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人形机器人变得越来越复杂,也越来越精确,具有更高的自由度 (DOF) 和 AI 驱动的中央计算引擎,现在能够在几毫秒内评估、适应和响应周围环境。设计这些先进的人形机器人需要一个通信系统,其可支持在众多关节控件之间进行实时高带宽数据传输,并且全部都在空间受限的轻量级框架内进行,在噪声大的工业环境中也要保持可靠且稳健。TI 单线对以太网 (SPE) PHY 可以解决这些难题并简化系统架构,以实现人形机器人的无缝运动执行。

使用 SPE 实现更简单的系统架构和更轻的重量

为了实现关节控件的高更新速率和高带宽(高达 1000Mbps),需要一种先进的实时控制系统架构。通过提供可促进多个系统组件之间的数据交换的单一高带宽通信标准,基于以太网的系统简化了架构。进一步使用 SPE (xBASE-T1) 技术(如图 1 所示)和/或菊花链拓扑可以减小线束的整体尺寸,在更大程度地减轻机器人重量方面发挥着至关重要的作用(重量是人形机器人的一个重要因素,减轻重量可以提高机动性、能源效率和平衡性能)。

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图 1 SPE 接口

使用单线对以太网 PHY 推动机器人发展

TI 的 SPE PHY 产品系列旨在与 TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 PHY 实现封装兼容。单板设计允许在未来 的开发中升级功能集或带宽,而无需改动硬件。这种方法有助于加快开发周期并缩短上市时间,从而节省研发成本。 此外,TI SPE 以太网 PHY 集成了一套先进功能,可进一步降低人形机器人设计的复杂性并提高系统性能。 精确的时间同步利用精确的时间同步,可以增强分布式人形机器人系统,实现关节之间无缝的确定性协调。TI 的 SPE PHY (1000BASE-T1 DP83TG721S-Q1 和 100BASE-T1 DP83TC817S-Q1)集成了 IEEE 802.1AS,可在控制器和 I/O 节点之间实现精确的网络范围时间同步和单一时间参考。这使得开发人员能够将时间戳处理从处理器卸载到 PHY 上,从而实现低至 1-15ns 的同步精度。

SPE PHY 中利用时间戳处理

集成 IEEE 802.1AS 的以太网 PHY 可以改善人形机器人子系统的实时决策和自适应行为。时间戳处理是在生成或接收数据或事件时使用精确的时间信息标记传入和传出数据或事件的过程。如图 2 所示,时间戳处理可以在数据路径上的多个位置实现:在以太网 PHY 的硬件中、在处理器中 MAC IP 的硬件中或在处理器的软件中。TI 的处理器和以太网 PHY 产品系列可支持全部 3 种类型的时间戳处理。时钟数据的精度和抖动可能会在毫秒到纳秒之间变化,具体取决于时间戳与电缆的接近程度。以太网 PHY 是最靠近电缆的元件,在其中进行的时间戳处理可以提高同步精度,因为它解决了数据通过 PHY 时可能会出现的不确定延迟问题

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图 2 可能的时间戳处理位置

GPIO 事件捕获或生成

精确的 GPIO 事件计时功能进一步改善了多个电机控制器之间的同步,并且有利于执行需要在子系统之间进行检测和响应协调的任务。DP83TG721S-Q1 和 DP83TC817S-Q1 都能够在 PHY 硬件(而不是控制器)中创建时间戳和事件触发器。以太网 PHY 不但可以使用集成的 IEEE 802.1AS 存储一天中的时间,而且可以使用它以纳秒级精度在其 GPIO 引脚上捕获事件(图 3)或生成事件(图 4)。生成的事件可以采用模式形式(例如 25MHz 时钟实现),也可以采用特定时间的脉冲形式。

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图 3使用 TI PHY 捕获 GPIO 事件

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图 4 使用 TI PHY 生成 GPIO 事件

兼具稳定性

克服 EMI EMC 难题

人形机器人是一个空间受限的系统,其中包含多个电子元件、电机、传动器和电力电子器件,所有这些都可能会产生干扰。因此,管理电磁兼容性 (EMC) 至关重要,因为电磁干扰 (EMI) 可能会破坏机器人内部的传感器读数和控制信号。TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 以太网 PHY 设计为符合 OPEN Alliance EMI/EMC 标准,可在汽车市场提供成熟的稳健性,现在,在机器人应用中至关重要。通过使用电隔离的稳健架构来应对噪声(如图 5 所示),使得 TI 器件能够符合 EMI/EMC 的工业 IEC 和 CISPR 标准。有关更多详细信息,请参阅单线对以太网的 EMC/EMI 合规性设计应用手册。

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图 5 电耦合概念

电缆诊断

在封闭的机器人系统中,由于接触内部元件/组件受到限制,排除网络故障可能是一项艰巨的任务。凭借可通过串行管理接口 (SMI) 访问的以太网 PHY 的内置电缆诊断功能(如信号质量指示器 (SQI) 和时域反射计 (TDR),基于 SPE 的网络可以更大限度地减少排除网络问题和电缆故障所需的停机时间。

SQI 通过评估信号强度、噪声水平和传输错误来监控链路质量,以提供连接健康状况的实时状态。在人形机器人 等封闭系统中,SQI 可以及早检测信号衰减或不稳定情况,以便进行主动维护,或者确定网络的哪个部分出现问题。任何给定时间的 SQI 值都存储在寄存器中,可通过简单的计算与信噪比 (SNR) 相关联。图 6 显示了 SQI 值随噪声的增加而增加的示例。

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图 6 SQI 示例

TDR 可识别整个电缆长度范围内的故障(例如短路或开路),以及与 PHY 的距离。图 7(Buntz 和 Daimler AG,2017)显示了可使用 TDR 功能检测到的不同类型的故障。这种诊断方法对于精确定位电缆中故障的确切位置非常有用。

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图 7 电缆中可能出现的故障

如图 8 所示,TDR 的工作原理是向电缆中注入高能脉冲并测量反射信号(同相、异相或无脉冲)。当 PHY 之间没有有效链路时,通常会运行 TDR 测试来查找根本原因。

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图 8 TDR 概念

在人形机器人中使用时,这些强大且高效的故障隔离工具可以提高整体系统可靠性并延长正常运行时间。

系统实现

TI 的应用特定 MCU (ASM)(例如 C2000 系列和基于 Arm 的 MCU 产品系列)与多种实时以太网通信协议兼容,也可以用于标准以太网技术。此外,TI 开发的 SORTE 协议可以实现 4μs 的周期时间,与基于 Arm 的 MCU 系列兼容,适用于需要更高吞吐量并实施 SPE 的应用。有关更多详细信息,请参阅支持 PRU-ICSS 的简单开放实时以太网 (SORTE) 器件 参考设计。设计功能安全型以太网 PHY 并与第三方合作认证 MCU 软件栈,可确保满足机器人系统内部的功能安全要求。

在人形机器人中,SPE 用于点对点或菊花链配置,以连接用于在各种子系统之间协调运动的电机控制器。通常采用基于网关的架构来管理多个控制器和电机子系统。借助 ASM + DP83TC812S-Q1 (100BASE-T1 SPE PHY) 评估模块,TI 展示了多节点实时系统如何实现 60ns 抖动性能,从而实现确定性且可预测的系统行为。有关测试设置的更多信息,请联系 TI。

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图 9 特定于应用的 MCU 和 100BASE-T1 SPE PHY 评估模块

总结

SPE 技术在推动人形机器人发展方面发挥着变革性的作用,并通过解决受限空间中的高带宽实时通信、精确的时间同步和 EMI/EMC 噪声稳健性等关键设计难题,为未来的可扩展性铺平道路。通过集成 IEEE 802.1AS 和 GPIO 事件触发器等功能,单对以太网可实现最准确的系统反应和响应。基于这些功能,TI 高度集成的 MCU 产品系列经过优化,可与 TI 以太网 PHY 驱动器无缝配合使用,提供兼容性并简化系统开发,以满足现代人形机器人的高性能需求。

