才能保证整个网络满足快速请求和响应周期时间要求。为满足工业网络的实时要求，PHY应具备低延迟和确定性延迟特性。在菊花链下，低延迟能实现更快的响应，而确定性延迟可以实现跨网络单元的精确定时同步。与未经优化的方案相比，优化后的PHY能够将延迟降低30%至40%，从而提高了效率和效能。

　　满足不断增长的网络速度要求也是工业PHY的一个关键特性。虽然百兆的速度足以满足当今大多数工厂应用的需求，但是要求能够支持千兆电接口的需求越来越多。由于工业设备和网络的安装成本很高，因此建议PHY设备能够支持高达千兆的网络速度要求，以适应未来的解决方案。

　　工业解决方案的现状和未来

　　工厂变得更加智能，更加网络化，一些行业专家认为正在出现第四次工业革命。然而，随着不断出现的工业创新，很显然，在工厂中维持高性能互联将变得愈发重要。连接延迟、中断或故障有可能使生产减缓甚至停产，从而导致收入损失。不受恶劣工厂条件影响的硬件连接对于工业网络的实现是非常有价值的。

　　Marvell的88E1512P、88E1510Q和88E1548P PHY系列产品专为满足实时工业以太网的严格要求而设计，可用于千兆独立和交换系统的快速开发和部署。Marvell的PHY系列解决方案提供增强ESD保护、低延迟和确定性延迟特性，并具备在扩展温度范围内工作的能力，保证了工业网络能够长期保持性能稳定。Marvell的收发器符合1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T标准，满足了工厂当前和未来的网络速度要求。该系列还支持采用了新一代MAC的节能以太网(EEE，Energy Efficient Ethernet)。这系列PHY产品提供48管脚、56管脚QFN封装或196管脚TFBGA封装，以及各种主机接口选择，例如RGMII、MII和SGMII。 Marvell还提供配合PHY产品系列的Prestera®和Link Street® 交换机芯片和ARMADA 嵌入式系統芯片。

印刷型电子产品成为当下趋势

　　柔性混合电子学(FHE)

　　Molex公司GIG工业部高级销售工程师 Linda Shan认为，智能制造领域当前的一个主要趋势就是印刷型电子产品，该产品在微型化医疗设备的设计方面可以带来巨大的优势，对于可穿戴诊断设备尤其明显。印刷型电子产品还可作为一种“智能”并且经济节省的方式来提供小尺寸、高柔性的集成传感器解决方案，理想用于生理、环境和生化上的监控，与传统电路相比，总成本要低得多。这种新一代的多功能、高灵活性传感器解决方案适合超移动空间内的部署。该解决方案还特别适用于包含了智能手表、运动腕带和智能手机在内的、采用越来越多传感器的产品，这类产品正在集成到已经高度复杂的各种设备当中。

　　最终产品的灵活性已经被证明是对于多种应用的一项关键需求，在智能制造方面开辟了一个新的领域，即所谓的柔性混合电子学(FHE)。FHE适用于日益受物联网/工业物联网中对传感器阵列的需求而推动的传感器监控功能，以及健身跟踪和医疗监控功能。此外，智能制造下的FHE还可应用于各种大型结构的传感器，范围从航空器和地面交通工具一直延伸到恶劣环境下的轻量级加固传感器。FHE应用还包含了农业、产品包装以及体育器材。

　　印刷型电池和网络通信带来的支持

　　可穿戴电子产品以及物联网 (IoT) 是两个相对较新的市场，这两个市场正在通过柔性混合电子学(FHE)推动着智能制造业的发展。FHE技术可以带来各种设备，整合起无线连接、传感器阵列通信、触摸界面和语音界面，以及使用创新性封装技术、在尺寸更小的柔性基板上实现组件部署的低功率操作。

　　在这种智能制造当中，电池自身也成了印刷型产品。比如说，Enfucell就是在印刷型电池设计领域的先驱。Molex 现已签订了一份全球性许可协议来制造Enfucell的SoftBattery®电源。这使得Molex可以更好地服务于使用印刷型电池为传感器阵列供电的、不断增长的市场。

　　智能制造已经以工业4.0和工业物联网的形式开始蓬勃发展，而网络通信解决方案供应商可以为这一过渡过程提供支持。Molex与远程维护和网络安全产品及解决方案的制造商MB Connect Line GmbH达成一项协议，使得他们共同致力于向复杂机械设备的制造商以及自动化的提供商提供对数据和网络的高度安全可靠的远程访问能力。

