DC/DC-Hochspannungsmodule Designhinweise für DC/DC-Hochspannungsmodule

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Die Wahl des richtigen DC/DC-Hochspannungswandlers entscheidet oft über Erfolg oder Ausfall einer Anwendung. Erst im praktischen Einsatz zeigt sich, ob ein Wandler wirklich hält, was die Datenblätter versprechen, oder ob das Design an seine Grenzen stößt.

Die Auswahl des richtigen DC/DC-Wandlers ist eine wichtige Entscheidung bei der Entwicklung von Anwendungen, die kompakte, isolierte Hochspannungsquellen erfordern. Die Wandler müssen genaue, stabile und einstellbare Ausgangsspannungen gewährleisten und gleichzeitig verschiedenen elektrischen und umgebungsbedingten Belastungen standhalten, die die Zuverlässigkeit und Sicherheit beeinträchtigen können.

Die Leistungsdaten eines DC/DC-Hochspannungswandlers mögen auf dem Papier solide aussehen, doch der eigentliche Test beginnt erst, wenn das Modul in ein physisches Produkt integriert und in der Praxis eingesetzt wird.

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Das Verständnis der Bewertung und Integration von DC/DC-Wandlern trägt wesentlich zum Erfolg bei der Prototypenentwicklung und der Überführung in die Produktion bei.

DC/DC-Hochspannungswandler spielen eine entscheidende Rolle in Anwendungen wie Analysegeräten, Halbleiterfertigung, medizinischer Diagnostik und wissenschaftlicher Forschung. Die Integration von Hochspannungsmodulen in kritische, langfristige betriebene Anwendungen erfordert bestimmte Kriterien:

• Massenspektrometrie und Elektrophorese erfordern eine stabile, rauscharme Hochspannung für eine genaue chemische Trennung und Detektion.

• Elektrostatische Spannvorrichtungen in der Waferfertigung benötigen eine präzise Spannung, um Silizium- oder Glassubstrate während der Bearbeitung zu halten.

• Rasterelektronenmikroskope (REM) sind für die Strahlsteuerung und Bildschärfe auf eine äußerst stabile Vorspannung angewiesen.

• Photovervielfacher-Röhren (PMTs) erfordern eine stabile Vorspannung und eine wellenfreie Spannung, um Rauschen bei Messungen oder der Photonenerkennung zu vermeiden.

• Kondensator-Ladeschaltungen profitieren von der schnellen Strombegrenzung und dem Lichtbogenschutz des Reglers.

• Medizinische Diagnosegeräte verwenden Hochspannungsmodulatoren zur Detektion von Analyten (Zielsubstanzen) oder zur therapeutischen Steuerung und müssen daher äußerst zuverlässig und sicher sein.

Eine führende Lösung sind die DC/DC-Hochspannungswandlermodule der HRC05-Serie (Bild 1) von XP Power, die diese Anforderungen mit kompakten 5W-Versionen erfüllen, die eine ausgewogene Regelungsleistung mit einfacher Implementierung verbinden.

Modulvoraussetzungen

Ob Sie kompakte Messgeräte entwickeln, mit Sensoren experimentieren oder ein neues Bildgebungssystem konstruieren – wenn Sie wissen, wo diese Module eingesetzt werden können, können Sie sie effektiv und kreativ implementieren. Die Serie HRC05 bietet Produktentwicklern eine hochintegrierte Lösung, deren effektive Nutzung jedoch die Berücksichtigung einiger Details auf der Design-Ebene erfordert.

Die Untersuchung der Modelle HRC0524S6K0P und HRC0524S6K0N von XP Power verdeutlicht die Designentscheidungen. Sie haben nahezu identische elektrische und mechanische Eigenschaften, liefern jedoch entgegengesetzte Polaritäten. Beide bieten Folgendes:

• Eingangsspannung: 22 V_DC bis 30 V_DC (Nennspannung 24 V_DC)

• Ausgangsbereich: 0 bis ±6.000 V programmierbar über 0 V bis 5 V Steuerpin

• Maximaler Ausgangsstrom: 0,83 mA (~5 W)

• Formfaktor: kompaktes SIP-Gehäuse (~64,8 mm × 33 mm × 15,2 mm)

• Temperaturbereich: -40 °C bis 70 °C

• Schutz: Kurzschluss, Lichtbogen, Überlast, Eingangsunterspannung/-überspannung, thermische Abschaltung

• Isolation: Eingang zu Ausgang 5,2 kV_DC

Der entscheidende Unterschied liegt in der Ausgangspolarität: Der HRC0524S6K0P liefert einen positiven Hochspannungsausgang im Bereich von 0 V bis +6.000 V, während der HRC0524S6K0N einen negativen Hochspannungsausgang im Bereich von 0 V bis −6.000 V liefert.

Die Endanwendung bestimmt die Wahl der Polarität (Bild 2). Beispielsweise erfordern Photovervielfacher-Röhren (PMTs) und elektrostatische Spannvorrichtungen häufig eine negative Vorspannung, um Elektronen anzuziehen oder ein Substrat an Ort und Stelle zu halten. Im Gegensatz dazu können piezoelektrische Aktuatoren, Kondensatorladeschaltungen oder Ionenoptiken eine positive Spannung erfordern.