关于德州仪器

德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,从事设计、制造和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、企业系统和通信设备等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,让世界更美好。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础上,使我们的技术变得更可靠、更经济、更节能,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用。登陆 TI.com.cn 了解更多详情。

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作者:白玉杰,高级应用工程师

摘要

如今,汽车行业对先进显示屏的需求空前高涨,亟需能够实现更大尺寸、更高亮度、曲面设计、更高分辨率和更高对比度的解决方案。与此同时,各类新型车载显示屏也日益受到青睐。目前,TFT LCD是汽车平板显示技术的主流选择。OLEDmicro-LED显示屏凭借出色的显示效果、低能耗、高柔韧性、超薄等特性,正逐渐赢得汽车制造商的关注。本文比较了这些不同的显示技术,并讨论适用于LCD显示屏的2T1C像素驱动器,以及适用于OLEDmicro-LED显示屏的7T1C/2C像素驱动器。

简介

汽车应用中TFT LCDOLEDmicro-LED显示屏系列文章共有两个部分,本文为其中的第1部分。文章比较了TFT LCDOLEDmicro-LED显示屏的特性,以及不同像素驱动器的技术。此外还讨论了TFT技术和汽车显示屏的电源技术。

本系列的第1部分重点介绍汽车显示屏的基本原理,包括发展趋势、挑战和显示屏结构。为帮助理解汽车显示屏的电源技术,文章还简要介绍了像素驱动器。

本系列的2部分介绍汽车显示屏的电源技术。文章讨论了不同的显示技术,包括侧光式背光和直下式背光。此外还简要说明了mini-LED显示屏的局部调光技术。

汽车数字座舱趋势

近年来,车联网、电动化、自动驾驶、共享出行等汽车领域发展迅猛。为了给用户带来更好的体验,座舱的设计也随之彻底改变。人们对于尺寸更大、曲面设计、更高分辨率和更高对比度的显示屏以及新型车载显示屏的需求日益强烈。根据IHS Markit汽车显示屏市场追踪报告,2018年汽车显示面板出货量为1.615亿块,预计到2025年出货量将超过2亿块1

为了改善座舱体验,现代汽车配备了多种类型的显示屏:仪表板、中央信息显示屏(CID)、平视显示屏(HUD)、乘客显示屏、智能电子后视镜显示屏、侧后视镜显示屏和后部娱乐显示屏。仪表板用于为驾驶员提供速度和燃油表状态等关键信息。HUD用于将关键信息投射到挡风玻璃上。后座娱乐显示屏和乘客显示屏是信息娱乐系统的一部分,供乘客观看电影或进行其他娱乐活动。数字摄像头监视系统(CMS)利用两到三个摄像头取代了外部后视镜。同时侧后视镜显示屏和电子后视镜显示屏也增强了驾驶员对周围环境的视觉感知。

根据IHS Markit汽车显示屏市场追踪报告,2018年,10英寸面板占汽车显示面板出货量的10%,预计到2025年这一比例将增长至18.4%1。近年来,12.3英寸及更大的显示面板逐渐成为仪表板显示屏的主流尺寸。

2017年特斯拉Model 3搭载15英寸触摸屏以来,汽车显示面板就朝着尺寸更大、分辨率更高、对比度更高的方向发展,形态设计自由度也越来越高。2019年,理想ONE采用了全座舱宽度显示屏,包含两块尺寸分别为12.3英寸和16.2英寸的屏幕。2023年,宝马3系配备了采用局部调光技术的14.9英寸曲面触摸屏,屏幕从驾驶员侧方一直延伸至中控台。VISION EQXX概念车则搭载了采用局部调光技术的47.5英寸全座舱宽度屏幕。汽车显示屏的趋势总结如图1所示。

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1.座舱显示屏趋势2

宝马概念车Neue Klasse上的全挡风玻璃HUD将于2025年投入量产。这项HUD创新技术能将信息投射至整个前挡风玻璃,所有乘客都能轻松查看。挡风玻璃下边缘具有更高的光强度和对比度,可向驾驶员和乘客显示相关信息。此外还有一个自由形态中央显示屏3

显示面板架构

2中的TFT LCD、图3中的OLED和图4中的micro-LED代表了三种不同技术,这些技术都推动了视觉显示的革新。

TFT LCD利用夹在两层玻璃衬底之间的液晶来显示图像。下方衬底嵌入了TFT,而上方衬底用作滤色器。通过控制流过晶体管的电流可以改变电场,电场的变化又会影响液晶分子的排列方式,进而调制光穿过液晶层时的旋转状态。用不同比例的三色光照射滤色器,就能形成色彩各异的像素。

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2.TFT LCD显示屏结构

相比之下,OLED显示屏具备自发光能力,所以不需要背光。OLED的基本结构包括了氧化铟锡(ITO)玻璃衬底和其上的有机发光层。有机发光层夹在两个低功函数金属电极之间:上方阴极和下方阳极。

在阴极和阳极上施加外部电压时,电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)将电子和空穴注入有机发光层,注入的数量和速度可以控制。这个过程让OLED发光。在OLED中使用不同的化学材料,可以产生红光、绿光和蓝光。因此,OLED显示屏更薄、更节能,色彩再现能力和对比度也更优越。

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3.OLED显示屏结构

Micro-LED显示屏采用微型LED阵列构成每个像素,代表了显示领域的新进展。通常,micro-LED的芯片尺寸在50 µm以内,人眼几乎看不见。得益于其微小的尺寸和先进的组装技术,红光、绿光和蓝光照明源可以集成到单个像素点中,因此micro-LED显示屏无需滤色器和液晶。

像素中的每个micro-LED都能自行发光,因此画面亮度更高、黑色更深邃且能效出色。这些技术代表了显示创新方面的重大进步,每种技术在结构和性能方面都有独特的优势。micro-LED显示屏适配于智能手机、电视到增强现实、可穿戴设备、汽车显示等各种应用。

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4.micro-LED显示屏结构

TFT LCD技术相对成熟且成本优势突出,这样因此成为了目前汽车行业占主导地位的平板显示技术。然而,OLED显示屏和micro-LED显示屏也正引起越来越多的汽车制造商注意。

OLED显示屏兼具显示效果出色、能耗低、柔韧性强、超薄等特点。micro-LED显示屏正作为新一代显示技术崭露头角,不仅支持曲面显示设计,亮度和对比度均有增强,能够为座舱内屏幕设计带来更大的灵活性。

然而,OLED显示屏存在残影问题,长时间显示静态图像后像素性能会下降,而且其使用寿命比LCD短。与此同时,micro-LED显示屏的大规模生产商业化方面存在挑战,成本居高不下。

1详细总结了TFT LCDOLEDmicro-LED显示屏之间的差异。

1.LCDOLEDmicro-LED显示屏的比较3

TFT LCD

OLED

micro-LED

方法

背光

自发光

自发光

发光效率

对比度

响应时间

ms

µs

ns

功耗

紧凑度

寿命

视角

成本

现有TFT LCD显示屏可以利用mini-LED(亚毫米发光二极管)背光源和局部调光技术进行升级。mini-LED是常规LED的微缩版本,可作为通向micro-LED的技术桥梁。尺寸小于200微米的LED被归类为mini-LED,而尺寸小于100微米的LED被归类为micro-LED5

虽然mini-LED主要用作LCD显示屏的背光源,但它能够减小LCD显示屏的厚度,提升对比度性能,助力实现高性价比解决方案。

像素驱动器

通过混合三原色(红、绿、蓝)可以合成各种颜色。经混合的三原色会形成一个像素,如图5所示。每个像素由三个子像素组成,这些子像素被统一管理并组合在一个像素中。

由于显示技术和制造工艺不同,TFT LCDmicro-LEDOLED显示屏采用不同的方法来驱动这些子像素。例如,特斯拉Model 3搭载15.4英寸TFT LCD显示屏,分辨率为1920 x 1200像素,因此总共有691万个子像素。

