服務型機器人是高度複雜的系統，其中強調設計日趨精巧的極限，以及高效率和可靠性。這類機器人不但尺寸小，技術參數和要求也同樣嚴格。能源效率、續航力長的電池、小巧外型和出色的硬體熱管理，是機器人設計滿足及超越使用者期望的關鍵。如果考量軟體元件，連線服務型機器人資料保護、驗證及授權也是消費者最重視的項目。機器人專案成功與否，往往取決於所需半導體解決方案的可用性和擴充性。本文將探討不同機器人驅動器技術的使用案例和優點，其中特別關注MOSFET、封裝和高切換頻率解決方案，如氮化鎵(GaN)。
服務型機器人常見系統架構
在大多數情況下，最常見的機器人架構包括中央處理器(CPU)、電源/電池管理單元、電池充電器、無線通訊(COM)模組、人機介面(HMI)、感測器和驅動模組(有刷和無刷馬達)。部分機器人並沒有本文探討的所有元件，但以上架構仍可作為良好的系統概述。
主CPU是中樞大腦，執行大部分的系統智慧功能。此處理器負責系統協調，以排程獨立的方式命令不同模組執行工作。其餘模組則執行指令，並將狀態回報主CPU(圖2)。
大多數服務型機器人都是以電池驅動，以便靈活運動。這類機器人採用內建充電器，可直接連接交流電網。在這類情況下，機器人內部包含充電器，以產生高電壓DC位準，並由電源管理單元進一步繼續處理。無線充電功能是這項應用的新興趨勢，特別是需要連續工作的機器人，因為無線充電可讓機器人一邊充電一邊運作。
如前所述，現今大多數機器人系統為電池驅動，因此電源/電池管理單元在架構中相當普遍。電池管理單元負責處理電池的整體狀況(包括健康狀態和安全)，同時也提供保護，避免受系統過壓或過電流影響。在電池模組中，安全性(包括身分驗證)是需要考慮的關鍵因素。電池也仰賴通用微控制器實作輔助功能，例如電池系統的計量或監控。除電池管理單元外，電源管理單元以穩定方式為其餘模組控制所需的電壓軌(12V、5V或3.3V)，向機器人內部的不同元件供電。其中可以採用固定或可調整的降壓轉換器控制器，或使用線性穩壓器。
機器人配備無線通訊模組，能夠與其他機器人或控制單元等系統互連，即時指揮完整的機器人隊。通訊通常採用Wi-Fi或藍牙技術。在許多情況下，本機控制器負責通訊程序，作為機器人主控制器和外部世界之間的閘道。
越來越多機器人與人類有一定程度的互動。簡單的顯示器或甚至高解析度顯示器可實現人機介面，但LED燈也可用於向使用者提供資訊或反饋。一旦機器人具備足夠智慧，能夠透過語言與使用者互動，因此需要語音輸入及輸出裝置。
此外，服務型機器人設計可以考慮採用不同類型的感測器。驅動器通常會採用位置感測器(霍爾感測器、編碼器)、速度、角度或電流感測器。如果機器人需要精確瞭解其環境，就需要更多類型的感測器，例如用於運動感測的雷達感測器(距離和方向)、氣壓感測器，或用於物體識別的3D影像感測器。對周圍環境的感應能力，提升了機器人的自主能力，特別是部署在擁擠倉庫等複雜環境時。
最後，驅動器模組也是常見系統架構的一部分。若需要精確定位、高速或安靜運作，設計人員將決定結合無刷DC(BLDC)馬達和一組位置感測器；或如果低效能馬達控制(慢速、低精度)足以因應需求，設計人員將選擇有刷馬達，受益於該類解決方案較低的成本。此外，也有機器人應用同時採用有刷和無刷馬達，以同時滿足效能和成本效益等目標。
簡單敘述服務型機器人背後的主要技術結構之後，接下來將揭露傳導損耗如何影響機器人整體效能，以及可用於減輕這類損耗的半導體解決方案和技術。
加強MOSFET品質因素
減少切換/傳導損耗
最佳化機器人電池壽命方法之一，就是提升機器人馬達的效率，以減少功率損耗。在馬達應用中，傳導和切換損耗都是重點。像是半導體商英飛凌(Infineon)便加強MOSFET的品質因數，其中特別重視降低MOSFET的RDS(ON)(汲極至源極導通電阻)及閘極電荷(電容)，在每代產品中盡可能降低這兩種損耗。
