שיקולי תכנון עבור מודולי DC/DC למתח גבוה

בחירת ממיר DC/DC הנכון היא בחירת תכנון קריטית כאשר יישומים דורשים מקורות הספקת-כוח קומפקטיים ומבודדים למתח גבוה. על הממירים להבטיח מתחי יציאה מדויקים, יציבים ומתכווננים תוך עמידה במגוון גורמי מאמצים חשמליים וסביבתיים היכולים להשפיע על האמינות והבטיחות.

בעוד שמפרטי הביצועים של ממיר DC/DC למתח גבוה עשויים להיראות סולידיים על הנייר, המבחן האמיתי מתחיל ברגע שהמודול משולב במוצר פיזי - ומיושם בעולם האמיתי.

הבנת אופן ההערכה והשילוב של ממירי DC/DC תתרום רבות להצלחה באב-טיפוס ובמעבר לייצור.

ממירי DC/DC למתח גבוה ממלאים תפקיד מכריע ביישומים כגון מכשירים אנליטיים, עיבוד מוליכים-למחצה, דיאגנוסטיקה רפואית ומחקר מדעי. שילוב מודולי מתח גבוה ביישומים קריטיים וארוכי טווח דורש קריטריונים מסוימים:

• ספקטרומטריית מסה ואלקטרופורזה דורשות מתח גבוה יציב ובעל רעש נמוך להפרדה וגילוי כימיים מדויקים.
• צ'אקים אלקטרוסטטיים בייצור פרוסת סיליקון זקוקים למתח מדויק כדי להחזיק מצעי סיליקון או זכוכית במהלך העיבוד.
• מיקרוסקופי אלקטרונים סורקים (SEMs‏) מסתמכים על ממתח אולטרה-יציב לצורך בקרת אלומה ובהירות תמונה.
• שפופרות פוטו-מולטיפלייר (PMTs‏) דורשות ממתח יציב ומתח ללא אדווה כדי למנוע רעש במדידות או בגילוי פוטונים.
• מעגלי טעינת קבלים נהנים מהגבלת הזרם המהירה של המייצב והגנה מפני קשת חשמלית.
• כלי דיאגנוסטיקה רפואית משתמשים במודולטורים במתח גבוה לגילוי אנלייט (חומר מטרה) או לבקרה טיפולית, ודורשים אמינות ובטיחות.

פתרון מוביל אחד הוא סדרה HRC05‏ (איור 1) של מודולי ממירים DC/DC למתח גבוה של XP Power‏, העומדים בדרישות אלו עם גרסות קומפקטיות של W‏ 5‏ המאזנות בין ביצועי ייצוב עם קלות מימוש.

איור 1: גורם הצורה של ממירי DC/DC למתח גבוה W‏ 5‏ מיוצב של סדרה HRC05. (מקור התמונה: XP Power)

דרישות המודול

בין אם מדובר בתכנון מכשור קומפקטי, התנסות בחיישנים או הנדסת מערכת דימות חדשה, הבנת היכן מודולים אלה משתלבים יכולה לעזור לכם ליישם אותם בצורה יעילה ויצירתית. סדרת HRC05 מציעה למתכנני מוצר פתרון משולב ביותר, אך שימוש יעיל בה דורש תשומת לב למספר פרטים ברמת התכנון.

בחינת דגמי HRC0524S6K0P‏ ו-HRC0524S6K0N‏ של XP Power ממחישה את בחירות התכנון. הם חולקים מאפיינים חשמליים ומכניים כמעט זהים אך מספקים קוטביות הפוכה. שניהם מספקים את הדברים הבאים:

• מתחי כניסה: _DC‏V‏ 22‏ עד _DC‏V‏ 30‏ (נומינלי _DC‏V‏ 24‏)
• תחום יציאה: V‏ {0}‏ עד V‏ 6,000‏± ניתן-לתכנות V‏ 0‏ עד V‏ 5‏ באמצעות פין בקרה
• זרם יציאה מקסימלי: mA‏ 0.83‏ (W‏ 5‏~)
• גורם-צורה: מארז SIP‏ קומפקטי (~ 64.8‏ מ"מ ×‏ 33 מ"מ ×‏ 15.2 מ"מ)
• תחום טמפרטורות: C‏°‏40‏- עד C‏°‏70‏+
• הגנות: קצר, קשת חשמלית, עומס-יתר, מתח-יתר/תת-מתח כניסה, כיבוי תרמי
• בידוד: _DC‏ kV‏ 5.2‏ כניסה-ליציאה

ההבדל הקריטי טמון בקוטביות היציאה, כאשר ה-HRC0524S6K0P מספק יציאה חיובית במתח גבוה, בתחום של 0 וולט עד 6,000 וולט+, וה-HRC0524S6K0N מספק יציאה שלילית במתח גבוה, בתחום של 0 וולט עד 6,000 וולט-.