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5.像素

TFT LCD显示屏中子像素的等效电路(控制液晶上的电场)如图6所示。它由1T2C(一个晶体管、一个液晶电容和一个存储电容)组成。栅极驱动器提供正电压和负电压。正电压称为栅极高电平电压(VGH),用来接通TFT。负电压称为栅极低电平电压(VGL),用来关断TFT。图像信息被传输到源极驱动器,后者对液晶电容(CLC)充电。存储电容(CST)充当缓冲器,防止CLC产生漏电流。有关TFT LCD显示屏中像素驱动器的更多论述,请参见《New Driving Structure to Increase Pixel Charging Ratio for UHD TFT-LCDs With High Frame Rate4

TFT LCD中的残影或闪烁是由TFT的栅极节点和漏极节点之间存在的寄生电容(CGD)引起的。当画面内容发生变化,TFT由导通状态变为关断状态时,CGDCLC||CST之间的电容分压器会导致CLC的电压下降。为了提高面板性能的一致性,我们在像素转换时间内引入公共背板电压(VCOM),并将其调整至像素电压的中间。

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6.常规像素驱动器

Micro-LEDOLED显示屏中常用像素驱动器的拓扑结构相似,但比TFT LCD显示屏中像素驱动器的拓扑结构复杂。这是因为TFT电路的制造工艺,以及需在玻璃或聚酰亚胺衬底上集成LED。这让每个像素中的LED都是单独驱动,可以单独控制其各自的亮度。

如图7所示,《Driving Technologies for OLED Display5一文中描述了简单的像素驱动器2T1C,其中包含了两个晶体管和一个存储电容。在该像素驱动器中,LED发射的模拟信号被发送到TFT M1。随后,阈值电压(VGS)存储在电容(CST)中,用于驱动饱和区中的TFT M2,如图8所示。由于对TFT M2的驱动,正电压(VDD)和阴极电压(VSS)使LED维持恒定电流。这种2T1C像素驱动器的饱和操作驱动方法与驱动TFT的线性区域操作相比,具有延长LED寿命的优势。

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7.OLEDmicro-LED2T1C像素驱动器

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8.MOS晶体管输出特性

然而,2T1C像素驱动器也存在一些缺点,包括Mura问题和电偏置下的阈值电压偏移等。Mura问题是指显示屏亮度不均匀,其主要原因是制造过程中的差异,例如TFT层的密度、LED正向电压与阈值电压的均匀性等,这会进而导致画质问题。虽然出色的制造工艺也无法克服阈值电压漂移挑战,但业界提出了采用电压反馈方法和阈值电压偏移过补偿方法的像素电路来提高图像质量。

Image Quality Enhancement in Variable-Refresh-Rate AMOLED Displays Using a Variable Initial Voltage Compensation Scheme6中提出了7T1C方法,如图9所示。这种7T1C像素电路有三个操作阶段:初始化、补偿和发光,如图10所示。TFT M4用于驱动TFT M3的二极管连接。在补偿期间,来自源极驱动器且存储在CST中的电压维持LED发光。TFT M1M6M7用于阻止LED亮起。此外,《A Highly Uniform Luminance and Low-Flicker Pixel Circuit and Its Driving Methods for Variable Frame Rate AMOLED Displays7中提出了一种7T2C像素电路。

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9.7T1C像素驱动器原理图

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10.7T1C补偿像素的驱动序列:(a)初始化,(b)补偿,和(c)发光。

目前,显示背板技术已从氢化非晶硅(a-Si:H) TFT发展到低温多晶硅(LTPS) TFF,而低温多晶硅与氧化物(LTPO) TFT有望成为消费电子产品的新一代背板技术。a-Si:H TFT的载流子迁移率较低(1 cm2/Vs),导致背板尺寸较大,功耗也较高。LTPS TFT具有优异的载流子迁移率(>50 cm2/Vs),因而被应用于OLED显示屏。LTPS TFT通常具有较高的关断电流。然而,LTPO TFT的关断电流较低。因此,业界考虑为OLED/micro-LED显示背板应用结合了LTPSLTPO TFT二者优势的混合像素方案。

总结

随着消费者对可视性、安全性、用户体验等的期望越来越高,车载显示屏在提升座舱体验方面的重要性也日益突出。为了实现高画质、高分辨率、高对比度、自由形态、大尺寸、高性价比的汽车显示屏解决方案,目前仍有一些重大挑战需要克服。

本文讨论了TFT-LCDOLEDmicro-LED显示屏的特点。为了实现更好的显示性能,与TFT-LCD显示屏相比,OLEDmicro-LED显示屏的像素驱动变得更加复杂。与此同时,OLEDmicro-LED显示屏的大规模生产商业化方面存在挑战,价格较为昂贵。采用局部调光技术的mini-LED LCD显示屏是通向micro-LEDOLED显示屏的桥梁。

本系列文章的第2部分将重点介绍汽车显示屏的电源技术,包括背光驱动器、TFT偏置PMIC和局部调光功能。

参考文献

1 You Xiang Stacy Wu。“Automotive Display Market Outlook”。2019 26th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and Devices (AM-FPD)IEEE20199月。

2 Robert PrangeTrends in Automotive Display Glass ProcessingGlastory202412月。

3 What Are Micro LED, Mini LED, and Micro OLED?Different Emerging Display Technologies ExplainedLEDinside20218月。

4 Chih-Lung LinJui-Hung ChangFu-Hsing ChenPo-Cheng LaiYi-Chien ChenCheng-Han KeNew Driving Structure to Increase Pixel Charging Ratio for UHD TFT-LCDs With High Frame RateIEEE Access1020228月。

5 Yojiro MatsuedaDriving Technologies for OLED DisplayHandbook of Organic Light-Emitting DiodesSpringer2022年。

6 Li Jin KimSujin JungHee Jun KimBong Hwan KimKyung Joon KwonYong Min HaHyun Jae KimImage Quality Enhancement in Variable-Refresh-Rate AMOLED Displays Using a Variable Initial Voltage Compensation SchemeScientific Reports1220224月。

7 Younsik KIMKyunghoon ChungJaemyung LimOh-Kyong KwonA Highly Uniform Luminance and Low-Flicker Pixel Circuit and Its Driving Methods for Variable Frame Rate AMOLED DisplaysIEEE Access,第11卷,2023年。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司,致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁,以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案,推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展,应对气候变化挑战,并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元,全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息,请访问www.analog.com/cn

作者简介

Yujie BaiADI公司的高级应用工程师,负责汽车电源产品的支持和应用。Yujie2020年加入Maxim Integrated(现为ADI公司的一部分),拥有美国迈阿密大学(俄亥俄州)电气工程硕士学位。

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一位行业专家分享了在压力不断增加和产品开发时间较长的情况下,医疗保健和医疗科技为何以及如何转向外包或“网络优化”来提高效率、降低成本并专注于创新。

伟创力健康解决方案事业部总裁Kate Benedict

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概览

• 成本上升与漫长的产品开发周期促使医疗健康与医疗科技公司通过外包来改善运营。

• 预计到2028年,外包市场规模将增长504.4亿美元。

• 公司在专注于产品开发的同时,必须谨慎选择外包合作伙伴,以满足严格的监管标准。

医疗健康领域目前正面临诸多挑战,这些挑战主要由各护理领域不断加剧的成本压力所驱动。将新型医疗器械和药物推向市场所需的时间漫长——医疗器械通常需要三到七年,而药物审批平均需要十二年——这表明医疗健康与医疗科技公司迫切需要在保证质量与可靠性不受影响的前提下提高运营效率。

我在医疗健康公司担任领导职务多年,一直致力于寻求创新策略,以减轻风险并将资源重新投入产品开发。我发现最有效策略之一是将业务外包给可靠的合作伙伴。在医疗健康行业中,这种大规模的业务转型通常被称为“网络优化”。在我看来,网络优化不仅仅是一个战术决策,它代表着医疗健康与医疗科技公司运营模式的转变。

