具身智能機(jī)器人，通常由多個(gè)子系統(tǒng)組成，而 MOSFET 作為關(guān)鍵的功率開關(guān)器件，在多個(gè)子系統(tǒng)中扮演著核心角色。下面我們來拆解一下：

一、 具身智能機(jī)器人的主要組成部分

1、主控制器/計(jì)算單元：

機(jī)器人的“大腦”。通常是高性能處理器(如CPU、GPU、NPU)組成的計(jì)算平臺(tái)，運(yùn)行操作系統(tǒng)、AI算法、路徑規(guī)劃、決策控制等。

2、感知系統(tǒng)：

機(jī)器人的“感官”。

傳感器：攝像頭(視覺)、激光雷達(dá)/超聲波雷達(dá)(測距、建圖)、IMU(慣性測量單元，姿態(tài))、編碼器(電機(jī)位置/速度)、力/力矩傳感器、麥克風(fēng)(聲音)、觸摸傳感器等。

傳感器接口與處理電路： 負(fù)責(zé)采集、濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換傳感器信號(hào)。

3、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：

機(jī)器人的“肢體”。

執(zhí)行器：最核心的是電機(jī)(直流有刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī))。還可能包括液壓/氣動(dòng)執(zhí)行器(在工業(yè)機(jī)器人或大型機(jī)器人中更常見)。

驅(qū)動(dòng)器/功率放大器： 將控制信號(hào)(來自主控制器)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器所需的大電流/大電壓功率信號(hào)。這是MOSFET應(yīng)用最密集的地方。

機(jī)械結(jié)構(gòu)： 關(guān)節(jié)、連桿、齒輪箱、輪子/履帶等。

4、電源管理系統(tǒng)：

電池： 通常是鋰離子/鋰聚合物電池組。

充電管理電路：控制電池充電過程。

電壓轉(zhuǎn)換模塊： 將電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)各部分(主控、傳感器、驅(qū)動(dòng)器等)所需的不同電壓等級(jí)(如12V, 5V, 3.3V, 1.8V等)。DC-DC轉(zhuǎn)換器大量使用MOSFET。

電源分配與保護(hù)： 開關(guān)控制各路電源通斷，過壓/過流/欠壓保護(hù)。

5、通信系統(tǒng)：

內(nèi)部通信總線： CAN, I2C, SPI, UART, Ethernet等，連接主控與各子系統(tǒng)。

外部通信： Wi-Fi, 藍(lán)牙, 4G/5G, 以太網(wǎng)等，用于與云端、其他設(shè)備或用戶交互。

人機(jī)交互：顯示屏、揚(yáng)聲器、指示燈、觸摸屏、語音交互模塊等。

軟件與算法：操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、感知算法(SLAM、目標(biāo)檢測識(shí)別)、導(dǎo)航規(guī)劃算法、運(yùn)動(dòng)控制算法、決策AI、應(yīng)用程序等。

二、MOSFET在智能機(jī)器人中的應(yīng)用及選型要點(diǎn)

MOSFET在智能機(jī)器人的核心作用是在各種電路中作為高效、快速、可控的電子開關(guān)或放大器，用于功率控制和轉(zhuǎn)換。

1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)(運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)-驅(qū)動(dòng)器)

(1)MOSFET應(yīng)用

H橋驅(qū)動(dòng)電路(有刷直流電機(jī))：由4個(gè)MOSFET組成全橋或半橋電路，或者用上海雷卯兩顆合封(N+P)MOSFET精確控制MOSFET的開通和關(guān)斷，可以控制電機(jī)的方向、速度(通過PWM脈寬調(diào)制)和啟停。開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗是關(guān)鍵。N+P合封MOSM,驅(qū)動(dòng)簡單，電路尺寸更小。下圖為合封。

三相逆變器(無刷直流電機(jī)/永磁同步電機(jī))：由6個(gè)MOSFET(每相上橋臂和下橋臂各一個(gè))組成三相全橋逆變電路，或三顆合封MOSFET，通過精確控制MOSFET的開關(guān)時(shí)序(通常采用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動(dòng)電機(jī)。要求開關(guān)頻率高、開關(guān)速度快、損耗低。

