工控市场稳中求变,纳芯微提供安“芯”之选

Release time:2023-09-20
author:AMEYA360
source:纳芯微
reading:3388

  工业控制市场是现代工业中不可或缺的一部分,它涉及到自动化、智能化、数字化等多个方面。随着全球经济的发展和科技的进步,工业控制市场也在不断扩大。据市场调研机构研究统计,2022年全球工业控制市场规模约8000亿元,预计未来将持续保持平稳增长的态势,到2029年市场规模将超过万亿元,未来六年CAGR约3%。

工控市场稳中求变,纳芯微提供安“芯”之选

  一、工控行业稳中求变

  工业控制对系统的可靠性、稳定性要求比较高,因为故障停机会造成比较大的损失。传统的工控设备只能完成简单的控制和操作,而工业4.0的兴起正在将智能工厂引入各行各业。新的工控设备能够自适应、自监测、自维护,不仅提高了生产精确度、效率和产品质量,还能更好地适应多变的生产环境。

  智能化升级是工控行业的主要趋势之一,工业互联网加快了工业控制系统向智能化、网络化和数字化方向的发展。例如机器人控制,融合了AI(人工智能)的模糊控制以及神经网络算法等,在智能控制的同时也实现了高速化。不管是智能化还是高速化,都需要更精确的采样和更精准的控制;由于数据量越来越大,在更高速采样的同时还需要更高速的通信,才能实现更精准的控制。

  另一个不变的趋势是小型化,工控设备一直在向模块化和集成化方向发展,以快速适应不同的生产流程和应用场景,有效提高生产效率。通过模块化设计和集成化应用,工控设备能够更好地完成生产任务,降低成本并提高精确度。

  此外,工控云化可以满足数据共享和协同的需求,通过云平台实现远程控制与监测,大幅提高生产效率和管理效果,并提高企业的竞争力。

  二、半导体技术与工控天作之合

  工控行业的发展需要先进的半导体技术做支撑,比如满足宽温环境要求的半导体器件及电子元件,如CPU、MCU、DSP,以及隔离接口、隔离驱动、电流传感器等。上述趋势恰恰也为半导体尤其是模拟芯片带来了巨大的应用机会。

  智能化首先要有一个最强的大脑——主控芯片,它既要有更大的容量,还要有更强的计算能力,并支持不同的算法;其次,智能化还要有强壮的躯干——更高精度、更快速率和更高带宽的采样能力;系统可靠性也要更强,器件还需要有保护功能,以确保模块不会因失效而烧毁、炸机。

  从小型化角度来说,在系统中使用高频器件,可以实现变压器、电感等的小型化,从而有效简化系统结构,降低设备的体积和重量;还可以利用热地方案来优化电气架构,让整个系统变得更加简单。

  纳芯微数年前就开始了工控领域的产品布局,其完善的解决方案现已广泛应用于工业变送器、变频器、PLC、伺服等应用中。

  三、纳芯微完善的工控系统解决方案

  针对工控行业升级的大趋势,纳芯微可提供完整的工控系统芯片解决方案,目前,在工业变频和PLC方面已经推出了非常多的产品。如下图工业电机系统解决方案所示,逻辑控制部分有公司的传统优势产品,如数字隔离器、隔离接口、非隔离接口等通信类产品;在变频、伺服等大功率应用方面,有全品类的驱动和电压采样、电流采样解决方案。

  纳芯微工业电机系统解决方案

  1)在可靠性方面,纳芯微的产品已经过市场和客户的验证,具有很高的稳定性和可靠性;针对中大功率的系统,纳芯微也推出了带保护功能的产品,以便更好地满足系统的高可靠性要求。

  ◆ 单通道隔离驱动NSI6801:目前已在工业变频器和伺服系统中大批量应用。它基于容耦隔离技术,兼容光耦输入,信号调制方式采用自有专利Adaptive OOK® 技术,能够提供更强的隔离性能。该器件的CMTI(共模瞬变抗扰度)大于150kV/μs,提高了系统的抗干扰能力,有效减少了误导通现象,能够适配更多的应用场景,系统的稳定性和可靠性更高。

  ◆ 智能隔离单管驱动NSI68515:集成了更多保护功能,如米勒钳位、DESAT(退饱和)保护、软关断保护、故障报警等,能够在功率管发生过流或短路时,快速检测到故障并关断管子,防止功率管损坏。

