Mimo że parametry techniczne wielu przetwornic DC/DC wysokiego napięcia podawane w kartach katalogowych wydają się poprawne, prawdziwy test przydatności tego komponentu rozpoczyna się po zintegrowaniu modułu zasilającego z fizycznym produktem. Dlatego zrozumienie, co kryje się za podawanymi w dokumentacji parametrami, pozwala uniknąć zaskoczenia i skraca cykl projektowy.
Przetwornice DC/DC wysokiego napięcia odgrywają kluczową rolę w takich zastosowaniach, jak aparatura analityczna, technologia półprzewodników, diagnostyka medyczna i badania naukowe. Integracja wysokonapięciowych przetwornic modułowych w takich krytycznych zastosowaniach wymaga spełnienia pewnych kryteriów:
- spektrometria masy i elektroforeza wymaga stabilizowanego, niskoszumowego wysokiego napięcia dla zapewnienia dokładnej separacji i detekcji chemicznej.
- działanie przyssawek elektrostatycznych w procesie produkcji płytek półprzewodnikowych wymaga stabilnego napięcia WN, aby utrzymać podłoża krzemowe lub szklane podczas obróbki i manipulacji;
- skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) wymagają ultrastabilnego napięcia polaryzacji dla kontroli wiązki i klarowności obrazu;
- fotopowielacze (PMT) wymagają stabilnego napięcia polaryzacji i napięcia bez tętnień, aby uniknąć szumów w pomiarach lub podczas detekcji fotonów;
- obwody ładowania kondensatorów wymagają przetwornic z funkcją ograniczania prądu maksymalnego i dla ochrony przed łukiem elektrycznym;
- narzędzia do diagnostyki medycznej wykorzystują modulatory wysokiego napięcia do wykrywania analitów (substancji docelowych) lub kontroli terapeutycznej, co wymaga niezawodności i bezpieczeństwa od systemu zasilania.
Jednym z wiodących rozwiązań takiej modułowej przetwornicy DC-DC WN jest seria HRC05 (fot. 1) firmy XP Power. Komponenty te spełniają powyższe wymagania, mają moc wyjściową 5 W, miniaturowe wymiary i doskonałą stabilizację zapewniającą łatwość wdrożenia.
Przegląd parametrów
Seria HRC05 to wysoce zintegrowane rozwiązanie, ale jego efektywne wykorzystanie wymaga zwrócenia uwagi na kilka szczegółów na poziomie projektowania. W ramach serii są dostępne dwa przykładowe modele: HRC0524S6K0P i HRC0524S6K0N, które mają niemal identyczne właściwości elektryczne i mechaniczne, ale różnią się polaryzacją. Oba zapewniają:
- napięcie wejściowe: od 22 do 30 VDC (nominalnie 24 VDC)
- zakres napięć wyjściowych: 0 od zera do ±6000 V programowalny poprzez pin sterujący napięciem 0–5 V
- maksymalny prąd wyjściowy: 0,83 mA (~5 W)
- kompaktowa obudowa typu SIP (~ 64,8 × 33 × 15,2 mm)
- zakres temperatur pracy: od –40 do +70°C
- zabezpieczenia: zwarciowe, przeciwłukowe, przeciążeniowe, podnapięciowe/przepięciowe wejściowe, wbudowany wyłącznik termiczny
- izolacja wejście-wyjście: 5,2 kVDC
HRC0524S6K0P zapewnia dodatnie napięcie wyjściowe w zakresie od 0 V do +6000 V, a HRC0524S6K0N – ujemne napięcie wyjściowe w takim samym zakresie. Wybór polaryzacji zależy od zastosowania (rys. 2). Na przykład fotopowielacze i uchwyty elektrostatyczne często wymagają ujemnej polaryzacji, aby przyciągać elektrony lub utrzymywać podłoże na miejscu. Natomiast siłowniki piezoelektryczne, układy ładowania kondensatorów lub optyka jonowa zwykle są zasilane napięciem dodatnim.
Obie przetwornice mają takie same wymiary mechaniczne i sposób sterowania. Projektant może przełączać polaryzację bez zmiany układu płytki – zmienia się jedynie połączenie elektryczne i logika.
Dokładność stabilizacji
W systemach wysokiego napięcia dokładność (jakość stabilizacji) napięcia wyjściowego jest kluczowym czynnikiem wpływającym na możliwość zastosowania. Nawet niewielkie błędy ustalenia napięcia lub tętnienia mogą obniżyć parametry całego systemu.
Seria HRC05 firmy XP Power zapewnia prosty sposób sterowania napięciem wyjściowym za pomocą sygnału analogowego, co zapewnia elastyczność. Napięcie z zakresu 0–5 V przyłożone do pinu VIN_ CTRL ustala potencjał wyjścia liniowo, od 0 V do maksymalnego napięcia znamionowego modułu, które może mieścić się w zakresie od 2 kV do 6 kV.
Przetwornice HRC05 utrzymują tętnienia poniżej 0,5% znamionowej wartości napięcia wyjściowego, co jest więcej niż wystarczające dla większości analogowych układów front-end, obwodów polaryzacji i czujników. W wielu systemach, zwłaszcza optycznych lub czułych detektorach, te niskie tętnienia mogą decydować o tym, czy pomiar będzie prawidłowy, czy zaszumiony a więc bezużyteczny.
