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经济支柱,大国重器,中国工业转型如何把握发展机遇(下)

时间:2018-08-23 作者:邵乐峰 阅读:
制造业是国民经济支柱,高端制造装备是大国重器,而结合了机器人、物联网、自动化生产线等先进技术的工业4.0,也正成为全球先进制造国家下一波的竞争焦点。

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从2016年开始,意法半导体(ST)开始更加专注并赢得汽车与物联网应用,并以此推动公司的业务增长。在ST看来,尽管物联网是一个碎片化的市场,但需求是一样的,例如数据处理与安全,需要超低功耗、强大计算能力、不同程度的安全性;感知和处理,需要各种传感器和驱动器;需要距离覆盖10cm-10km的有线/无线通信连接、纳安到千安的信号调整和保护、以及纳瓦到百万瓦的功率器件和电源管理。

以第四次工业革命为例,其特点是使用网络物理系统、通信、物联网和分散式决策,需要系统更加智能、高效、安全,并拥有更多连接。ST高级市场经理Michael KUANG认为,公司丰富的产品线正好能够提供所有关键应用的核心,包括电机驱动器、栅极驱动器、电流隔离IPS(智能电源开关)、IO-Link/sub-GHz射频芯片、环境/运动传感器等。

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ST高级市场经理Michael KUANG

在下图中,纵坐标表示 “摩尔定律”小型化趋势,可以看到芯片线宽特征尺寸在不断缩小;而在横坐标所代表的“超越摩尔定律”方面,ST拥有CMOS、BCD、MEMS、功率晶体管、分立式二极管等多重工艺/产品,通过将二者结合,ST能够向用户提供具备高附加值的SoC与SiP解决方案。典型代表包括将MCU、电气隔离、电机控制、功率晶体管组合起来,集成在标准尺寸封装中的SiP芯片,以及集成了功率晶体管和电机控制的powerSTEP芯片,功率密度可高达500W/cm2!

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 电机驱动系统级封装演变

“STSPIN”是ST集成电机驱动器产品的品牌,目前有超过125种直流有刷电机、直流无刷电机和步进电机的产品型号,除内嵌32位ARM Cortex-M0 内核的STM32F0 MCU,电压范围覆盖1.8V到80V,封装规格从超微型QFN到功率封装均可选择等突出特性外,集成数字核的可编程步进电机驱动芯片也使其精度达到了1/256微步。

可能很多人并不了解,业界第一颗将驱动器和MOSFET集中在一起的马达驱动芯片是由ST发明的。此后,根据应用领域的不同,ST逐渐将电机驱动产品分为两类:一类是将预驱动芯片和功率芯片封装在一起的POWERSTEP系列,另一类则是将MCU和预驱动集成在一起的STSPIN32F0系列。

STSPIN233和STSPIN830是Michael KUANG列举的明星产品。前者的集成度更高,工作电压范围更大,并有全套保护功能;后者的尺寸小、重量轻,能够平稳、安静地运动,效率更高,可靠性强,具有多功能控制。

而在片上电气隔离方面,ST有各种组合方案适用于传感器、接口、运动控制和电源管理领域。其独特之处在于一是有异构集成的系统级封装(SiP),可以提高系统稳健性、安全性和可靠性;二是磁隔离栅极驱动器符合UL/IEC/DVE等国际组织的标准规范。

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栅极驱动方面主要有STDrive系列栅极驱动器,可用于电动/混合汽车、1200V逆变器、服务器或UPS、压缩机、太阳能设备等。新产品有STGAP2S和STGAP2D具有电气隔离、高集成度、全套保护功能;PWD5F60具有极高的瞬态抗扰性和大电流、高效率,具有紧凑型设计和快速开关频率。