Beide Module haben denselben Platzbedarf und dasselbe Steuerungsverhalten, was bei der Entwicklung einer Plattform oder einer Produktfamilie mit mehreren Varianten hilfreich ist. Ein Entwickler kann von einer Polarität zur anderen wechseln, ohne das Board-Layout zu verändern – nur die elektrischen Verbindungen und die Anwendungslogik ändern sich.

Die falsche Polarität führt nicht unbedingt zu einer Beschädigung des Moduls, kann jedoch ein sorgfältig entwickeltes Produkt unbrauchbar machen. Auch wenn der Wandler zu funktionieren scheint, kann es sein, dass er keine Funktion erfüllt oder ungenaue Messungen liefert.

Die elektrischen Anforderungen der Last zu verstehen, ist genauso wichtig wie die Einhaltung der Spannungs- oder Leistungsspezifikationen. Je nach Anwendung müssen die erforderliche Spannung und Polarität eindeutig festgelegt werden.

Leistungswandler für hohe Spannungen

In Hochspannungssystemen ist die Ausgangsgenauigkeit ein entscheidender Leistungsfaktor. Selbst kleine Spannungsfehler oder Welligkeit können die Leistung des gesamten Systems beeinträchtigen.

Die HRC05-Serie von XP Power bietet eine einfache Möglichkeit zur Steuerung der Ausgangsspannung über eine analoge Schnittstelle und bietet Entwicklern damit Einfachheit und Flexibilität. Ein an den VIN_CTRL-Pin angelegtes Signal von 0 bis 5 V programmiert den Ausgang linear von 0 V bis zur maximalen Nennspannung des Moduls, die zwischen 2 kV und 6 kV liegen kann.

Ebenso wichtig ist die Ausgangsstabilität. Die HRC05-Serie hält die Welligkeit typischerweise unter 0,5 % des Vollausgangsstroms (% ), was für die meisten analogen Frontends, Vorspannungsversorgungen und Sensorschaltungen mehr als ausreichend ist. In vielen Systemen, insbesondere solchen mit Optik oder Signalerkennung auf niedriger Ebene, kann diese geringe Welligkeit den Unterschied zwischen einer sauberen Messung und einem verrauschten, unbrauchbaren Ergebnis ausmachen.

Bei hochpräzisen Anwendungen kann eine Regelung ohne Rückführung jedoch unter Umständen nicht ausreichend sein. In solchen Fällen ist häufig eine externe Kalibrierung oder sogar die Einrichtung eines Regelkreises erforderlich. Beispielsweise kann ein hochohmiger Spannungsteiler den Ausgang auf einen für einen ADC sicheren Wert reduzieren, der wiederum Rückmeldung an einen Mikrocontroller gibt. Diese Rückkopplungsschleife kann dann das VIN_CTRL-Signal dynamisch anpassen, um eine präzise Zielspannung aufrechtzuerhalten, selbst wenn sich die Temperatur- oder Lastbedingungen ändern.

Letztendlich bietet die Wahl eines Moduls aus der HRC05-Serie Entwicklern eine solide Grundlage für Präzision. Wie gut diese Präzision jedoch erhalten bleibt, hängt davon ab, wie durchdacht sie im gesamten System umgesetzt wird.

Überlegungen zu den Boards

Bei der Integration eines DC/DC-Hochspannungswandlers wie denen der HRC05-Serie von XP Power in eine Leiterplatte müssen beim Layout Details berücksichtigt werden, die für Niederspannungs- oder rein digitale Systeme nicht typisch sind.

Die Entwicklung im Bereich der Hochspannung birgt eine Reihe von Herausforderungen – einige davon subtil, andere weniger –, die sich auf die Leistung und Sicherheit auswirken können, wenn sie nicht frühzeitig im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden, darunter:

• Angemessene Kriech- und Luftabstände zu Niederspannungskreisen

• Keine Masseebenen im Hochspannungsbereich

• Vermeidung scharfer Kanten an den Leiterplattenpads

• Keine Siebdrucke in der Nähe von Hochspannungskreisen

• Keine plattierten Löcher im Hochspannungsbereich

• Steckplätze in der Platine, falls erforderlich, um Isolierung zu gewährleisten

• Schutzlackierung und andere Isoliermaterialien, falls notwendig

Darüber hinaus kann auf der Hochspannungsseite der Leiterplatte die Auswahl von Bauteilen, die sich in der Nähe des Wandlers befinden, eine Herausforderung darstellen. Einige zu beachtende Überlegungen und wichtige Spezifikationen sind:

• Spannung, Stromstärke und Nennleistung

• Komponenten-Leistungsminderung

• Temperaturkoeffizienten

• Thermische Performance

Zusätzlich zur Einhaltung der Kriech- und Luftstrecken auf der Leiterplatte müssen Entwickler möglicherweise die Verwendung von Isolationsverbesserungen wie Aussparungen oder Schutzlackierungen in Betracht ziehen, insbesondere wenn das Modul in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder Verschmutzung integriert wird.