W przypadku zastosowań wymagających wysokiej precyzji regulacji napięcia, takie sterowanie w pętli otwartej może okazać się niewystarczające. W takich przypadkach często konieczna jest kalibracja lub użycie układu sterowania w pętli zamkniętej (ze sprzężeniem zwrotnym). Za pomocą dzielnika napięcia o wysokiej rezystancji, można dopasować poziom napięcia WN do zakresu wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), który z kolei może przekazać zmierzoną wartość do mikrokontrolera odpowiedzialnego za regulację. Taka pętla sprzężenia zwrotnego może dynamicznie regulować wartość sygnału VIN_CTRL, aby zapewnić stabilizowane napięcie wyjściowe, nawet w przypadku zmian temperatury lub w funkcji stopnia obciążenia.
Płytki drukowane w układach wysokiego napięcia
Umieszczenie wysokonapięciowej przetwornicy DC/DC na płytce drukowanej, musi uwzględniać szczegóły nietypowe dla systemów niskonapięciowych lub cyfrowych:
- muszą być prawidłowe odstępy izolacyjne (creepage) i odległości separacyjne (clearance) od obwodów niskiego napięcia
- obszaru WN nie oblewamy masą
- unikamy ostrych krawędzi na padach płytki drukowanej i załamań ścieżek
- unikamy sitodruku na liniach wysokiego napięcia (opisów)
- nie wykonujemy metalizowanych otworów w obszarze WN
- obudowy gniazd i złączy w tym obszarze muszą zapewniać izolację dla obudowy
- stosujemy powłoki ochronne i materiały izolacyjne na PCB (lakiery).
Dodatkowo należy zwrócić uwagę na jakość komponentów dołączonych do wyjścia konwertera. Kilka kwestii i kluczowych specyfikacji, o których należy pamiętać, to:
- Parametry znamionowe napięcia, prądu i mocy dla takich podzespołów
- Obniżenie parametrów komponentów (derating) dla wartości granicznych
- Współczynniki temperaturowe i zarządzanie ciepłem.
Przy wysokich napięciach wyjściowych, poza zapewnieniem właściwych odstępów izolacyjnych, trzeba rozważyć zastosowanie ulepszeń izolacyjnych, takich jak wycięcia w laminacie PCB lub powłoki ochronne, szczególnie w przypadku integracji modułu w środowiskach o wysokiej wilgotności lub narażonych na zanieczyszczenia.
Na koniec warto zauważyć, że projektowanie PCB z obwodami WN oznacza nie tylko spełnienie wymagań elektrycznych, ale dobranie fizycznych właściwości płytki drukowanej, w tym długoterminowej jakości i stabilności parametrów w różnych warunkach środowiskowych.
Integracja z aplikacją końcową
Wybór przetwornicy WN to połowa sukcesu, gdyż bezpieczna, niezawodna i prosta integracja z produktem (aplikacją) wymaga starannego rozważenia zarówno kwestii elektrycznych, jak i fizycznych ograniczeń.
W przypadku produktów o ograniczonej dostępnej przestrzeni lub elektroniki mobilnej trzeba brać pod uwagę wymiary i wagę modułu i zapewnić odpowiednią izolację (odstępy) od pobliskich elementów przewodzących. HRC05 jest umieszczony w hermetycznej obudowie SIP o wymiarach 64,8 × 33 × 15,2 mm. Montuje się go pionowo do PCB, co pozwala zaoszczędzić miejsce na płytce, a jednocześnie zwiększa prześwit i odstępy izolacyjne między pinami wyjściowymi (WN). Obudowa SIP charakteryzuje się dobrym rozpraszaniem ciepła, a jej pionowy kształt zapobiega kontaktowi gorących komponentów z płytką. Jest to szczególnie ważne, jeśli przetwornica pracuje w pobliżu limitu mocy wyjściowej 5 W, szczególnie w ciepłym otoczeniu.
Pin VIN_CTRL jest linią interfejsu sterowania akceptującą sygnał analogowy od 0 do 5 V, który proporcjonalnie steruje napięciem wyjściowym w zakresie od 0 do 100% znamionowego napięcia wyjściowego modułu (np. od 0 do 6 kV). Taka funkcja sprawia, że HRC05 doskonale nadaje się do integracji z mikrokontrolerami i przetwornikami DAC lub analogowymi pętlami regulacji. Są też wyjścia monitorujące VOUT_ MON (skalowane sprzężenie zwrotne napięciowe) i IOUT_MON (proporcjonalne wyjście prądowe). Umożliwiają one monitorowanie wydajności przetwornicy oraz implementację procedur zabezpieczających lub kalibracyjnych. Sygnały te pozwalają na zamknięcie pętli regulacji w formie obwodu analogowego lub z użyciem mikrokontrolera i tym samym zapewnienie stabilności przy zmiennym obciążeniu.
Mimo że konwertery z rodziny HRC05 charakteryzują się izolacją wejście-wyjście rzędu 5,2 kVDC, należy pamiętać, że mogą nie być odpowiednie do urządzeń medycznych podłączonych do pacjenta, gdzie wymagana może być wzmocniona lub podwójna izolacja między wejściem a wyjściem. Omawiane przetwornice nie mają wbudowanego filtru EMI, stąd w rzeczywistym układzie konieczne jest dodanie elementów filtrujących, takich jak filtry π lub dławiki skompensowane prądowo.
Podsumowanie
Izolowane wysokonapięciowe przetwornice DC/DC serii XP Power HRC05 to nowoczesne rozwiązania zasilające wysokiego napięcia do aplikacji profesjonalnych. Dzięki programowalnemu napięciu wyjściowemu, układom zabezpieczającym i monitorującym oraz kompaktowej obudowie stanowią one optymalne rozwiązanie aplikacyjne.
DigiKey
www.digikey.pl
