AI驱动的机器人技术需要先进的 SoC 电源解决方案

Shivani Saravanan
产品营销经理

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简介

随着人工智能 (AI)、机器学习和实时数据处理技术不断进步，机器人行业正在经历重大变革。AI 驱动的机器人能够让系统变得更加智能、更具适应性和自主性，这也改变了机器人技术的发展方向。曾经只存在于未来题材作品中的自主机器人，如今正迈向大规模生产。

在 AI、机器人技术进步，以及大型科技公司大量投资的推动下，人形机器人正迅速从概念原型迈向实际应用。这一转变正在重塑医疗保健、制造业和个人助理等领域，并使人形机器人成为未来劳动力的重要组成部分。

根据高盛 (Goldman Sachs) 的报告，到 2035 年，全球人形机器人市场规模可能达到至少380 亿美元。⁽¹⁾Market Research Future 发布的一份报告显示，2023 年欧洲人形机器人市场规模估计为 1 亿美元。⁽²⁾预计该市场将从 2024 年的 1.512 亿美元增长至 2035 年的 80 亿美元。⁽²⁾ 此外，在2025年至2035年的预测期内，该市场的复合年增长率（CAGR）预计约为44%。⁽¹⁾

AI 技术的进步、医疗与制造业需求的增长，以及政府政策扶持，共同推动了 AI 机器人的快速发展。⁽²⁾ ⁽¹⁾预计到 2030 年，人形机器人可填补美国制造业劳动力缺口的 4%，承担危险、脏累或枯燥的工作。到 2030 年，这类机器人还可能满足全球老年护理需求的 2%，缓解护理人员短缺的问题。⁽¹⁾在采矿、灾害救援和化工制造等领域，人形机器人可承担 5% 至 15% 的高风险工作，极大地提高安全性和效率。⁽³⁾到 2050 年，仅美国就可能部署 6,300 万台人形机器人。日本等国家重点发展面向老龄人口的护理机器人，而中国则在扩大面向工业自动化的机器人生产规模。⁽⁴⁾

市场增长与应用普及

技术进步与解决劳动力短缺的需求，推动人形机器人进入了越来越多的行业。众多企业正在设计各类人形机器人，以拓展工业自动化和个人护理领域的应用边界。

随着人形机器人在缓解劳动力短缺、提高各行业效率方面发挥越来越重要的作用，以及未来几年市场规模的预期显著增长，相应供电需求也将持续上升。

AI 硬件革命

AI 硬件平台用于提供高性能、高能效的计算能力，这是人形机器人实现实时感知、运动规划和决策的基础。这些器件每秒可执行高达 275 万亿次运算（TOPS），能够支持视觉、语音和传感器融合等高级 AI 任务，而这些任务对人形机器人至关重要。⁽⁵⁾

其他新型架构的 AI 计算性能可高达 20 PFLOPS（每秒 20 千万亿次浮点运算），并处理 1.4 万亿个参数。

此外，视觉处理单元 (VPU) 是一类专用的低功耗 AI 处理器，专为边缘深度学习推理和计算机视觉任务设计。⁽⁶⁾这类 VPU 可实现实时目标检测、人脸识别、深度感知和空间环境感知。

满足人形机器人系统级芯片(SoC)供电需求的新方案

复杂的计算架构需要先进的核心电源解决方案，用以支撑高计算密度和实时处理需求。这类系统需要多相电压调节、动态功率调节，以及低噪声、高效率的供电能力，才能保持性能稳定。随着人形机器人中的 AI 工作负载持续增加，电源架构必须兼顾散热效率、快速电流响应，以及与 AI 加速器的无缝集成，以避免性能瓶颈或过热。

核心计算单元是整个系统的中枢，负责执行计算任务，也决定各电源轨所需的专用供电方案。高功率核心电源轨必须满足严格的技术规格，为系统级芯片 (SoC) 内集成的 CPU、GPU 和加速器提供所需电力。本文将重点介绍 SoC 核心电源轨的供电解决方案。

传统 SoC 核心电源方案采用模拟脉宽调制 (PWM) 控制器、分立 MOSFET，以及分立电流和温度采样电路（见图 1）。这类方案通常需要较多的外部元器件，这不仅增加了成本，在某些应用中还可能降低可靠性，并占用更大 PCB 面积。因此，传统方案不仅设计困难，灵活性和可扩展性也不足，而这些恰恰是高性能计算 (HPC) 应用中 SoC 的关键需求。

图 1：传统 SoC 供电方案

图2展示了采用数字多相控制器与单片DrMOS功率级的先进SoC核心供电方案。DrMOS集成了栅极驱动器IC、电流采样电路和温度检测电路，减少了传统方案所需的多种外部元器件，从而简化了整体设计。

Figure 2: Digital PWM Controllers and Monolithic DrMOS

图2：数字 PWM 控制器与单片DrMOS

DrMOS 采用单片集成设计，具备极高的功率密度、精确的电流采样和芯片温度检测能力。MPS 提供了22V和6V DrMOS产品组合，分别支持单级和两级功率转换应用。例如，6V DrMOS产品组合中的MPQ86760非常适合自动驾驶 SoC 和信息娱乐系统，而 22V DrMOS产品组合中的MPQ86960则适用于人形机器人。

图 3 展示了可与 MPS 多相控制器配合使用、为 30A 至 80A 的电源轨供电（在特定条件下还可支持更大电流）的 DrMOS。通过与专用控制器的配合使用，可高效调节人形机器人 SoC 的核心电源轨，同时实现了紧凑的布局和高性能供电。

这些数字控制器具有高度灵活性和可扩展性，相数可根据特定 SoC 核心电源轨的额定电流来配置。数字控制器不需要外部反馈环路补偿，从而可简化设计并缩短开发周期。此外，这些器件还集成非易失性存储器 (NVM)，并支持多达 1,000 次寄存器配置与重配置。

除此之外，控制器和 DrMOS 还提供多种监测及保护功能，可用于实现系统级遥测。

构建人形机器人的 SoC 供电系统

现代机器人平台通常采用 48V 或 22V 锂离子电池，其中 48V 锂离子电池正逐渐成为全尺寸人形机器人的标准高压电源轨。MPS提供的解决方案涵盖这两种电压规格，可将其高效率降至核心电源轨所需的电压。

图3展示了机器人 SoC 高效率供电系统的功能框图。如图所示，电池经过前端保护电路后向到达两个MPQ2967数字控制器；每个控制器配置并管理四个 MPQ86960 DrMOS 功率级，组成多相结构；最终为四条 30A 至 80A 的电源轨供电。多相运行可改善效率、电流均衡和散热性能。控制器还可通过I²C接口或 MPS 控制器支持的其他标准接口与 SoC 通信。该方案非常适合要求紧凑、可靠供电方案的高性能机器人应用。

Figure 3: Example of a Robotic SoC Power Tree

图3：机器人 SoC 电源树示例

结论

机器人系统架构正在从分布式控制器向集中式高性能计算平台转变。要利用 CPU、GPU 和 AI 加速器实时执行计算机视觉、运动规划和控制算法，现代机器人需要更强大的低压、大电流供电系统。

集中式计算平台所采用的 SoC 需要先进的电源管理方案，尤其是在核心电压轨方面。传统电源方案已难以满足下一代集中式计算供电应用的需求。采用MPQ2967等数字多相控制器与MPQ86960等 DrMOS 功率级用于机器人 SoC 核心供电，可实现具备高效率、快速瞬态响应，同时兼具可扩展性、灵活性和紧凑尺寸的供电解决方案。