  2)在支持工控系统小型化方面,纳芯微还提供一些有针对性的产品解决方案,例如,以下两款更高集成度的芯片产品。

  ◆ 数字输入(DI)隔离器NSI860x:用单颗器件即可替代多颗低速或高速光耦器件,能够有效缩小系统尺寸,简化系统设计。与数字隔离器不同,数字输入(DI)隔离器的输入级为电流型输入,且集成了电流限制功能,允许在-60V~60V范围内将输入电压转换为逻辑输出。

  ◆ 四通道低边驱动器NSD5604:它是为小型化PLC主机与DO模组提供的集成式驱动方案。4通道集成漏级输出结构节省了DO模块PCB面积,支持小尺寸或名片式DO模组设计。它可以替代传统MOS管+隔离器的分立方案,一颗NSD5604加一颗数字隔离器即可完成整个PLC数字输入,集成度更高。

  3)为实现工控系统智能化、高速化,需要更高精度、更快速率和更高带宽的采样能力,以下两款产品是理想的选择。

  ◆ 隔离电压采样芯片NSI1312x:支持单端模拟输出,可以直接连接MCU的ADC I/O口,不需要额外的运放作为差分转单端,使整个传输路径变得更加简单,可以实现更高的精度、更高的带宽和更快的响应速度。该器件在满幅输入条件下可满足±0.5% @25℃、±1.5% @-40~125℃的精度要求。

  ◆ 集成式电流传感器NSM201x:具有高精度、高可靠性、高灵敏度、低零点误差及良好的线性度(非线性度误差<±0.2%)等特性,能够降低器件的整体输出误差,在工作温度范围内,最大测量误差±1.5%。基于霍尔效应原理,采用隔离方式将±200A以内的电流转换成线性电压输出,通过集成电流路径,芯片无需额外的电源供电,能够实现更高精度的电流采样。此外,它还具备高隔离耐压、强通流能力、快速过流保护等功能。该系列适用于多种隔离电流采样场合,如工业变频器中的母线电流及桥臂电流采样。