　　Molex智能制造解决方案

　　Molex的Soligie®印刷型电子传器感具备在塑料、纸质以及金属箔之类柔性基板上制作组件和互连功能的全部优势。这样可在微型化医疗设备的设计过程中提供一项主要的优势。Soligie®印刷型电子传器感设计采用了低成本的基板，在其上可以使用导电银墨来形成电路，从而添加组件;同时还采用了高精度的卷对卷(R2R)高速印刷工艺，完全等效于铜电路的性能，可以减少制造工艺、使用的材料，并降低成本。本产品适用于传感器、电池、LED 和其他无源装置的集成，与传统的电路相比总成本更低，可实现小尺寸、高灵活性的一体化传感器解决方案。

　　Molex新开发的Brad® IP67解决方案智能制造产品组合。这种工业通信下的开放标准协议基于IO-Link技术，可以通过PROFINET将小型传感器和执行器连接到网络。采用菊花链布线拓扑结构，集成的2端口交换机可达到100 Mbps的全双工数据传输速率，在为应用布线的过程中无需使用交换机，为机器的制造商降低总成本。短路保护、介质冗余协议(MRP)、网络服务器以及可视的诊断用LED指示灯之类的高级模块功能便于使用，可简化设备的操作。

电池技术的发展与应用

　　电池技术在各领域中的发展

　　在传统的航空航天应用中，对电源的可靠性、效率、重量和体积的要求从未降低。这些年来在航空航天中新型电子材料的出现，例如GaN功放的应用，能使得系统性能大幅提高，也因此对电源提出了更高要求，不仅要求功率密度，还对产品的高度提出了苛刻要求。

　　新能源汽车一直是Vicor重点关注的领域，为了满足国家对车企的排放燃油要求，众多车企将汽油车改装成油电混合汽车，甚至直接将动力系统改成纯电系统。为了维持汽车重量尺寸不变，电源的重量、尺寸和散热性能都需要满足具有挑战性的技术指标。Vicor上一代基于ChiP的方案明显改善了新能源汽车DCDC的功率密度。

　　5G作为新一代通讯技术标准，MIMO将得到更广泛的应用。无线产品板上供电系统将有所改变，功率会更大，而产品的体积不会变大，直接从高输入电压转换到目标电压是目前关注焦点。

　　近几年，各种电池技术的发展与应用非常迅速，如采用电池作为动力源的自动化搬运机器人、为电路系统供电的测试设备等，这些产品提高了工厂自动化产线的生产效率。而高效、轻便的电源管理方案能延长电池的工作时间。由于电池电压的波动，采用高效升降压转换器稳压的电池具有更大的可用性。

　　电源的智能化

　　高效率、低成本、低能耗的绿色智能工厂已经成为各制造企业追求的目标。在该目标下，电源技术一直围绕着提升效率和密度在发展，效率和密度提升了，单位功率的成本就降下来了。在发展过程中出现了新的材料，新的技术和新的封装。例如，SiC、GaN宽禁带材料经过这几年的发展，已经开始应用于越来越多的电源系统中，产生了良好的效应。无线充电技术的应用给工业智能化的带来更多的可能。

　　智能制造也需要电源的智能化，电源的可通讯性将是未来对电源的一个基本要求。具有通讯接口的电源，可以直接将电源的各种状态汇报给管理系统，并且根据系统需要做动态调整。

　　Vicor的ChiP平台及升降压技术

　　Vicor从2013年开始将ACDC、DCDC等不同的电源架构封装在ChiP平台中，紧接着为了改善客户应用中的散热问题，将ChiP置于双面增强散热的VIA封装中。这两个已经完全量产的平台可以提供灵活的产品选型。这些产品都可以选择支持PMBus通讯接口。

　　Vicor具有非常好的升降压技术，能够把输入电压范围扩展宽，兼容非常高的输入比，可以支持传统汽车、新能源汽车、医疗设备和其他电池供电设备等应用。其中降压芯片PI352x系列芯片采用ZVS技术，可以支持高输入输出电压差。在典型的5G通讯应用中，从48V转5V，20A输出，转换效率超过93%。今年还将推出全新电源架构的稳压隔离产品，功率密度将数倍于现有Vicor的产品。

参考文献：

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　　[2]王莹.众厂商谈智能制造的技术市场动向[J].电子产品世界,2016(2-3):13-18.

　　[3]Mark de Clercq.传感器、集成和电源管理的进步推动可穿戴技术的发展[J].电子产品世界,2016(5):21-23.

　　[4]Niladri Roy.工业4.0领域中的PLC体系结构：挑战、趋势和解决方案[J].电子产品世界,2016(6):27-28.

　　[5]王莹.电机控制在白色家电、工业控制以及汽车电子中的发展与动向[J].电子产品世界,2016(7):8-12.

本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第8页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。