通过外包变革业务运营

网络优化是医疗健康行业的一个新兴趋势,企业越来越多地将各种职能外包,以便将资源重新聚焦于核心业务活动。当这一策略得到有效执行时,企业能够重塑其运营框架,最小化风险,并集中精力发展其核心竞争力,同时减少资本支出。

Technavio最近的一份报告预测,从2024年到2028年,医疗器械制造外包市场将以令人瞩目的速度增长504.4亿美元,复合年均增长率(CAGR)为10.9%。这一增长表明,许多医疗健康与医疗科技公司正在认识到重新思考其制造模式的潜力。一个结构合理的外包策略可以带来诸多优势,包括提高效率、降低供应链风险,以及让内部团队有机会专注于创新和产品开发。

利用外包获取专业知识

2023年,美国食品药品监督管理局(FDA)批准了创纪录数量的新型医疗技术,加剧了医疗健康与医疗科技公司之间在提供创新解决方案方面的竞争。加上成本压力的上升和全球供应链的不确定性,企业必须找到有效分配资源的方法,以保持其竞争优势。

通过与专业且值得信赖的制造商合作,医疗健康与医疗科技公司可以利用合作伙伴在复杂制造流程和供应链管理方面的专业知识。这种合作使企业能够将内部资源重新分配给核心竞争力,如产品创新和开发。

在伟创力,我们帮助客户优化整个产品生命周期,同时实现可持续发展目标。我们的服务范围从确保产品设计可制造性到高效生产扩展和逆向物流。例如,我们利用高级模拟技术为一款II类糖尿病产品产品生产线创建了数字孪生模型,这有助于降低制造风险并确保生产的连续性。我们拥有超过16,000家供应商的强大网络,这也使我们能够在COVID-19疫情半导体短缺的情况下为一家领先的诊断公司提供支持,确保他们能够将数百万个传感器交付给有需要的患者。

外包中的质量保证

尽管认识到专注于产品创新所带来的好处,但由于医疗行业固有的严格质量和监管要求,许多公司在将业务外包方面仍然犹豫不决。我之前提到的Technavio报告强调,虽然外包医疗器械生产可以获得尖端技术和设备,但挑战依然存在,特别是在医疗从业者要求的高标准方面。

公司必须对潜在的制造合作伙伴进行全面评估,以确保它们能够自信地满足监管和质量标准。一些制造合作伙伴拥有与医疗健康与医疗科技公司合作的数十年经验,这使它们能够自信地遵守I类、II类和III类医疗产品的严格标准。

重新构想内部制造模式

即使好处显而易见,从内部制造转变为外包也可能令人望而生畏。医疗健康与医疗科技公司应先明确它们期望的成果,然后再制定策略。无论目标是更贴近终端市场、整合多个生产基地,还是降低整体风险,都有多种途径可供选择。

例如,一家公司可能会选择与制造商合作,将其生产基地整合到单一设施中,从而减少重复流程,提高效率,进而实现成本节约和风险最小化。

构建战略伙伴关系,共创未来成功

随着医疗健康领域在技术进步和全球人口老龄化的推动下不断演变,公司必须与外包供应商建立战略伙伴关系。这些合作可以帮助组织优化其网络,同时获得医疗产品设计、开发和制造方面的跨行业专业知识。

根据我在医疗健康领域的丰富经验,我见证了公司如何通过利用其外包合作伙伴的资本资产和技术投资而蓬勃发展。这种方法使它们能够专注于核心创新,更迅速地响应市场需求,并降低风险。在一个快速变化的行业中,医疗健康公司必须不断重新评估和构想其运营模式,以满足医疗机构和患者不断变化的需求,这一点至关重要。

关于作者:

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Kate Benedict

Kate Benedict是伟创力健康解决方案事业部总裁。作为全球客户优选的制造合作伙伴,伟创力致力于帮助多元化的客户群体设计并制造旨在改善世界的产品。

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系列进展落地,共筑绿色明天

作为工业自动化、信息化和数字化转型领域的全球领先企业之一,罗克韦尔自动化 (NYSE: ROK) 于上海气候周2025期间,携手临港集团、万物梁行、霍尼韦尔、默克中国、友达数位,共同举办了“‘气候灯塔’新纪元”活动。气候灯塔行动自2024年上海气候周期间发起,至今已取得一系列进展。在此基础上,今年的气候灯塔活动重点探讨如何借助标准革新与技术赋能,打造生态协同效应,推动产业可持续升级的系统化落地。罗克韦尔自动化(中国)有限公司总裁石安发表了主题为“气候灯塔——缘起·蝶变”的主旨演讲,进一步探析企业主体如何在绿色化发展的关键时期,实现上下游产业贯通的转型路径。

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罗克韦尔自动化(中国)有限公司总裁石安发表主旨演讲

合心聚力,定义气候灯塔坐标新典范

气候灯塔行动自2024年初步启动,旨在汇聚全球智慧和资源,推动绿色数智创新,点亮人类美好未来。如今,通过评选领航用例、行业调研、战略签约、专题讨论等一系列实践,气候灯塔行动正在持续发挥引领作用,协调上下游企业共同促进技术进步,加速产业链的低碳绿色转型。

全球气候治理已进入新阶段,气候变化与污染治理等多项挑战,也成为全球产业绿色可持续发展的痛点。为助力气候灯塔行动的进一步落地,罗克韦尔携手各行业参与方,于“‘气候灯塔’新纪元”活动现场推出气候灯塔评价通用规范(征求意见稿)》,通过构建涵盖10大维度的量化评价体系、核心技术指标,形成透明化的评估框架,给予参评企业更加透明的审核标准,也同时为气候灯塔后续系列标准定义了框架。上海气候周作为友好、开放的产业协作平台,可为这一评价通用规范的完善提供跨领域的对话空间。正式版《气候灯塔评价通用规范》计划于5月底正式发布,通过“标准引领+平台赋能”的创新机制,气候灯塔行动将引领更多组织、机构进一步参与绿色数智的可持续创新,为全球气候治理贡献智慧与产业实践样本。

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《气候灯塔评价通用规范(征求意见稿)》于活动现场推出

罗克韦尔自动化(中国)有限公司总裁石安表示:“《气候灯塔评价通用规范》旨在成为相关企业在低碳转型过程中可靠的参照坐标,对全球产业链的可持续发展都具有重要意义。罗克韦尔作为生产性服务业链主,也将借助此次评价通用规范发布的契机,链动更多合作伙伴打通在可持续发展过程中的信息壁垒,让企业的低碳转型更从容。同时,基于上海气候周的平台,我们期待这一标准得以成为全球产业链在应对气候变化行动中的新典范,促进多方伙伴的交流与进步。”

标杆突围,点亮可持续发展新样本

为更好地诠释气候灯塔行动的现状与前景,由上海气候周执行委员会指导,罗克韦尔等企业共同编制的《“气候灯塔”新纪元:技术引领与变革趋势》于活动现场发布,再次阐述了气候灯塔行动的短期与长期发展规划,重申气候灯塔的意义与关注点,同时更加聚焦于2025年气候灯塔行动的新变化。在往期基础上,《“气候灯塔”新纪元:技术引领与变革趋势》不仅对气候灯塔行动中原本关注的楼宇、园区、制造、供应链四大关键领域的国内外政策演变做了介绍,还对这四大领域的先进技术做了新一轮阐述。结合政策风向、技术路线与标杆实践,这将为行业读者提供兼具战略高度与实践深度的方向指导。

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《“气候灯塔”新纪元:技术引领与变革趋势》于活动现场发布

