随着制造业的自动化程度不断提高，以及消费者在家中安装这些自动化系统，机器人市场将继续增长。公司纷纷开始在其工厂和仓库中实现制造系统的自动化，并适应未来机器人与人类进行更多互动的情形。

制造机器人的设计工程师了解，有数百种不同类型的机器人系统。如图1所示，机器人种类繁多，从功率只有几瓦的小型辅助机器人到自主移动机器人、类人机器人以及功率高达4kW及更高的重型工业机器人。

图1. 协作机器人、移动机器人、类人机器人和工业机器人有各种形状和尺寸，功率级别范围为10W至≥4kW

机器人制造商在开发高级系统时面临几项设计挑战。上述机器人应用通常使用48V电压轨并支持2kg至40kg的有效载荷。在设计更高负载时，工程师必须同时考虑机械和设计影响，以适应更高的功率级别。较高的电流可能会因电磁干扰(EMI)或开关损耗过高而导致系统性能低下。功能安全也是一个重要因素，因为机器人经常在有人类存在的环境中使用。无论是在生产车间还是在消费者的家中，机器人设计能够在必要时安全关闭的系统都非常重要。

借助TI DRV8162等智能单半桥栅极驱动器，您可以灵活地创建能够承受大功率和电压范围，同时降低EMI并符合机器人设计功能安全标准的集成系统。

面向各种功率级别的设计

我们的智能栅极驱动器采用TI的IDRIVE可调栅极驱动电流方案，可在多个级别的栅极电流中控制MOSFET压摆率。DRV8162具有16种可调的粒度设置（如图2所示），可控制何时选择MOSFET和终端应用。有关IDRIVE的更多详细信息，请阅读了解智能栅极驱动。

图2. DRV8162的16个IDRIVE设置和可编程的拉电流/灌电流比可省去外部无源器件并简化设计

使用方程式1，您可以通过MOSFET的栅漏电荷(Qgd)规格以及MOSFET漏极和源极之间最大电压的上升和下降时间，估算出哪个IDRIVE设置更适合您的系统。这些值根据您的机器人系统性能要求而变化。

如果IDRIVE不靠近您使用的器件中的栅极驱动设置，您将需要额外的无源器件（包括栅极电阻器）来实现所需的栅极电流。这些额外元件增加了总体物料清单成本，并增加了印刷电路板(PCB)的尺寸，这可能会对协作机器人、移动机器人和类人关节中的小型设计造成影响。

使用同类半桥栅极驱动器时，需要使用外部栅极电阻器，因为它们仅提供固定电流或两到四个分立式设置。DRV8162驱动器中的16种栅极驱动设置和可编程拉/灌比率让您可以灵活地移除外部无源器件并简化机器人设计。

宽Qgd支持使您可以在具有不同MOSFET的各种低功率、中功率和高功率机器人平台上使用驱动器，而无需更改每个机器人系统中的栅极驱动器设计。DRV8162的栅极拉电流和灌电流可分别设置为低至16mA和32mA，最高可达1024mA和2048mA。例如，48V系统中的1V/ns压摆率可用于计算48ns Trise/Tfall。这会产生该器件可以支持的0.77nc/1.54nC至49.15nC/98.30nC MOSFET Qgd范围。

提高系统性能

与三相集成式栅极驱动器相比，DRV8162的单半桥架构使其能够更靠近FET。图3展示了两种圆形PCB设计，其中比较了三相与单相半桥实现。

图3. 采用三相栅极驱动器实现方案的圆形PCB设计，左侧是MCU、驱动器和FET，右侧是单个半桥设计

将栅极驱动器放置在更靠近FET的位置可缩短布线长度，提高信号完整性，并减少栅极和源极节点上的寄生效应。更短的路径还有助于降低布线电感的影响，从而降低振铃和EMI。

此外，DRV8162有助于通过20ns的死区时间改善系统效率和声学性能，还有助于扩大工作脉宽调制占空比范围，从而扩大速度范围，同时提高电机的可用电压。更短的死区时间还可以更大限度减少二极管导通损耗，提高机器人系统效率，并减少电机电流失真，从而降低可闻噪声。这些效果可提高机器人系统的整体性能和效率。

机器人中的STO

许多机器人与人类并肩作战，因此在发生电源故障、电涌或短路时关闭系统至关重要。在器件扭矩无法预测的情况下，电机驱动应用出现故障可能会导致危险情况。由于一些机械在涉及重负载的工业环境中运行，因此必须能够安全关闭并防止意外启动。

国际电工委员会(IEC) 61800-5-2标准定义了电路设计中被称为安全扭矩关断(STO)的安全功能，该机器人功能可防止向电机供电。DRV8162和TI的DRV8162L采用了分离电源架构，可帮助您在系统中实施STO。

在更高功率的机器人设计中，工程师可以参考适用于集成电机驱动器的48V、4kW小型三相逆变器参考设计(TIDA-010956)，该机器人设计采用了具有48VDC输入电压和85ARMS输出电流的DRV8162L。如图4所示，该机器人设计包含建议的STO概念、并联FET、高功率和单个半桥栅极驱动器。

图4. TI的三相逆变器参考设计(TIDA-010956)

结语

机器人系统的现有电机设计采用分立式实现来满足安全要求，这会增加电路板尺寸和物料清单数量。为了提高各种形状和尺寸的机器人系统的效率和安全性，需要使用DRV8162这类更小、更安全的集成式栅极驱动器。新款智能单半桥栅极驱动器助力机器人设计人员将功率从10W扩展到4kW及更高，同时缩小PCB尺寸，提高机器人系统性能和安全性，并提供灵活性，从而在未来多年内加速机器人设计创新。