在工厂自动化电源设备方面,ST具有多种可靠性高、紧凑、成本效益高的功率分立器件。其中IGBT用于太阳能和工业泵领域,IPM- SLLIMM具有多种技术集成,产品种类丰富,高结温(175℃),可用于工厂自动化和工业空调领域,ACEPACK系列功率模块尺寸更紧凑,具有高度灵活性、可扩展性,可提高设备可靠性和生命周期,可用于机械臂、工业用驱动器、工业自动化和控制领域。

 IO-Link串连传感器大军

由于长期耕耘马达控制领域,ST认为在工业物联网时代,将传感器安装到工厂设备内的马达内并与通讯技术合为一体,使传感器数据可向上层管理系统传送,是最重要的关键所在。因此,ST专门推出了一个专注解决工业物联网架构最底层也是最末端传感器到控制器连接的标准,被称作IO-Link,可让传感器传输更多的信息到微控制器,并同时消除模拟信号易失真,无法进一步处理分析的问题。

值得注意的是,IO-Link硬件向下兼容亚洲Low side和欧洲High side MOSFET连接电源的架构,这一特性可以让已有的工厂机器设备以“最少的变化”实现传感器与可程序逻辑控制器(PLC)架构的智能化,同时也不需要花费太多成本。
ST L6360和L6362A是用于数字传感器和执行器的驱动器,符合IO-Link规范,可用于PLC的I/O(输入/输出)。L6362A的特点是:1.用于IO-Link的主机和设备,以及通用型收发器。2.简单且兼容(通用):无需特殊电缆,与现有的网络完全兼容,无需现场总线;3.高功能型:高性能过程数据传输,自动参数设置和扩展诊断;4.提供错误检测和校正功能,轻松处理。
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在工厂自动化通信解决方案方面,ST有驱动、连接和接口三类产品,包括:1.支持IO-Link的系列产品,可用于工业传感器、过程控制;2. IPS系列,可用于可编程逻辑控制、工业PC外设I/O、数控机床、适用于各类负载的驱动器;3.支持KNX协议的产品可用于智能楼宇。新产品IPS4260的工作电压范围大,兼容多重标准,具有全套保护功能,支持多项工业标准;STKNX01可减少功耗,有广泛的诊断功能,具有紧凑型设计,采用磁隔离。
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 传感

ST加速度计和传感器相互契合,可进行震动监控、振动控制、环境感应(压力、湿度和温度应用),可用于机械臂、预测性维护、工业自动化和控制等。代表性产品包括IIS3DWB和LIS2DW12,前者具有3D轴–16g满标范围,数字输出,超宽带宽(最小5kHz),超低噪音,工作温度高达105℃;后者具备更低的功耗,在不同时间和温度条件下保持稳定性,尺寸小、易于组装,高性能、高精度。
根据客户的需求,ST可提供强大的产品组合,可随时连接。典型的集成产品诸如ISM330DLC 6x IMU(惯性测量单元),具有宽带宽;IIS2DH加速度计的特点是宽带宽、超低功耗;IIS2MDC磁力计是低噪音、低功耗。
预测性维护是传感器在工业环境中的典型使用案例。ST以STEVAL-IDP005V1评估板作为基准平台,通过传感、通信、MCU等多重产品用于感测机械振动、温度、电磁等工况,以提前发现异常状况。

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传统台式示波器的“终结者”

如同大哥大演变到智能手机一样,1991年成立的比克科技(Pico Technology)将传统台式示波器演变到了比克示波器(PicoScope),一个可以装到口袋里的紧凑型设备包含了多达6种仪器的功能:示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、任意波形发生器、函数发生器、串行总线分析仪,而且还具备USB 3.0接口高速传输数据、2GS深存储深度、16位ADC分辨率、8位到16位可调ADC分辨率、8通道12位ADC分辨率、通道隔离、自定义示波器功能等领先指标。