活动现场还颁发了2025气候灯塔“灯塔典范奖”和“优秀案例奖”,涵盖工艺优化节能、绿色能源使用、废弃物回收等多个领域。万物梁行、中港汇、默克中国、赛力斯、三元基因、飞利浦、佳通轮胎、隆基绿能、小鹏汽车、蒙牛、梅特勒托利多共11家企业凭借差异化创新、技术领先性实践获评“灯塔典范奖”,来自阳光电源、立邦、明珞装备等24家企业的出色用例被评选为“优秀案例奖”。在入围的用例中,有15家企业的项目在罗克韦尔的积极参与和帮助下,于降本、提效与减碳多方面都实现了提升与进步。

罗克韦尔也将持续研究行业动向,突出优秀案例,并汇聚更多行业参与方共同加入应对气候挑战的行动中,让低碳转型成为撬动产业可持续进步的关键手段而非唯一目的。

生态融合,以链主担当织就产业链升级协作网

在外部生产环境重构、技术迭代周期缩短等种种变革之下,全球气候治理、企业追求双碳目标等实践不可避免会遭遇重重挑战。作为一项面向未来的长期工程,气候灯塔行动构建多位一体的韧性合作网络这一目标势在必行。

因此,为持续发挥气候灯塔的标杆性领航力,进一步融合向绿而生的澎湃合力,在罗克韦尔的牵头下,共16家来自各行各业的企业、协会、科研机构等组建成立了气候灯塔生态联盟,并在活动现场举行了启动仪式,将为气候灯塔的多样化场景实践与交互提供新可能。

石安表示:“气候灯塔需要多方共建,通过标准引领与生态共治,罗克韦尔将进一步运用自身跨行业的丰富资源与积淀,以‘链主’身份赋能绿色可持续发展和产业可持续发展,让气候灯塔一步步从凝聚了多方智慧的先进概念,升级为中国产业高质量发展的关键路标。”

放眼未来,罗克韦尔也将运用自身专长,助力企业化解全球数字化、绿色化、可持续发展中面临的各项难题,引领未来无限可能。

罗克韦尔自动化在中国

罗克韦尔自动化是工业自动化、信息化和数字化转型领域的全球领先企业之一。我们将充分发挥人类的想像力与科技的潜力,为人类创造更多的可能性,让世界更具生产力和可持续性。罗克韦尔拥有120多年历史,总部位于美国威斯康辛州密尔沃基,截至2024财年年底,约有员工 27,000 名,业务遍布 100 多个国家和地区。

在中国,罗克韦尔设有27个销售机构,大连软件开发中心,深圳、上海和天津OEM应用开发中心,西安工程中心,以及2个生产基地,拥有超过2,000名员工。公司与中国区11家授权渠道伙伴及40多所重点大学开展了积极的合作,共同为制造业提供广泛且不凡的产品与解决方案、服务支持及技术培训。

作为智能制造的引领者,罗克韦尔将SEEE(安全、节能、环保、高效)可持续发展观全面贯彻于智能制造,旨在通过领先的自动化、数字化和智能化技术为各行业深度赋能,依托IT/OT融合创新的互联企业解决方案,推动中国社会的可持续发展,引领未来无限可能。

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打造面向严苛环境的CompactPCI & VPX高可靠可扩展解决方案

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重点摘要:

  • 凌华与Elma Electronic达成战略合作,为轨道交通及关键任务应用提供集成化加固计算解决方案

  • 结合凌华CompactPCI(CPCI)CPCI SerialVPX计算平台与Elma系统集成、背板及机箱技术

  • 联合解决方案可耐受-40°C至70°C极端温度及冲击振动,确保关键任务性能

全球边缘计算领导者凌华智能与高端背板及机箱解决方案提供商Elma Electronic今日宣布达成战略合作,共同为轨道交通及关键任务应用提供预集成的加固系统解决方案。通过整合凌华智能行业领先的CompactPCI(CPCI)CPCI SerialVPX计算平台与Elma的机箱、背板及系统集成技术,客户可获得专为严苛环境设计的高可靠、可扩展解决方案。

"此次合作对轨道交通和关键任务领域的系统集成商与OEM厂商具有转折性意义,"凌华智能加固计算事业部产品经理Rex Chan表示,"通过结合凌华智能的先进计算技术与Elma的加固机箱和背板技术,我们简化了系统集成流程,加速部署周期,并确保关键任务应用的长期可靠性。"

"凌华智能与Elma的协同效应使我们能够提供完全集成的高性能加固计算解决方案,特别是在轨道交通和关键任务场景,"Elma Electronic全球业务发展经理Regina Moss表示,"客户现在可以享受构建强大嵌入式系统的简化方案,无需面对多供应商集成的常见挑战。"

凌华智能提供包括CompactPCI(CPCI)CPCI SerialVPX处理器板卡在内的多样化产品组合。结合Elma的高性能背板和机箱,我们提供无缝系统集成,消除兼容性顾虑并缩短开发周期。专为极端环境设计的联合解决方案可支持-40°C至70°C的扩展工作温度范围,并具备优异的抗冲击振动能力。

随着模块化可扩展计算平台需求的增长,此次合作确保客户获得经过验证、面向未来的系统方案,支持下一代AI和边缘计算技术。

解决方案特别适用于:
• 轨道交通控制与信号系统
• 车载列车计算与监控
• 军事指挥控制系统
• 雷达与传感器数据处理

【关于凌华智能】

凌华智能引领边缘计算,29年的嵌入式计算经验,我们秉持将关键产业技术带入全世界。

推动人工智能和边缘可视化。我们致力于边缘计算硬软件解决方案,获得全球超过1600多家领先企业客户的信任,成为其重要的合作伙伴。

凌华智能是英特尔、NVIDIA、AWS、ARM和华为的全球策略伙伴,同时也参与ROS 2技术指导委员会以及Autoware自动驾驶开源基金会。积极参与机器人、自驾车、5G等超过24个标准规范的制定,以驱动智能制造、5G专网、智能医疗、智能交通等领域的创新。凌华智能解决方案包括加固级模块与系统、实时数据采集解决方案,以及实现人工智能+物联网(AIoT)的应用等。

凌华智能是Intel® Internet of Things Solutions Alliance优选会员(Premier Member),NVIDIA全球伙伴,并积极参与多项国际技术标准,包括Open Compute Project (OCP) 、Object Management Group (OMG) 和ROS 2技术指导委员会(Technical Steering Committee; TSC)。

凌华智能拥有共1800多名的员工和200多家合作伙伴。

欢迎关注凌华智能官方微信公众号:凌华智能,或访问www.adlinktech.com.cn 了解更多。

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近日,地平线在上海举办了 2025 年度产品发布会,推出了 L2 城区辅助驾驶系统——地平线 HSD,不仅集中展示了自身领先的技术实力,更深刻诠释了汽车智能化加速普及的产业发展趋势,成为上海车展的前哨。地平线征程 6P 作为技术底座,为城区辅助驾驶系统 HSD 提供了强大且丰富的计算资源。Arm 强大的 CPU 计算能力,为征程 6P 提供了高效应对复杂计算任务的关键支持。Arm 致力于通过先进的计算平台赋能芯片及 OEM 合作伙伴,助力提升汽车的性能与可靠性,进而为用户带来更智能、更安全、更便捷的驾驶体验。

以卓越性能与可靠性打造辅助驾驶技术底座

如今,先进驾驶辅助系统 (ADAS)、智能人机交互以及车载信息娱乐 (IVI) 系统等智能技术正在深刻革新汽车驾驶体验。在这一变革中,地平线 HSD 正成为构建新一代城区辅助驾驶的新解。

HSD 搭载的征程 6P 计算方案面向下一代城区辅助驾驶,集成 CPUGPUMCU 等丰富计算资源,算力可达 560 TOPS,单颗即可支持城区辅助驾驶的全栈计算任务。Arm 技术为征程 6P 方案注入了强大的计算能力支持,助力其高效处理复杂算法与实时数据任务。其中,Arm Cortex-A78AE 的功能安全设计涵盖混合关键性架构、硬件级安全机制及分核、锁步技术,可高效满足辅助驾驶的安全需求。这些特性不仅为地平线征程 6P 构建了高性能与高可靠性的技术底座,也助力辅助驾驶技术向高效、安全方向演进。