  四、聚焦工控行业,适配更多应用

  纳芯微始终聚焦终端应用,围绕系统应用开发产品,为客户提供高性能、高可靠性的产品和解决方案,助力客户提升系统的整体性能。

  在未来,纳芯微也将持续发力工控行业,开发更多适配行业应用的丰富产品,特别是符合行业趋势的前瞻性产品,助力工控领域的创新,迎接工业自动化市场的爆发式增长。

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纳芯微丨低资源占用、快速切换:单 Bank Flash MCU 在线升级方案解析
  随着智能产品进入规模化应用,现场固件更新能力已成为产品持续迭代的重要支撑。对于 MCU 系统而言,固件升级不仅要完成新版本程序写入,还需尽量降低升级过程对设备运行状态和用户使用体验的影响。  针对单 Bank Flash MCU 平台,本文提出一种不断电固件升级方案,通过软件架构设计实现安全、快速、用户低感知的现场固件更新,为单 Bank Flash MCU 提供在线升级能力。  01 方案背景  目前,MCU 常见固件升级方式包括 IAP(In Application Programming)、ISP(In System Programming)、双 Bank 升级、OTF(On The Fly)、LFU(Live Firmware Update)以及 LiveUpdate 等。其中,不断电升级通常要求系统在升级过程中保持业务运行,不依赖设备重启,并实现新旧固件的平稳切换。  现阶段,OTF 和 LFU 是较为常见的不断电升级方案,但通常依赖 MCU 具备双 Bank 架构的 Flash 存储器。而在实际应用中,单 Bank Flash MCU 仍然占据较大存量。由于单 Bank Flash 不具备动态 Bank 切换能力,如何在不依赖双 Bank Flash 架构的前提下,实现无停机、无复位、业务连续的现场固件升级,成为单 Bank Flash MCU 在线升级设计中的关键问题。  02 系统架构与核心技术点  由于单 Bank 架构的 Flash 不具备动态切换 Bank 或启动时自动切换 Bank 的功能,因此需增加 Bootload 程序,负责系统引导、启动选择及运行环境构建。Bootload 支持烧录 App 固件、读取 App 信息区、并为 App 区配置运行环境。  这种架构可支持多个 App 区,每个 App 区均设有独立的信息区。信息区用于存储对应固件分区的关键参数,包括加载地址(LoadAddress)、运行地址(RunAddress)、代码长度(Length)以及中断初始化程序等必要信息。  整体方案的组成框架如图 1.1 所示。需要实现的关键技术包括:  ① APP 区信息的保存与动态分析;  ② 切换 APP 区时的定点切换;  ③ 在主循环内更新主循环本身。  图 1.1 单 Bank 不断电升级方案框架  03 固件分区与信息提取  Bootload 与 App 区在运行过程中需动态读取固件信息,以便为后续执行的目标代码构建运行环境。需特别说明的是,Bootload 跳转至 App 区的机制与 App 区之间的跳转机制并不相同。在本文提供的方案中,Bootload 跳转至 App 区采用传统的 IAP 跳转方式;而 App 区之间的跳转则基于固定代码区的锁定机制,以确保跳转过程的安全性。  Flash 存储器需要通过 FMC 模块与 CPU 进行通信,Flash 在执行擦除操作时需耗费一定时间,若在此期间 CPU 发起对 Flash 的读取请求,将会因为等待 FMC 完成擦除而导致阻塞。  这引入了第一个需要解决的问题—— App 区内擦除 Flash 阻塞。为避免该问题,在擦除 Flash 时应避免 CPU 同时读取 Flash,相关操作需置于 SRAM 或 ITCM 中执行。  为简化实现流程,本方案将 App 区固定运行于 SRAM 中。Bootload 在启动阶段将 App 代码从 Flash 手动拷贝至 SRAM,从而有效避免擦写冲突,确保升级过程的稳定与可靠。  App 区的分区功能使用的是 Sct 分散加载脚本功能,如程序清单 1.1 所示。  程序清单 1.1 App 区的 Sct 文件  以 App0 为例,其分区信息与作用描述如表 1.1 所示。  表 1.1 App 区的分区功能描述  固件信息区 FIRM_DROM 用于存储程序清单 1.1 中各个分区的关键参数,包括加载地址(LoadAddress)、运行地址(RunAddress)、代码长度,以及用户自定义和其他辅助信息。这些信息通过编译器自动生成的全局环境变量进行记录,具体声明方式如程序清单 1.2 所示。  程序清单1.2 分区信息保存方法  清楚如何将 Load 地址拷贝到 Image 、和复制长度,即可动态搭建不同固件的运行环境。  04 固定代码区  堆栈污染防护机制  在 C 程序运行过程中,堆(Heap)用于程序源动态申请和释放临时变量,而栈(Stack)则用于在子函数调用或中断触发时保存临时变量、返回地址等上下文信息,通过“进栈-出栈”机制实现函数调用链的正确返回与运行环境恢复。  基于上述机制,引入本方案需解决第二个关键问题——App区相互跳转前后,堆栈中保存的返回地址与新固件无法对接,即“堆栈污染”问题。