(2)常用MOSFET類型：

功率MOSFET： 這是最主要的應(yīng)用。根據(jù)電機(jī)功率(電壓、電流)選擇合適規(guī)格的N溝道增強(qiáng)型MOSFET。

低導(dǎo)通電阻MOSFET：至關(guān)重要!導(dǎo)通電阻直接決定導(dǎo)通損耗和發(fā)熱。常用 Trench MOSFET 或 Super Junction MOSFET 技術(shù)實(shí)現(xiàn)低 Rds(on)。

快速開關(guān)MOSFET：高開關(guān)頻率可提高控制精度和效率，降低電機(jī)噪聲(人耳可聞噪聲)。需要低柵極電荷和米勒電容。

集成模塊：為簡化設(shè)計(jì)、提高功率密度和可靠性，常使用將MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路集成在一起的 IPM 或 PIM。

(3)選型關(guān)鍵參數(shù)：

額定電壓、額定電流、導(dǎo)通電阻、柵極電荷、開關(guān)速度、熱阻、封裝。

上海雷卯有多種型號(hào)MOSFET適合用于智能機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2、電源管理系統(tǒng)

(1)MOSFET在電源管理系統(tǒng)應(yīng)用

同步整流：DC-DC轉(zhuǎn)換器 (降壓/升壓/升降壓)

電池保護(hù)板：MOSFET串聯(lián)在電池組充放電回路中，作為開關(guān)。當(dāng)檢測到過充、過放、過流或短路時(shí)，關(guān)斷MOSFET 以切斷回路，保護(hù)電池安全。要求導(dǎo)通電阻極低(減小壓降損耗)、開關(guān)速度適中、可靠性極高。

負(fù)載開關(guān)：控制子系統(tǒng)電源的通斷(如關(guān)閉未使用的傳感器模塊以省電)。MOSFET作為受控開關(guān)串聯(lián)在電源路徑上。要求導(dǎo)通電阻低、關(guān)斷漏電流小。

(2)電源管理常用MOSFET類型

功率MOSFET：用于DC-DC主開關(guān)和同步整流開關(guān)。同樣追求低 Rds(on) 和高開關(guān)速度。

低導(dǎo)通電阻 MOSFET：在同步整流和負(fù)載開關(guān)中至關(guān)重要。

專用電池保護(hù)MOSFET：通常為N溝道，具有極低的導(dǎo)通電阻和適合保護(hù)板應(yīng)用的封裝。

小信號(hào)MOSFET：可能用于控制邏輯或輔助電源開關(guān)。

(3)選型關(guān)鍵參數(shù)

額定電壓、額定電流、導(dǎo)通電阻、柵極電荷、開關(guān)速度(對(duì)于開關(guān)管)、體二極管特性(對(duì)于同步整流)、關(guān)斷漏電流(對(duì)于負(fù)載開關(guān))。

3、傳感器接口與執(zhí)行器控制

(1)作用

高功率傳感器/執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)： 某些特殊傳感器(如大功率激光發(fā)射管)或執(zhí)行器(如電磁閥、大功率LED燈)可能需要MOSFET作為開關(guān)來控制其供電。

脈沖信號(hào)放大： 在驅(qū)動(dòng)某些需要較大電流脈沖的傳感器(如超聲波發(fā)射器)時(shí)，可能用到MOSFET進(jìn)行功率放大。

(2)常用MOSFET類型：

中小功率MOSFET： 通常對(duì)開關(guān)速度要求不如電機(jī)驅(qū)動(dòng)那么高，更關(guān)注導(dǎo)通電阻和成本。

邏輯電平MOSFET：方便由微控制器GPIO直接驅(qū)動(dòng)。比如說2N2007。

(3)選型關(guān)鍵參數(shù)：

額定電壓、額定電流、導(dǎo)通電阻、柵極閾值電壓。

綜上所述: MOSFET在智能機(jī)器人中的核心戰(zhàn)場是電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源管理(特別是DC-DC轉(zhuǎn)換器中的同步整流)。

審核編輯 黃宇