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地平线 HSD 将作为奇瑞“猎鹰”的一款先进方案,与征程 6P 计算方案一同在星途品牌上全球首发,并于 2025 9 月正式量产。迄今为止,地平线已达成前装量产出货超过 800 万套,量产上市车型超过 200 个,量产定点车型超过 310 个,陪伴超 500 万位车主安全美好出行。

这组亮眼数据的背后,Arm 技术提供了有力支持,从征程 2 到征程 6 系列辅助驾驶计算方案,地平线与 Arm 始终保持着紧密的技术合作,赋能了包括上汽、奇瑞、比亚迪、广汽、吉利、大众、理想、蔚来等厂商的多款车型。值得一提的是,搭载地平线的征程计算方案的蔚来全新品牌萤火虫同名车型已于近日正式上市,成为本次上海车展的一大亮点车型。Arm 与合作伙伴的紧密携手,不仅推动了辅助驾驶技术的快速演进,更见证了汽车产业的发展繁荣。

Arm 技术不断演进,构建未来汽车的算力基石

在汽车领域,Arm 二十多年来始终专注投入,持续推动技术演进,其技术始终引领着行业应用的发展。如今,兼具出色性能、可扩展性、能效以及独特安全功能的 Arm AE IP 已成为汽车电子产品的基石,持续赋能国内外领先的汽车 OEM 厂商。AI 时代下,为满足市场对于高汽车算力和性能水平的需求,Arm 将服务器级的 Neoverse CPU 引入了 Arm AE IP 产品线,打造了专为需要超高单线程性能的高端 ADAS 和智能驾驶等用例而设计的全新汽车专用 CPU—Arm Neoverse V3AE。这也是 Arm 首次将 Armv9 架构带入汽车应用,使行业受惠于新一代 Arm 架构所带来的 AI、安全和虚拟化功能等优势。

今年,Arm 还将推出汽车计算子系统 (CSS),为合作伙伴生态系统提供预集成和经过验证的 AE IP 配置,进一步优化性能、功耗和芯片面积。

凭借在能效、性能以及功能安全方面的专长,紧密贴合产业发展趋势的持续技术演进,以及与生态伙伴的紧密合作,Arm 在汽车领域的市场份额持续增长。目前,全球已有 94% 的汽车制造商在其最新车型中采用了 Arm 技术。具体到细分场景,Arm 技术已为 80% IVI 系统和 65% ADAS 系统提供支持。

Arm 相信,汽车技术的未来在于打造无缝融合边缘计算、物联网功能和 AI 的解决方案。Arm 将继续携手广泛的汽车生态系统,为汽车产业提供可扩展、高效、安全的解决方案,共同释放 AI 时代的潜力。

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人形机器人具有自动执行任务、做类似人类的动作和参与社交互动,因此在各行各业都备受关注。这些机器人的应用范围广泛,从医疗保健、人形机器人辅助患者,到工业自动化、教育和研究,不一而足。人形机器人的开发 面临着多项挑战,包括复制人类的复杂动作、实现自主决策以及创建能够适应非结构化环境的系统。

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图 1 现代人形机器人

传感在人形机器人中的重要性

人形机器人的一个重要方面是探测和解读物理环境的能力;正如人类依靠感官进行导航和与世界互动一样,人形机器人也需要复杂的传感系统来自主有效地执行任务。人形机器人中使用的常见传感器类型包括视觉系统(摄像头)、雷达和激光雷达(导航和感知)、触觉传感器(模拟触控)以及使机器人能够了解自身姿势和平衡的听觉系统(麦克风)。本应用简报探讨了毫米波 (mmWave) 雷达传感器在导航、识别以及将雷达与摄像头传感器集成方面的优势,从而实现人形机器人中的传感器融合。

毫米波雷达传感器简介

远距离功能、高运动灵敏度和隐私功能使基于雷达的传感器集成电路 (IC) 成为位置和接近传感设计的常用技术。雷达传感器具有高精度,在汽车和工业市场中也很受欢迎,用于检测盲点、碰撞、人员和运动。

60GHz 和 77GHz 雷达传感器具有更高的分辨率、更高的精度和更小的外形尺寸,正在取代 24GHz 雷达传感器。60GHz 和 77GHz 雷达频带支持新的应用,例如工业机器人中的物体存在检测以及工厂或家居移动机器人应用。

毫米波传感器相较于激光雷达和摄像头的优势

由于雷达能够在恶劣天气条件下良好运行,因此通常选择毫米波雷达技术而不是激光雷达、摄像头和其他光学传感器,以节省成本;摄像头可能会受到光线不足和天气的影响。雷达还具有较宽的距离和覆盖范围,使传感器能够检测 100 米以外的物体。由于移动机器人应用需要节省功耗,因此用户经常使用低至 1.7mW 的雷达进行存在检测。但是,在各种用例场景中,可使用雷达和激光雷达、摄像头或替代光学传感器类型组合。

从功能安全的角度来看,TI 工程师在设计 IWR6843 等非接触式雷达传感器之前,已进行了大量的硬件和软件开发工作,并获得了 (TÜV) SÜD 的器件认证。所有 TI 雷达传感器均包含内置的功能安全机制,可提供 IEC 61508 所要求的必要诊断覆盖范围,可在元件级别满足高达安全完整性等级 (SIL) 2 的硬件功能。

可以通过诊断软件库、编译器资质审核套件、第三方操作系统、开发工具和其他文档在线获取功能安全配套资料,从而让工程师简化安全设计流程和系统级认证。

传感器融合

在人形机器人中使用一种类型的传感器存在明显的局限性,包括数据收集不完整或不准确。例如,摄像头在深度感知、光线不足或探测非视觉元素时会遇到困难,而激光雷达传感器则会因为机器人移动时激光上下跳动而导致读数不准确。数据收集限制可能会导致导航、物体操作和环境交互方面的错误。

传感器融合技术通过集成来自多个传感器的数据,更准确、可靠和全面地了解机器人环境,从而解决这些问题。通过结合来自各种传感模式的输入,人形机器人可以做出更明智的决策,从而增强执行复杂任务的能力,例如在不平坦的地形中导航、抓取不同形状和大小的物体,以及在动态的真实世界环境中进行交互。传感器融合的优势包括:

1.通过合并不同传感器的数据来提高精确度。

2.冗余,以便在一个传感器发生故障时确认功能正常。

3.通过更全面地了解周围环境提高环境感知能力。

4.能够更好地适应 动态环境。

雷达和摄像头传感器融合

雷达在恶劣条件下经久耐用,而且在探测移动物体时非常可靠,因此是经常集成到系统中的主要传感器之一。为了弥补单一传感器系统的不足,TI 为希望更大限度提高机器人精度和感知能力的用户提供了各种产品。TI 提供摄像头和雷达传感器模块以及 IMX219 摄像头和 IWR6843ISK EVM 毫米波雷达传感器。该模块实现了一种物体级融合方法,该方法应用了注重物体聚类和跟踪的摄像头-视觉处理链和雷达处理链,使用户能够跟踪和探测三维环境中的物体。用户演示了传感器融合在机器人 SDK 中的诸多潜能和功能。

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图 3 采用 IMX219 和 IWR6843ISK 构建的摄像头和雷达传感器模块

总结

本应用简报探讨了毫米波感应、安全和传感器融合在实现精确检测人形机器人周围的物体和运动方面的优势。毫米波传感技术在昏暗或灰尘等低能见度条件下尤为重要,因为在这些条件下,传统的视觉传感器可能不可靠。毫米波雷达成本低、功耗更低,而且能在恶劣天气条件下工作,因此成为机器人应用的潜在选择。