היישום הסופי מכתיב את בחירת הקוטביות (איור 2). לדוגמה, שפופרות מכפילים (PMTs) וצ'אקים אלקטרוסטטיים דורשים לעתים קרובות ממתח שלילי כדי למשוך אלקטרונים או להחזיק מצע במקומו. בניגוד לכך, מפעילים פייזואלקטריים, מעגלי טעינת קבלים או אופטיקת יונים עשויים לדרוש משרעת מתח חיובי.

איור 2: סדרת HRC05 מתאימה עבור יישומים קריטיים של אנליטיקה, רפואה, מוליכים-למחצה או גלאים. (מקור התמונה: XP Power)

שני המודולים חולקים את אותה חתימת-שטח מכנית והתנהגות בקרה, שהן מועילות בעת תכנון פלטפורמה או משפחת מוצרים עם מספר וריאנטים. המתכנן יכול לעבור מקוטביות אחת לאחרת מבלי לשנות את פרישת הלוח - רק החיבור החשמלי ולוגיקת היישום משתנים.

שגיאת קוטביות לא בהכרח תגרום נזק למודול, אך היא עלולה להפוך מוצר שתוכנן בקפידה ללא יעיל. גם אם נראה שהממיר פועל, ייתכן שהוא לא יספק פונקציונליות או שמדידותיו לא תהיינה מדויקות.

הבנת הדרישות החשמליות של העומס חשובה לא פחות מעמידה במפרטי המתח או ההספק. בהתאם ליישום, יש להגדיר בבירור את המתח והקוטביות הנדרשים.

דיוק ממיר הספק למתח גבוה

במערכות מתח גבוה, דיוק היציאה הוא גורם ביצועים קריטי. אפילו שגיאות מתח קטנות או אדווה עלולות לפגוע בביצועי המערכת כולה.

סדרת HRC05 של XP Power מציעה דרך פשוטה לשלוט במתח היציאה דרך ממשק אנלוגי, ומעניקה למתכננים פשטות וגמישות. אות של 0 עד 5 וולט המופעל על פין VIN_CTRL מתכנת את היציאה באופן ליניארי, מ-0 וולט ועד למתח המקסימלי הנומינלי של המודול, היכול לנוע בין 2 קילו-וולט ל-6 קילו-וולט.

לא פחות חשובה היא יציבות היציאה. סדרת HRC05 שומרת בדרך כלל על אדווה מתחת ל-0.5% מהיציאה המלאה, וזה די והותר עבור רוב מעגלי הקצה האנלוגיים, ספקי ממתח ומעגלי חיישנים. במערכות רבות, במיוחד אלו הכוללות אופטיקה או גילוי אותות ברמה נמוכה, אדווה נמוכה זו יכולה לעשות את ההבדל בין מדידה נקייה לתוצאה רועשת ולא ניתנת לשימוש.

עם זאת, עבור יישומים בעלי דיוק גבוה, בקרת חוג-פתוח עשויה לא להספיק. במקרים אלה כיול חיצוני או אפילו בניית ערכת בקרה בחוג-סגור היא לעתים קרובות הכרחית. לדוגמה, מחלק מתח בעל התנגדות גבוהה יכול להוריד את היציאה לרמה בטוחה עבור ADC, אשר בתורו מספק משוב למיקרו-בקר. חוג משוב זה יכול לאחר מכן להתאים באופן דינמי את אות VIN_CTRL כדי לשמור על מתח יעד מדויק, גם כאשר תנאי הטמפרטורה או העומס משתנים.

בסופו של דבר, בחירת מודול מסדרת HRC05 מספקת למתכננים בסיס איתן עבור דיוק; עם זאת, מידת השמירה על דיוק זה תלויה באופן שבו הוא מיושם בתוך המערכת השלמה.

שיקולי לוח מעגלים למתח גבוה

בעת שילוב ממיר DC/DC למתח גבוה כמו סדרת HRC05 של XP Power בלוח מעגלים, הפרישה חייבת להתחשב בפרטים שאינם אופייניים למערכות מתח נמוך או דיגיטליות לחלוטין.

תכן מתח גבוה מציג סדרה של אתגרים - חלקם עדינים, חלקם לא - היכולים להשפיע הן על הביצועים והן על הבטיחות אם לא יטופלו מוקדם בתהליך התכנון, כגון:

• מרחקי Creepage‏ ו-Clearance‏ מתאימים ממעגלי מתח נמוך
• ללא משטחי הארקה באזור המתח הגבוה
• הימנעות מקצוות חדים על פדי לוח המעגלים
• ללא הדפסות משי בקרבת מתח גבוה
• ללא חורים מצופים באזור המתח הגבוה
• חריצים בלוח, במידת הצורך, כדי לספק בידוד
• ציפוי קונפורמלי וחומרי בידוד אחרים, אם רלוונטי

בנוסף, בצד המתח הגבוה של לוח המעגלים המודפסים, בחירת רכיבים הנמצאים בקרבת הממיר יכולה להיות מאתגרת. כמה שיקולים ומפרטים עיקריים שכדאי לזכור הם:

• דירוגי מתח, זרם והספק
• ירידת הערך הנומינלי (Derating‏) של רכיבים
• מקדמי טמפרטורה
• ביצועים תרמיים

בנוסף להבטחת מרחקי Creepage‏ ו-Clearance‏ על גבי ה-PCB, ייתכן שמתכננים יצטרכו לשקול שימוש בשיפורי בידוד, כגון חיתוכים או ציפויים קונפורמליים, במיוחד בעת שילוב המודול בסביבות עם לחות גבוהה או מועדות לזיהום.

