ROBOT INDUSTRY
如果说控制器、伺服电机等关键部件是组成机器人的重要“器官”，那么半导体元器件则是支撑机器人高效运转的“细胞”。因此，当我们在探讨机器人整机性能表现时，本质上是在关注基础软硬件技术的迭代创新。在2024慕尼黑上海电子展上，德州仪器面向机器人产业带来了多项氮化镓技术产品，推动机器人智能化安全化发展。
2024年7月8日，上海发布今年第五个高温橙色预警信号，户外体感温度突破40℃。黄浦江畔，慕尼黑上海电子展（electronica China）人头攒动，等待安检入场的观众不时在烈日下排起长队。
当前，得益于机器人、智能网联汽车、光伏等新兴产业的快速崛起，半导体行业迎来了创新发展的又一个“春天”。在2024慕尼黑上海电子展上，来自全球的1600余家电子行业厂商，带来了先进的工业电子产品，吸引超7万名观众。
相较于静态陈列，集成应用的动态演示更能引人驻足。目光穿过人群，一台国产智能冰淇淋机正在有条不紊地工作，依托搭载的多款德州仪器（TI）模拟器件，机械臂实现了高效精准的自主操作，并以低噪声状态运行。近年来，中国人形机器人商业化进程加快推进，工业机器人、服务机器人应用场景持续拓展，带动产业链上下游生态日益繁荣。作为半导体领域的龙头厂商，德州仪器将中国视为全球重要的市场之一，持续深化对华合作，为机器人产业智能化安全化发展提供底层技术支持。
图1 搭载多款德州仪器（TI）模拟器件的智能冰淇淋机
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推动氮化镓引领的第三代半导体创新应用
半导体是现代科技发展的基石，而材料革新是推进半导体发展的重要驱动力。从20世纪50年代，德州仪器发明世界第一块集成电路板至今，已经过去近七十年。长期以来，工程师不断压缩集成电路的重量、体积和功耗，提高器件寿命、可靠性和运算能力，使摩尔定律得以穿过历史长河发挥效用。究其原因，除了工艺的精进，还离不开材料的更新。
随着人工智能、5G、云计算等先进技术和3C产品的快速发展，半导体的应用需求持续上涨。早期，人们曾尝试采用硅和锗制作晶体管，取代体积庞大的电子管，确立了第一代半导体的主流材料，但由于锗的耐高温和抗辐射性能较差，在20世纪60年代后期逐渐被硅基器件取代。经过数十年的发展，硅作为芯片制造的主要材料一直沿用至今。20世纪90年代，移动通信快速发展，砷化镓、磷化铟等适用于制作高性能微波、毫米波及发光器件的化合物半导体快速兴起，但由于材料稀缺、价格昂贵且具有毒性，并未得到广泛应用。近年来，机器人、智能网联汽车、光伏等新兴产业的培育壮大，对半导体材料的性能提出了新要求，以氮化镓为代表的第三代半导体成为行业关注的焦点。
相比于硅，氮化镓的禁带宽度更大、临界场强更高，具有耐高压、抗辐射、导通电阻低、寄生参数小等优异特性，可以有效降低能量损耗，压缩装备体积，常见的电子设备快速充电器就是氮化镓半导体的典型应用之一。目前，氮化镓半导体的应用尚处于探索阶段，德州仪器依托自身的技术优势，积极探索氮化镓半导体工艺升级和产能提升，逐步降低商业化应用成本，加快产品的创新和推广普及。
在2024慕尼黑上海电子展上，德州仪器面向能源基础设施领域带来了多项氮化镓新品。基于氮化镓的1.6kW双向微型逆变器参考设计，支持四个相同通道并使用C2000™ MCU进行控制，可连接光伏电池板或48V电池储能系统，实现高效灵活的能源管理；来自正浩创新（EcoFlow）的800W 车载超充，采用德州仪器氮化镓LMG2100R044，并搭载TI第三代C2000™ TMS320F280039C高性能MCU，可在行驶过程中充分利用车辆交流发电机的冗余功率为设备实时充电，同时具备反向补电功能。除此之外，机器人产业仍是德州仪器关注的重点。
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为机器人智能决策和安全运行提供底层技术支持