本应用简报还介绍了功能安全和传感器融合技术,这些技术对于人形机器人在复杂环境中的可靠运行至关重要。凭借 (TÜV) SÜD 内置的功能安全机制和器件安全认证,TI 雷达器件可提供 IEC 61508 所需的必要诊断覆盖范围,可在元件级别满足高达 SIL 2 的硬件功能。将支持安全功能的雷达与激光雷达、摄像头或其他光学传感器相结合,有助于提高物体探测的准确性、故障冗余性、决策能力以及机器人行为的实时调整,从而提高人形机器人系统的自主性和安全性。

关于德州仪器

德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,从事设计、制造和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、企业系统和通信设备等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,让世界更美好。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础上,使我们的技术变得更可靠、更经济、更节能,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用。登陆 TI.com.cn 了解更多详情。

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IPC 宣布发布 IPC-2591《互联工厂交换标准》(Connected Factory Exchange,CFX)2.0 版,这是数字制造领域即插即用、机器对机器和机器对系统通信的全球标准。

2.0 版提供了大量更新或扩展,以支持更广泛的车间操作。其中包括增加了手工焊接和波峰焊操作的功能,将支持的设备类型总数扩大到 14 种,并为网关解决方案提供商提供了通过 CFX 验证和鉴定系统展示 CFX 功能的途径。

此外,CFX 2.0 版还包括新功能、信息添加和结构变化,以支持更智能的工厂运营,其中包括

支持在 CFX 环境中部署的自动导引车 (AGV) 和自主移动机器人 (AMR) 技术的新消息传递

新增信息字段,可追溯具体的 PCB 差异(如电路板供应商标识),从而影响检测结果和流程优化

SMT 贴装功能扩展到包括每个元件的拾取和贴装周期信息,以提供元件贴装的详细视图和机器上任何失败的拾取尝试,并捕捉贴装错误发生前连续拾取尝试的次数

通过记录操作员在设备级别对活动配方所做的任何即时修改,改进了对生产过程中动态配方更改的处理

与之前发布的所有 IPC-2591 CFX 版本一样,CFX 2.0 版软件开发包(SDK)向后兼容 CFX SDK 之前的版本。

“ASMPT 产品管理软件解决方案总监 Thomas Marktscheffel 说:"IPC-CFX 2.0 中的每一项增强功能都是由实际制造需求驱动的,并经过 IPC 工作组的审核,以保持与早期版本的兼容性。“因此,IPC-2591 标准的范围更广、内容更详细,涵盖了更广泛的生产流程,并能提供更丰富的机器数据,从而在互联工厂中实现更智能的分析和更高效的运营。

如需购买 IPC-2591 2.0 版,请访问 IPC Store

有关 CFX 的更多信息,包括访问最新 SDK 和软件开发资源,请访问 www.ipc-cfx.org

关于 IPC

IPC (www.IPC.org) 是一家全球性行业协会,总部位于伊利诺伊州班诺克本,致力于为其 3,200 多家会员公司提供卓越的竞争力和财务成功,这些公司代表了电子行业的方方面面,包括设计、印制板制造、电子组装、先进封装和测试。作为一个以会员为导向的组织,同时也是行业标准、培训、市场研究和公共政策倡导的主要来源,IPC 支持各种计划,以满足约 3 万亿美元的全球电子行业的需求。IPC 还在华盛顿特区、亚特兰大、迈阿密、墨西哥城、慕尼黑、布鲁塞尔、印度班加罗尔和德里、泰国曼谷以及大中华区的上海、深圳和台北设有办事处。


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本文属于德州仪器“电源设计小贴士”系列技术文章,将主要讨论服务器电源设计中的五大趋势:功率预算、冗余、效率、工作温度以及通信和控制,并分析预测服务器 PSU 的未来发展趋势。

由于服务器对于处理数据通信至关重要,因此服务器行业与互联网同步呈指数发展。尽管服务器单元最初是基于 PC 架构,但服务器系统必须能够应对日益增加的网络主机数量和复杂性。

图 1 展示了数据中心中的典型机架式服务器系统及服务器系统方框图。电源单元 (PSU) 是服务器系统的核心,而且需要复杂的系统架构。本文将探讨五种服务器 PSU 设计趋势:功率预算、冗余、效率、工作温度以及通信和控制。

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图 1 服务器系统方框图以及服务器在数据中心中的位置

趋势一:功率预算

在 21 世纪初,机架或刀片式服务器 PSU 的功率预算在 200W 至 300W 之间。当时,每个中央处理单元 (CPU) 的功耗在 30W 至 50W 之间。图 2 展示了 CPU 功耗趋势。

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图 2 21 世纪初的 CPU 功耗趋势

如今,服务器 CPU 的功耗约为 200W,随着热设计功率接近 300W,服务器 PSU 的功率预算大幅增加至 800W 至 2,000W。为了支持越来越多的服务器计算要求,如互联网上的云计算和人工智能 (AI) 计算,服务器可以添加图形处理单元 (GPU) 来与 CPU 一起工作。这样,服务器的功率需求将在五年内增加到 3,000W 以上。但是,由于大多数机架或刀片式服务器 PSU 仍使用额定电流高达 16A 的交流电源插座,因此功率预算有限:在 240VAC 输入下大约为 3,600W(考虑到转换器效率)。因此,短期内,机架式服务器 PSU 的功率限制将仍为 3,600W。

对于数据中心电源架,服务器 PSU 设计人员广泛采用国际电工委员会 (IEC) 60320 C20 交流电源插座,其额定电流为 20A。PSU 功率预算受其交流电源插座额定电流的限制,这使得当今数据中心 PSU 的功率大约为 3,000W;但在不久的将来,数据中心 PSU 的功率等级可增加到 5,000W 以上。为了提高每个 PSU 的功率预算并实现更高的功率密度,您还可以对交流电源插座使用汇流条,来提高输入电流等级。

趋势二:冗余

服务器系统的可靠性和可用性非常重要,因此需要冗余 PSU。如果一个或多个 PSU 出现故障,系统中的其他 PSU 可以接管供电。

简单的服务器系统可以具有 1+1 冗余,这意味着系统中有一个 PSU 工作,一个 PSU 冗余。复杂的服务器系统可能具有 N+1 或 N+N (N>2) 冗余,具体取决于系统可靠性和成本考量。为了在需要更换 PSU 时保持系统正常运行,系统需要热插拔(ORing 控制)技术。由于在 N+1 或 N+N 系统中有多个 PSU 同时供电,因此服务器 PSU 也需要使用电流共享技术。

即使处于待机模式(未从其主电源轨向输出端供电)的 PSU 也需要在热插拔事件后即时提供全功率,因此需要功率级持续激活。为了降低待机模式下冗余电源的功耗,“冷冗余”功能正成为一种趋势。冷冗余旨在关闭主电源运行或在突发模式下运行,从而使冗余 PSU 更大限度减少待机功耗。

趋势三:效率

21 世纪初,效率规格仅在 65% 以上;当时,服务器 PSU 设计人员没有优先考虑效率。传统转换器拓扑可以轻松满足 65% 的效率目标。但是,由于服务器需要持续运行,效率更高可以大大降低总拥有成本。

自 2004 年以来,经 80 Plus 标准认证,PC 和服务器 PSU 系统效率超过 80%。如今,大规模量产的服务器 PSU 大多符合 80 Plus 金牌(效率 >92%)要求,有些甚至可以达到80 Plus 铂金标准(效率 >94%)。

目前正在开发的服务器 PSU 主要符合更高的 80 Plus 钛金规格,这要求半负载时的峰值效率达 96% 以上。表 1 显示了 80 Plus 的各种规格。

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表 1 80 Plus 规格可确保效率在 80% 以上

趋势四:工作温度

在服务器 PSU 热管理方面,设计人员将风扇所在的 PSU 交流电源插座的环境温度定义为服务器 PSU 的工作温度。21 世纪初,工作温度最高为 45°C,现在达到最高 55°C,具体取决于服务器机房中的冷却系统。

较高的工作温度可降低服务器冷却系统的能源成本。与数据中心的资本支出(如硬件设备)相比,随着时间的推移,作为运营支出的能源成本预计会高于资本支出。根据电源使用效率 (PUE) 标准:PUE = 数据中心总功率/IT 实际使用功率。