תכנון למתח גבוה אינו עוסק רק בעמידה במפרטים חשמליים - אלא בהבנת האופן שבו המציאות הפיזית של הלוח מגיבה עם המאמצים החשמליים שהוא ייתקל בהם. לוח עם פרישה ראויה מבטיח שמודול HRC05 יפעל בצורה אמינה, בטוחה ותוך כדי שמירה על המפרט לאורך חיי המוצר.

אינטגרציית היישום הסופי

בחירת מודול מתח גבוה היא חצי מהמשימה. שילובו במוצר בצורה בטוחה, אמינה, יעילה וחסכונית דורש תשומת לב קפדנית לשיקולי תכנון חשמליים ופיזיים כאחד. סדרת HRC05 של XP Power היא מודול קומפקטי ובעל תפקוד תקין, אך עדיין דורשת שילוב מערכתי מתחשב כדי לענות על הצרכים של יישומים קריטיים.

על המתכננים לקחת בחשבון את גובה המודול - במיוחד במוצרים עם מקום מוגבל או ניידים - ולהבטיח בידוד נאות ממשטחים מוליכים סמוכים. מודול HRC05 נתון בתוך SIP במארז סגור במלואו שמידותיו כ-64.8 מ"מ × 33.0 מ"מ × 15.2 מ"מ. הוא מורכב אנכית דרך פיני PCB, ועוזר לשמר מקום על הלוח תוך שיפור ה-Creepage‏ וה-Clearance‏ סביב פיני מתח גבוה.

מארז SIP מפשט את הניהול התרמי על ידי מניעת מגע של רכיבים חמים עם הלוח. עם זאת, המתכננים חייבים עדיין להבטיח זרימת אוויר נאותה או קירור פסיבי אם היחידה פועלת בסמוך לגבול היציאה של 5 וואט, במיוחד בסביבות חמות.

פין VIN_CTRL משמש כממשק הבקרה העיקרי, תוך שימוש באות אנלוגי של 0 וולט עד 5 וולט המתכנת באופן ליניארי את מתח היציאה מ-0% עד 100% מהיציאה הנומינלית של המודול (למשל, 0 קילו-וולט עד 6 קילו-וולט). תכן זה הופך את מודול HRC05 לבחירה מוכנה לשילוב עם ממירי DAC של מיקרו-בקרים או חוגי בקרה אנלוגית. בנוסף, המודול מציע יציאות ניטור: VOUT_MON (משוב מתח מתואם) ו-IOUT_MON (יציאת זרם פרופורציונלית). יציאות אלו מאפשרות למערכת לנטר את ביצועי הממיר וליישם רוטינות הגנה או כיול.

ביישומים מדויקים המתכנן עשוי לבחור לסגור את החוג באמצעות קושחה. גישה זו כוללת כוונון רציף של אות הבקרה על בסיס קריאות ADC של VOUT_MON ו-IOUT_MON. בכך המערכת שומרת על יציבות תחת עומסים משתנים.

סדרת HRC05 מתהדרת בבידוד כניסה-ליציאה של _DC‏kV‏ 5.2‏, המגן על מעגלי בקרה במתח נמוך מפני סכנות של מתח גבוה. הסדרה גם עומדת בדרישות הבידוד הבסיסיות, ולכן היא מתאימה עבור מגוון של יישומים תעשייתיים ומדעיים. עם זאת, חשוב לציין שייתכן שהוא אינו מתאים עבור ציוד רפואי המחובר למטופלים, שם ייתכן שיידרש בידוד מחוזק או כפול.

לסדרת HRC05 חסר סינון EMI מובנה. לכן, כדי לעבור בדיקות EMC ברמת המערכת, על המתכננים להוסיף סינון כניסה (כגון מסנני-π‏ או משנקי אופן-משותף (CM‏)) ולשקול שיכוך או עומס התנגדותי, בהתאם לאופי עומס המתח הגבוה.

סיכום

שילוב פונקציונליות מתח גבוה במערכות קומפקטיות תלוי בביצועי המודול ובשילוב הקפדני של המתכנן - החל מהפרישה וניהול התרמי ועד לסינון ובקרת אותות. ממירי DC/DC למתח גבוה סדרת HRC05 של XP Power מספקים פתרונות מתקדמים עבור יישומים הדורשים הספק מתח גבוה מדויק, יציב ואמין. עם יציאה ניתנת-לתכנות, ייצוב מעולה, הגנה חסונה ותכן קומפקטי, סדרת HRC05 היא פתרון אופטימלי במארז מיניאטורי עבור יישומים רפואיים, תעשייתיים ומדעיים.