Hochspannungsdesign bedeutet nicht nur, elektrische Spezifikationen zu erfüllen, sondern auch zu verstehen, wie die physikalischen Gegebenheiten der Leiterplatte mit den elektrischen Belastungen interagieren, denen sie ausgesetzt sein wird. Ein gut durchdachtes Board gewährleistet, dass ein HRC05-Modul während der gesamten Lebensdauer des Produkts zuverlässig, sicher und innerhalb der Spezifikationen arbeitet.

Integration der Endanwendung

Die Auswahl eines Hochspannungsmoduls ist die halbe Miete. Die sichere, zuverlässige und kostengünstige Integration in das Produkt erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung sowohl elektrischer als auch physikalischer Konstruktionsaspekte. Die Komponenten der HRC05-Serie von XP Power sind kompakte und zuverlässige Module, die jedoch eine durchdachte Systemintegration erfordern, um die Anforderungen kritischer Anwendungen zu erfüllen.

Entwickler sollten die Höhe des Moduls berücksichtigen – insbesondere bei Produkten mit begrenztem Platzangebot oder solchen, die tragbar sind – und für eine ausreichende Isolierung von benachbarten leitfähigen Oberflächen sorgen. Ein HRC05-Modul ist in einem vollständig gekapselten SIP untergebracht, das etwa 64,8 mm × 33,0 mm × 15,2 mm misst. Es wird vertikal über Leiterplattenstifte montiert, wodurch Platz auf der Platine gespart und gleichzeitig der Kriechweg und der Abstand um Hochspannungspins erhöht werden.

Das SIP-Gehäuse vereinfacht das Wärmemanagement, indem es verhindert, dass heiße Komponenten mit der Platine in Kontakt kommen. Allerdings sollten Entwickler dennoch für eine ausreichende Belüftung oder passive Kühlung sorgen, wenn das Gerät nahe seiner Leistungsgrenze von 5 W betrieben wird, insbesondere in warmen Umgebungen.

Der VIN_CTRL-Pin dient als primäre Steuerschnittstelle, die ein Analogsignal von 0 V bis 5 V verwendet, das die Ausgangsspannung linear von 0 % bis 100 % der Nennleistung des Moduls (z. B. 0 kV bis 6 kV) programmiert. Dieses Design macht ein HRC05-Modul zu einer idealen Wahl für die Integration in Mikrocontroller-DACs oder analoge Regelkreise. Zusätzlich bietet das Modul Überwachungsausgänge: VOUT_MON (skalierte Spannungsrückmeldung) und IOUT_MON (proportionaler Stromausgang). Diese Ausgänge ermöglichen es dem System, die Leistung des Wandlers zu überwachen und Schutz- oder Kalibrierungsroutinen auszuführen.

Bei Präzisionsanwendungen kann der Entwickler sich dafür entscheiden, den Regelkreis über die Firmware zu schließen. Dieser Ansatz beinhaltet die kontinuierliche Anpassung des Steuersignals auf der Grundlage der ADC-Messwerte von VOUT_MON und IOUT_MON. Auf diese Weise gewährleistet das System Stabilität unter wechselnden Belastungen.

Die Serie HRC05 verfügt über eine Eingang-zu-Ausgang-Isolation von 5,2 kV_DC und schützt Niederspannungs-Steuerkreise vor Hochspannungsgefahren. Die Serie erfüllt außerdem grundlegende Isolationsanforderungen und eignet sich daher für verschiedene industrielle und wissenschaftliche Anwendungen. Es ist jedoch zu beachten, dass es möglicherweise nicht für medizinische Geräte geeignet ist, die mit Patienten verbunden sind und für die eine verstärkte oder doppelte Isolierung vorgeschrieben sein kann.

Die HRC05-Serie verfügt über keine integrierte EMI-Filterung. Um EMV-Prüfungen auf Systemebene zu bestehen, sollten Entwickler daher Eingangsfilter (z. B. π-Filter oder Gleichtaktdrosseln) hinzufügen und je nach Art der Hochspannungslast eine Ausgangsdämpfung oder eine ohmsche Last berücksichtigen.

Fazit

Die Integration von Hochspannungsfunktionen in kompakte Systeme hängt von der Leistung des Moduls und der sorgfältigen Integration durch den Entwickler ab – vom Layout über das Wärmemanagement bis hin zur Filterung und Signalsteuerung. Die DC/DC-Hochspannungswandler der Serie HRC05 von XP Power bieten innovative Lösungen für Anwendungen, die eine präzise, stabile und zuverlässige Hochspannungsversorgung erfordern. Mit ihrem programmierbaren Ausgang, ihrer hervorragenden Regelung, ihrem robusten Schutz und ihrer kompakten Bauweise ist die HRC05-Serie eine optimale Lösung in einem Miniaturgehäuse für medizinische, industrielle und wissenschaftliche Anwendungen.  (mr)

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei DigiKey.

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