如表 2 所示,PUE 数值越低,数据中心的效率越高。图 3 是不同工作温度下 PUE 数值的估算。例如,PUE 为 1.25 的数据中心仅允许冷却系统功耗为总功耗的 10%。这意味着服务器 PSU 需要更高的工作温度。

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表 2 PUE 数值较低的数据中心具有高效率

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图 3 对不同工作温度下 PUE 数值的估算表明,工作温度越高,冷却成本越低

趋势五:通信和控制

多年来,通信和控制在服务器电源方面发挥着重要作用。21 世纪初,PSU 的内部信息通过系统管理总线接口传输到系统端。2007 年,电源管理总线 (PMBus) 接口增加了多项功能,包括配置、控制、监控和故障管理、输入/输出电流和功率、电路板温度、风扇速度控制、实时更新代码、过压(电流、温度)和保护。之后,为了应对数据中心电源架的增长需求,控制器局域网 (CAN) 总线成为了服务器电源通信的一部分。

电源管理控制器也随着通信总线的发展而发展。21 世纪初,服务器 PSU 主要由模拟控制器控制。随着控制需求越来越多,通信需求也有所增加,使用数字控制器可以更容易满足这些需求。使用数字控制还可以减少硬件工程师的调试工作,从而有可能降低 PSU 设计和验证阶段的人力成本。

服务器 PSU 的未来发展趋势

随着服务器功率预算增加,而体积保持不变,功率密度要求将变得更加严格。21 世纪初,功率密度为个位数;而新开发的服务器 PSU 则增加到近 100W/in3。通过拓扑和元件技术演进提高转换器效率,是实现高功率密度的解决方案。

与电流、功率和效率趋势的情况一样,理想二极管/ ORing 控制器需要在小型封装中提供高电流。理想二极管/ ORing 控制器还必须集成监控、故障处理和瞬态处理等功能,用于减少实现这些功能所需的元件总数和 PCB 面积。

例如,服务器 PSU 中的 PFC 电路已从无源 PFC 演变为有源电桥 PFC,再演变为有源无桥 PFC。隔离式直流/直流转换器已从硬开关反激式和正激式转换器演变为软开关电感器-电感器-电容器谐振和相移全桥转换器。非隔离式直流/直流转换器已从线性稳压器和磁放大器演变为具有同步整流器的降压转换器。随后整体效率的提升可降低内部功耗和解决散热问题所需的工作量。

应用于服务器 PSU 的元件技术也在不断发展,从 IGBT 和硅 MOSFET 发展为碳化硅 MOSFET 和氮化镓 FET 等宽带隙器件。IGBT 和硅 MOSFET 的非理想开关特性将开关频率限制在 200kHz 以下。虽然宽带隙器件的开关特性更接近于理想开关,但使用宽带隙器件可以实现更高的开关频率,从而有助于减少 PSU 中使用的磁性元件数量。

随着工作温度升高,服务器 PSU 中的元件需要处理更高的热应力,这也推动了电路的发展。例如,一种传统实现方案是将机械继电器与电阻器并联,用于抑制启动期间的输入浪涌电流。但由于机械继电器体积过大、存在可靠性问题和温度等级较低,固态继电器现在正取代服务器 PSU 中的机械继电器。

功率密度 >180W/in3 的 3.6kW 单相图腾柱无桥 PFC 设计和具有有源钳位、功率密度 >270W/in3 的 3kW 相移全桥设计,旨在满足服务器中常见的冗余电源规范(图 4)。

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图 4. 3 6kW 和 3kW 参考设计方框图

在 3.6kW PFC 设计中,固态继电器可适应较高的工作温度。这里,LMG3522R030 GaN FET 支持使用无桥图腾柱 PFC 拓扑。“小型升压”可降低大容量电容器的体积,从而提高功率密度。

在 3kW 相移全桥设计中,LMG3522R030 GaN FET 有助于降低循环电流,并实现软开关。有源钳位电路用作无损缓冲器,可在降低同步整流器电压应力的情况下,实现更高的转换器效率。通过将 C2000™ 微控制器用作数字控制处理器,上述所有控制要求均可实现。

德州仪器电源设计小贴士”列技术文章由德州仪器专家创建并撰写,旨在深入剖析当前电源设计普遍面临的难题,并提供一系列切实可行的解决方案和创新设计思路,帮助设计人员更好应对电源设计挑战,助力设计更加高效、可靠。

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德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,从事设计、制造和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、企业系统和通信设备等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,让世界更美好。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础上,使我们的技术变得更可靠、更经济、更节能,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用。登陆 TI.com.cn 了解更多详情。

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作者:Gartner研究总监曹梦琳

生成式人工智能(GenAI)和大语言模型(LLM)的迅猛发展催生了空前的算力需求。随着AI模型复杂度不断提升,支撑其运行所需的能源已对数据中心造成巨大压力。Gartner预测,到2027年,数据中心运行新增AI服务器所需的用电量将达到每年500太瓦时(TWh),是2023年的两倍以上。GenAI不断攀升的电力需求为数据中心运营带来了成本、性能和可持续性等多重挑战。

Gartner预测,到2027年,40%的数据中心将因电力供应问题而面临运营限制。这种情况不仅会影响数据中心自身,还会对其客户和终端用户产生连带效应,导致成本上升、服务性能下降等问题。

对于IT部门而言,GenAI日益增长的电力需求正成为关键制约因素,限制其部署GenAI相关产品和应用的能力。

GenAI处理向终端转移

数据中心电力消耗所带来的运营风险,将迫使产品负责人考虑将更多AI推理工作负载转移至终端设备。目前,更高的响应速度和更好的数据隐私保护是终端GenAI的两大优势。如今,为应对数据中心电力限制的压力,终端GenAI正在成为更具吸引力的解决方案。

Gartner预测,到2026年,终端GenAI查询量将超过云端,这标志着AI战略的重大转向。

终端GenAI处理需重新设计关键技术

随着行业格局演变,产品负责人必须重新评估其AI战略以适应这一转向。评估如何优化推理方式,在终端分配GenAI工作负载至关重要。采用终端GenAI,企业不仅能缓解数据中心电力约束带来的风险,还能提升整体用户体验。这一战略转向不仅可以帮助企业解决当前的电力挑战,也让企业在快速演进的AI环境中更好地应对未来需求。

受改善用户体验(如增强数据隐私、降低延迟、加快响应速度)的需求驱动,GenAI正加速向智能手机、个人电脑(PC)、平板电脑、XR头显、可穿戴设备、车辆、机器人和物联网设备等终端设备转移。由于终端设备外形尺寸的限制,其搭载的GenAI处理需要极高的能源效率,同时不应因新增的GenAI功能而影响终端设备的续航时间和电池寿命。终端GenAI的发展需要半导体、电池以及AI模型开发领域的显著协同创新。

·半导体:高效节能芯片是实现实时处理和低延迟的关键。专为终端GenAI设计的专用AI处理器、低功耗存储芯片,以及集成神经处理单元(NPU)的应用处理器和微控制器单元(MCU)成为首选方案。氮化镓(GaN)等宽禁带半导体在快充电源转换中至关重要,可显著提升用户体验。由于本地GenAI处理可能快速消耗电池电量,快充技术对于智能手机、PC等电池供电的终端设备至关重要,是保障其GenAI功能用户体验的关键因素。

·电池:智能手机、PCXR头显、可穿戴设备等大多数终端设备都依赖电池供电,而终端GenAI处理将消耗更多电量。固态锂离子电池这类更高能量密度的电池,将成为支持更长续航时间的关键。

·AI模型:终端设备的本地处理需要参数规模更小的定制化AI模型。参数更少的轻量化大语言模型适用于特定任务和行业,可降低计算需求,使其适合部署在无法运行标准重型”LLM 的终端设备上。

关于Gartner

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