Pico Technology市场经理胡为东对传统台式示波器与PC(USB)示波器的原理架构进行了比较。下图中,传统台式示波器主要包含有四个功能模块:采集、显示、测量与分析以及存档。其中采集模块包含了示波器中最为关键的几个核心部件:前端模拟放大器、模数转换器ADC、采集存储器,这几个部件也决定了数字示波器的几大核心指标:模拟带宽、采样率和存储深度,近年来ADC的分辨率位数也越来越受到重视,逐渐成为了各示波器厂家所追求的另一大产品核心指标,目前主要的示波器厂家都发布了其10bit或者更高精度ADC的示波器。

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除了采集模块外,传统台式示波器的另外三大模块主要是由仪器中集成的PC完成的。在传统的台式示波器中,采集板采集到数据后通过总线传输给电脑主板进行显示、测量与分析以及存档,采集板和电脑板通常是通过PCI或者PCIE总线进行互连和数据传输的。

而PC示波器本质就是上一框图中的采集部分,也就是说PC示波器将示波器中最为核心的部分剥离了出来,形成一个独立的设备,与外部的PC配合使用,通过USB总线接口在PC示波器和外部PC之间传输数据。这样做的好处是可以将传统台式示波器的核心部件做得更加紧凑,在有限的空间里实现更加强大的性能,使得示波器的各项指标也可以做得更加优秀;同时,外部的PC配置相较于传统的台式示波器尤其是便携式台式示波器会更加强大,这就使得PC仪器看上去非常小巧紧凑,然而功能上却更加智能和强大,相较于传统的台式示波器能够做得更多、更好和更加便宜。
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Pico Technology市场经理胡为东

胡为东认为,相比传统台式示波器,PC示波器在以下几方面极具优势:

1、小巧,口袋型尺寸,USB供电

PC示波器只有手掌或者口袋尺寸大小,非常方便携带,可直接由USB接口进行供电,是出差使用和外场测试的最理想选择。

2、更大和更高分辨率的显示器

用户很容易就能够为PC示波器配置一台带有大显示屏和高分辨率显示屏的电脑,而且可以根据需要灵活选择外部的电脑。有助于他们从多种角度观察和分析信号,如可同时清晰的显示一个信号的时域波形、频谱波形、逻辑波形、局部放大细节、解码信息或多个波形在多栅格中同时显示等。

3、可借助于最新最强大的PC处理器

PC示波器可以借助最新最强大的外部PC,从而兼得了便携特性和高性能示波器才具备的强大功能,而且价格要便宜得多。

4、更好的连接性

使用PC示波器时,所有的测试结果、数据、图片、设置等信息都在电脑上,避免了过去使用传统台式示波器还需要通过U盘等工具将测试结果导到个人电脑上进行进一步分析和报告的撰写,节省了时间,提升了效率。

5、更好的升级性能

PC示波器可以非常容易的通过升级外接的PC电脑实现性能的升级,也可以通过升级应用软件实现功能的提升。

除了具备PC示波器所具备的优点外,PicoScopes还具备一系列更多的优点:例如任意一款PicoScope都具有最深的存储深度,即使最低系列的2000系列口袋型示波器的存储深度也可达到128MS;16位高分辨率;行业唯一4路真实差分输入高分辨率;最多通道高分辨率;标配的函数发生器&AWG功能;高级函数功能等等。

在下图的电源分布网络监控设备系统中,共集成有6台8通道的PicoScope 4824和2台4通道的PicoScope 6000,共实现了多达56通道的信号测试和数据采集,整个系统依然非常紧凑,这是使用传统台式示波器难以实现的。该OEM系统用于实时监测和同步采集高达380 KV的电源分布网络中关于电源连接的数据,并完成用户自定义的参数测量。多套系统分布在超过40KM外的多个位置,各个系统通过光纤进行互连,每个系统包括传感器、放大器、PicoScopes、触发逻辑电路。采集到的数据会由用户自定义的程序进行分析,PicoScope示波器支持基于SDK及多种编程语言如C,C++,Python,Delphi,Matlab,Labview等进行自定义应用开发。

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