若視控制方法而定，便可發現不同損耗。使用同步整流時，如果電流飛輪通過其本體二極體，低側MOSFET就會導通。這大幅降低本體二極體的傳導損耗(PLoss=IF×VF)，因為新一代產品的MOSFET RDS(ON)值越來越低；不過低側二極體仍是主要的損耗來源之一。為了解決這項問題，採用整合式肖特基二極體的MOSFET，可降低正向電壓，進而將二極體功率損耗降到最低。這類產品稱為OptiMOS FD(快速二極體)，可透過字尾LSI識別，例如BSC010N04LSI。
圖3顯示功率損耗分析，於使用區塊整流PWM(6階)搭配同步整流的三相變頻器之中測量。供應電壓為18V，選擇用於比較的MOSFET為LS和LSI版本的BSC010N04。
燭光圖清楚顯示傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗，在高側(HS)及低側(LS)MOSFET都扮演重要角色。其中有三項與此有關的主要發現：
1.低側MOSFET允許軟切換，因此切換損耗可忽略不計。
2.低側二極體的傳導損耗，是迄今為止最主要的損耗來源。
3.LSI(快速二極體)版MOSFET採用整合式肖特基二極體，大約可降低25%的傳導損耗，降低幅度取決於電流位準等系統條件。
切換損耗與切換頻率密切相關。機器人變頻器的常見頻率範圍為10kHz至40kHz。切換頻率越高，損耗越大。像是英飛凌的OptiMOS解決方案提供低RDS(ON)及低電荷MOSFET，可大幅降低這兩種損耗；不過損耗不可避免，電源切換時也一定會產生熱。因此熱管理是驅動器設計的主要挑戰之一，特別是在考量小型機器人手臂等高功率密度裝置時。
DirectFET封裝(圖4)為雙側冷卻封裝，直接連接金屬封裝及內部的矽晶片，而矽晶片則直接連接底部PCB，盡可能減少外部熱阻。這類封裝有效將熱從接面傳播到PCB底部，並從頂部通過金屬封裝傳播到空氣中，或可選擇使用散熱器，因應更嚴苛的情況。此封裝除了採用較薄外型，也是空間受限設計的良好選擇。圖3顯示DirectFET和D2Pak封裝之間的熱阻比較。DirectFET熱阻(8.1℃/W)不到D2Pak(16.8℃/W)的一半。
高切換頻率驅動使馬達控制更精確
工程師在應用中使用氮化鎵(GaN)裝置具有多項優點。GaN特性包括以較低的導通電阻，提供比矽替代品更低的導通損耗，以更低電容減少切換損耗，或改善本體二極體逆復原，使其成為高切換頻率功率應用的理想選擇。提升切換頻率有助於加強驅動器效能，例如減少轉矩波動。在電源供應器等其他應用中，這項技術也用於有效縮小磁性元件尺寸。
隨著切換頻率增加，必須調整控制器。其中應考量PWM解析度，以確保完整迴路能保持所需精度。例如英飛凌便提供XMC4100系列等微控制器產品，配備高解析度PWM模組，用於此類高解析度迴路用途，特別是在切換頻率增加時。此外，切換頻率升高時，必須考量微控制器的處理能力。假設採用逐週期控制方式，就要在更短時間內完成新工作週期計算。而該公司提供的控制器產品組合，其中包含32MHz的XMC1000系列ARM-Cortex-M0，乃至於144MHz的XMC4000系列ARM-Cortex-M4F和AURIX，因應更高的功能安全及效能需求。提升控制迴路執行頻率，可以加強馬達動態，進而實現更精確的控制。
而英飛凌產品方案還包括專門用於驅動器控制計算的特殊MATH輔助處理器(包括用於三角計算的CORDIC單元和一個除法單元)。相較於標準實作，此輔助處理器可縮短XMC1000系列控制迴路的執行時間(比較硬體與軟體計算)。
圖5顯示餘弦和除法函數的執行時間比較—通常用於驅動器控制演算法，如磁場導向控制(FOC)。
傳導/切換損耗最小化 機器人開發技術再提升
工程師重視驅動器的設計參數，以便能夠開發下一代機器人解決方案和裝置。他們可以選擇不同的半導體解決方案以微調其設計。最終產品的切換頻率和熱阻等技術參數，訂定了驅動器的要求。為了建構充分最佳化的系統，設計人員必須盡可能減少傳導和切換損耗，並最佳化熱管理。
採用整合式肖特基二極體的MOSFET可降低正向電壓，進而將二極體功率損耗降到最低。工程師還可以利用DirectFET等新型封裝設計，提供最佳化熱管理。新型寬帶隙解決方案(如GaN裝置)可建立基礎，打造切換頻率更高的驅動器，在精度及占用面積等層面提供協助。
(本文作者為英飛凌科技應用工程師)