由于 App0 与 App1 区的代码随用户程序迭代而不断变化,若直接跳转极易因堆栈不一致导致系统异常。为此,方案引入固定代码区以保障跳转过程的稳定性。  固定代码区本质上位于 main() 函数内的主循环(如 while(1) )中。该循环具备一个重要特性:所有子函数执行完毕后均会返回至主循环入口,中断服务程序执行完毕后也同样返回到此位置。根据堆栈行为特点,当程序运行于主循环内部时,堆栈中不会保留函数调用信息,此时堆栈处于“最干净”状态,从而有效避免了跳转过程中的堆栈污染问题。  要做到这点,需要将 main() 放到 FIXCODE 区域内,然后 main 内部的初始化和主循环内统一调用子函数,增减的代码都在子函数内处理,让切换 App 区执行代码不发生偏移。如程序清单 1.3 所示。  程序清单 1.3  05 运行时固定代码区更新策略  FIXCODE 本身是 main() 和主循环,里面同样包含用户层的应用代码,所以更新固件这部分也同样需要更新到最新版本。本方案需要解决第三个关键问题——程序运行期间不能被擦除,否则会导致指令读成乱码,所以在更新固定代码区的操作要放在非固定代码区,且保证执行完后能回到正确的堆栈点。  图1.2 更新固定代码区  06 中断向量表与函数分区更新实现  中断处理包括中断向量表处理和中断函数处理。中断函数通过声明中断服务函数以及其调用的子函数分配到 RW_APP0_ITCM 区,这样就可以通过分区更新功能统一更新。本方案需要重点处理中断向量表。  中断向量表涉及的方面包含以下几处地方:  ① Sct 文件内声明的 RESET 区域,如程序清单 1.1 所示;  ② SDK 包内默认的中断向量表地址,包括 Flash 中断向量表和 VT_DTCM 的中断向量表;  ③ 在切换新固件的中断部分,准备好内存空间,最后修改 VTOR;  在第二点中,SDK 内对中断向量表的操作如程序清单 1.4 所示。  程序清单 1.4 SDK 包中断表处理  代码路径:interrupt.c  VECTOR_TABLE_FLASH_ADDRESS 是指固件的头部装载地址,需要留意的是,这个表里还包含了默认处理函数句柄以及 Reset 等前面不可屏蔽的处理函数。  SDK内默认将 VECTOR_TABLE_FLASH_ADDRESS 设置为 0x08000000,对每个 APP 区必须在 interrupt.h 内改为对应地址。  程序清单 1.3 内的函数实现的主要目的,是将存放在 DTCM 空间内的 vectorTableDTCM 表重初始化。  在 App 区内的操作流程如图 1.3 所示。可看到板级初始化做的是 App 本身所占用的中断表地址,而切换则是搭建新固件的中断表地址。  07 变量偏移防护与共享内存设计  由于业务逻辑要持续运行,所以对于关键的状态变量、计数变量等需要做特殊处理。这里就提出第四个问题——由于编译器为节省空间,会将变量紧密排序,从而导致全局变量在切换到新固件时产生不可预计的偏移。简单而言就是将这类需要继承的变量,存放在 ShareMemory 空间内,并以绝对地址的形式固定下来。这种方案相较于其他依赖编译器的固定方式最直接快速。
2026-06-04 10:23 reading:279
纳芯微丨AI 服务器电源功率密度提升,隔离采样芯片如何应对采样与保护挑战?
  随着 AI 服务器电源功率密度和运行频率持续提升,系统对关键节点电压、电流的采样精度、响应速度和隔离安全提出了更高要求。  在服务器电源系统中,从 AC/DC PFC 输入级到 DC/DC LLC 谐振级,各级功率转换均依赖精确的电压、电流监测数据,以支撑系统高效、稳定运行。在高压、高频、高功率密度工作条件下,如何在高压侧与低压控制侧之间实现可靠的物理隔离,并保障关键信号的准确、及时传输,成为系统设计中的重要问题。  隔离采样技术可在高压侧与低压控制侧之间建立安全隔离,同时实现电压、电流等关键信号的采集与传输,帮助降低高压串扰、雷击或瞬态过压等因素对低压控制电路的影响,并为系统控制与保护提供必要反馈。  01  隔离采样技术演进  从基础隔离到智能集成  纳芯微隔离采样产品矩阵体现了从基础隔离采样向集成化、智能化方向的演进。  以 0–2V 单端输入的 NSI1311 为起点,纳芯微隔离采样产品逐步向隔离电压采样、隔离电流采样和隔离比较器等方向拓展。  在隔离电压采样方向,产品由单端输入的 NSI1311,发展至差分输入的隔离运放 NSI1312 和差分输入的隔离 ADC NSI1316,进一步覆盖不同应用需求。随着产品迭代,集成化趋势更加明显。NSI36xx 系列将隔离 DC-DC 电源集成于采样芯片内部,有助于简化高压侧供电设计。其中,NSI36CxxR 版本进一步集成比较器和运放,可简化系统电路,并支持硬件过流、过压保护。  在隔离电流采样方向,产品由 NSI1300 演进至 NSI1400/1200C 系列,并推出了集成隔离电源的 NSI360x 系列。  面向快速响应和简化设计需求,纳芯微推出隔离比较器 NSI22C12。该产品集成窗口比较器、隔离通道及高压侧 LDO,可用于实现过压或过流保护,尤其适用于服务器电源 LLC 谐振腔的快速过流保护场景。  在服务器电源系统中,PFC 电路通常负责对输入交流电进行整形和升压,LLC 谐振拓扑随后完成 DC/DC 变换并形成最终输出。