随着技术的快速发展，机器人已经融入社会生产生活的方方面面，极大提升工作效率，改善人们生活质量。相比于人工作业，机器人往往响应更迅速、执行更高效、操作更精准，行云流水的背后得益于边缘端强大的信息处理能力。
传统的机器人在作业时需要将数据传输至云端，经分析处理后再传回设备端执行操作。这种方式对运行环境的网络条件提出了较高要求，且存在响应延时和信息安全风险。边缘计算的发展和应用，使机器人能够在本地获取和处理环境信息，更加灵活地适应各种作业场景。当然，边缘计算对本地设备的计算和存储性能都提出了较高要求，尤其是场景的日益多元和智能化需求的不断提升，对边缘运算设备提出了新的挑战。
德州仪器中国区技术支持总监师英指出，机器人的“大脑”必须具备AI能力，实现智能化。对此，德州仪器研制了AM62A边缘运算处理器。“这是一款异构处理器，配2TOPS深度学习加速器、4个Arm® Cortex® A53处理器，以及用于视频和视觉处理的多个其他加速器，为机器人设计提供了强大的计算平台。”师英表示，AM62A处理器可在工业场景的缺陷检测任务中发挥重要作用，通过集成的摄像头和AI算法，可以实现对产品的实时检测，输出产能、缺陷统计等关键数据。“AM62A的高算力和丰富的外设接口，使其能够直接处理摄像头信号，完成视频编解码等任务，”师英补充道，“独立的MCU域和功能安全特性，也适用于汽车、监控等领域的高安全要求应用。”
图2 德州仪器中国区技术支持总监师英
面向机器人驱动控制，德州仪器展示了一款48V、850W小型三相氮化镓逆变器参考设计TIDA-010936，能够有效节省功率板面积，并提高控制精度。此外，德州仪器打造的适用于250W电机驱动器应用的650V三相氮化镓IPM，实现了99%以上的逆变器效率，能够优化声学性能、缩减解决方案尺寸，并降低系统成本。
图3 SK-AM62A-LP：使用AM62A视觉SoC进行缺陷检测
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基于机器人应用场景理解做优硬件设计
针对不同作业任务，机器人的功能特性各有千秋。在师英看来，不同场景对半导体元器件和嵌入式系统提出了共性要求，即自主、安全、高效和低成本。“自主”体现为机器人需在无人干预的情况下独立完成任务；“安全”则是要求机器人在运行期间，必须保障周边人员和环境不受影响；“高效”意味着生产效率的提升和能源消耗的减少；“低成本”是指通过降低器件尺寸、复杂性和生产成本，实现新技术的应用和普及。师英表示，德州仪器围绕多元场景的共性需求，持续推动技术创新，着力打造更智能、更安全、更可持续的产品和解决方案。
不同场景还对机器人提出了差异化的特定需求。以协作机器人为例，不仅要具备操控精准、体积小、负载高等特性，更要突出人机协同的安全稳定。对此，德州仪器提供了基于C2000的系统架构，并获得SIL3等级认证。针对安全链路上涉及器件的失效概率分析，例如电源芯片、驱动芯片等，德州仪器能够提供详尽的安全数据。“对于MCU这类IC，我们通常会提供芯片级的认证证书和配套的功能安全软件库。”师英补充道，“通常，一个完整的功能安全认证周期会长达2年甚至更长，借助TI全面、系统级的功能安全方案，可以大幅缩短认证周期和开发成本。”
面向尺寸敏感型的设计，比如小型AGV，德州仪器采用氮化镓半导体提高电机驱动器效率，降低损耗，同时增加系统的功率密度，实现更小的体积。此外，通过使用集成度更高的芯片可降低系统复杂度，进而提升系统稳定性。例如，德州仪器DRV系列驱动不仅包括驱动器，还集成了电源、功率管，以及电流采样等。
图4 DRV7308氮化镓智能功率模块
“机器人正在以更丰富的形式和更多元的场景融入人们的日常工作和生活，德州仪器的创新半导体技术将提供更精密的电机控制技术、更智能的处理系统、更精确的感知能力、更实时的通信解决方案，并确保产品的功能安全，帮助工程师们更好地将机器人设计变为现实。”师英说道。
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