整个能量转换链路的安全、稳定运行,依赖于对关键节点电压和电流的精确监测。  纳芯微隔离采样芯片可部署于服务器电源各核心监测点,覆盖 PFC 输入电压/电流检测、PFC 输出电压检测、LLC 谐振腔电流检测与快速过流保护,以及 DC/DC 输出电流检测等环节,支持电源系统实现从输入到输出的全链路监测与保护。  02  三款新品详解  面向服务器电源的集成化设计  服务器电源对功率密度、可靠性和效率要求较高。围绕不同层面的设计挑战,纳芯微推出了三款新品。  首先是集成隔离电源的 NSI36xx 系列。相较于上一代 NSI13xx 系列,NSI36xx 系列进一步提升了集成度。传统方案通常需要分别为高压侧和低压侧设计供电电路,在浮地采样等场景下,设计复杂度和 PCB 占板面积较高。  NSI36xx 系列仅需在低压侧提供单一电源即可正常工作,可省去高压侧供电电路设计,降低电源设计复杂度,并节省约 30%–50% 的板上面积,在空间受限的服务器电源系统中具备应用优势。  NSI36CxxR 是该系列的差异化产品,集成内部比较器和单端准差分运放,可在百纳秒级时间内检测异常并触发保护机制,提升系统安全性和可靠性。  第二款新品是 0–4V 宽压输入的隔离电压采样运放 NSI1611。面向服务器电源向更高电压发展的趋势,NSI1611 将输入范围扩大一倍,有助于提升系统抗干扰能力和采样精度。  在相同扰动电压下,更宽的输入范围可降低扰动对采样结果的相对影响。同时,NSI1611 在保持 1GΩ 高阻输入的基础上拓宽输入范围,可进一步提升系统采样精度。  NSI1611 提供单端输出或比例输出版本。其中,比例输出版本可将后级参考电压直接接入芯片 Reference 引脚,由芯片完成差分转单端转换及简单自适应放大,帮助客户充分利用后级 ADC 满量程,提升整体采样精度。  第三款新品是面向快速保护设计的隔离比较器 NSI22C12。在服务器电源谐振腔过流采样中,传统方案通常采用 CT 方案或分立方案。CT 方案体积较大,输入端还需增加额外调理电路,会增加成本和 PCB 占板面积;在 DC 负载过流保护中,部分客户则采用普通比较器搭配高速光耦或数字隔离器的分立方案。  NSI22C12 采用单芯片集成设计,集成窗口比较器,支持正负阈值设定;同时集成内部隔离通道,比较后可直接输出隔离数字信号。其高压侧集成高压 LDO,供电范围为 3.1V 至 27V,可直接接入驱动供电,简化外围供电设计。  该产品保护延时最大仅 250 纳秒,可用于快速过压、过流检测,帮助服务器电源系统在异常工况下及时触发保护机制,提升系统控制的安全性和可靠性。  03  服务器电源应用  从PFC到DC/DC全链路保护  在典型服务器电源架构中,隔离采样芯片可部署于电能转换链路的关键环节,用于实现电压、电流检测及保护反馈。  电源系统通常始于 PFC 电路。PFC 电路负责对输入交流电进行整形和升压,优化电网供电质量,并为后级电路提供稳定的高压直流电源。纳芯微隔离采样芯片可部署于 PFC 输入端和输出端,实时监测输入电压/电流及输出电压,为 PFC 控制回路提供关键反馈信号。  随后,LLC 谐振电路完成 DC/DC 转换,将高压直流电转换为服务器主板所需的低压直流电。在这一环节,谐振腔电流检测与过流保护尤为关键。纳芯微隔离比较器 NSI22C12 凭借低于 250 纳秒的快速响应时间,可检测异常电流并触发保护机制,帮助降低功率器件损坏风险。  在输出端,DC/DC 输出电流检测同样需要高精度隔离采样。通过监测输出电流,电源管理系统可根据不同负载条件调整工作状态,提升系统运行效率与稳定性。  通过覆盖 PFC 输入/输出、LLC 谐振腔及 DC/DC 输出等关键环节,纳芯微隔离采样产品可支持服务器电源实现从输入到输出的全链路监测与保护。  04  精度、安全与成本  隔离采样的三重优势  纳芯微隔离采样芯片从采样精度、隔离安全和系统成本三个方面,为服务器电源设计提供支持。  在采样精度方面,NSI1611 系列输入偏置电压优化至 ±0.8mV,较前代产品的 ±1.5mV 进一步降低;增益温漂由前代的 45ppm/℃ 优化至 40ppm/℃,提升全温区精度稳定性。其采样带宽达到 330kHz,可适配 SiC、GaN 等高频开关器件控制需求,满足系统高动态响应要求;  在隔离安全方面,纳芯微“隔离+”产品提供高于基础隔离要求的安全等级,帮助系统建立高低压安全边界。NSI1611 系列隔离耐压可达 5700Vrms,最大浪涌隔离耐压 VIOSM 可达 10kV,可适配高温、高压等严苛应用环境;  在系统成本方面,集成隔离电源的 NSI36xx 系列可省去外置隔离电源模块,降低整体 BOM 成本约 10%–20%;同时可节省 PCB 面积约 30%–50%,有助于实现更小型化的电源设计。NSI1611 的单端输出信号可直接接入 MCU 的 ADC 接口,省去传统差分输出方案所需的后级运放及调理电路,进一步降低 BOM 成本和 PCB 布局复杂度。
2026-06-03 10:02 reading:303
纳芯微丨AI服务器电源揭秘 ,水有水源,算力有电源
纳芯微荣获联合电子2026生态伙伴峰会“优秀供应商奖”
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