Considerazioni progettuali per i moduli c.c./c.c. ad alta tensione

La scelta del convertitore c.c./c.c. giusto è fondamentale quando le applicazioni richiedono fonti di alimentazione compatte, isolate e ad alta tensione. I convertitori devono garantire tensioni di uscita accurate, stabili e regolabili, resistendo al contempo a vari fattori di stress ambientale ed elettrici che possono inficiare l'affidabilità e la sicurezza.

Sebbene a prima vista le specifiche prestazionali di un convertitore c.c./c.c. ad alta tensione possano sembrare solide, il vero banco di prova è quando il modulo viene integrato in un prodotto fisico e utilizzato nel mondo reale.

Capire come valutare e integrare i convertitori c.c./c.c. è fondamentale per determinare il successo nella prototipazione e nel passaggio alla produzione.

I convertitori c.c./c.c. ad alta tensione svolgono un ruolo fondamentale in applicazioni quali strumenti analitici, lavorazione dei semiconduttori, diagnostica medica e ricerca scientifica. L'integrazione di moduli ad alta tensione in applicazioni critiche a lungo termine poggia su criteri specifici:

• La spettrometria di massa e l'elettroforesi richiedono una tensione elevata stabile e a basso rumore per la separazione e il rilevamento accurati delle sostanze chimiche.
• I mandrini elettrostatici nella produzione di wafer richiedono una tensione precisa per trattenere i substrati di silicio o vetro durante la lavorazione.
• I microscopi elettronici a scansione (SEM) si basano su una polarizzazione ultra stabile per il controllo del fascio e la nitidezza dell'immagine.
• I tubi fotomoltiplicatori (PMT) richiedono una polarizzazione stabile e una tensione senza ripple per evitare il rumore nelle misurazioni o nel rilevamento dei fotoni.
• I circuiti di carica dei condensatori beneficiano della rapida limitazione della corrente e della protezione dall'arco del regolatore.
• Gli strumenti diagnostici medici utilizzano modulatori ad alta tensione per il rilevamento di analiti (sostanze target) o il controllo terapeutico, richiedendo affidabilità e sicurezza.

Una soluzione all'avanguardia è rappresentata dalla serie HRC05 (Figura 1) di moduli convertitori c.c./c.c. ad alta tensione di XP Power, che soddisfano tali requisiti con versioni compatte da 5 W che bilanciano le prestazioni di regolazione con la facilità di implementazione.

Figura 1: Il fattore di forma della serie HRC05 di convertitori c.c./c.c. regolati ad alta tensione da 5 W. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Requisiti del modulo

Che si tratti di progettare strumentazione compatta, sperimentare con i sensori o sviluppare un nuovo sistema di imaging, capire dove inserire questi moduli può aiutare ad applicarli in modo efficace e creativo. La serie HRC05 offre ai progettisti una soluzione altamente integrata, ma per utilizzarla in modo efficace è necessario prestare attenzione a diversi dettagli a livello di progettazione.

I modelli HRC0524S6K0P e HRC0524S6K0N di XP Power illustrano le scelte progettuali. Entrambi hanno caratteristiche elettriche e meccaniche quasi identiche, ma forniscono polarità opposte, nello specifico:

• Tensione di ingresso: 22 V_c.c. ~ 30 V_c.c. (nominale 24 V_c.c.)
• Intervallo di uscita: 0 → ±6.000 V programmabile tramite pin di controllo da 0 V a 5 V
• Massima corrente di uscita: 0,83 mA (~5 W)
• Fattore di forma: contenitore SIP compatto (~64,8 × 33 × 15,2 mm)
• Intervallo di temperatura: -40 ~ +70 °C
• Protezioni: cortocircuito, arco elettrico, sovraccarico, sottotensione/sovratensione in ingresso, arresto termico
• Isolamento: ingresso-uscita 5,2 kV_c.c.

La differenza fondamentale risiede nella polarità dell'uscita: HRC0524S6K0P fornisce un'uscita ad alta tensione positiva, compresa tra 0 V e +6.000 V, mentre HRC0524S6K0N fornisce un'uscita ad alta tensione negativa, compresa tra 0 V e -6.000 V.

L'applicazione finale determina la scelta della polarità (Figura 2). Ad esempio, i tubi fotomoltiplicatori (PMT) e i mandrini elettrostatici spesso richiedono una polarizzazione negativa per attirare gli elettroni o mantenere in posizione un substrato. Per contro, gli attuatori piezoelettrici, i circuiti di carica dei condensatori o l'ottica ionica possono richiedere un'oscillazione di tensione positiva.

Figura 2: La serie HRC05 è adatta per applicazioni critiche in ambito analitico, medico, dei semiconduttori o dei rilevatori. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Entrambi i moduli condividono lo stesso ingombro meccanico e lo stesso comportamento di controllo, utile quando si progetta una piattaforma o una famiglia di prodotti con più varianti. Un progettista può passare da una polarità all'altra senza modificare il layout della scheda, poiché cambiano solo il collegamento elettrico e la logica dell'applicazione.

L'inversione della polarità non danneggia necessariamente il modulo, ma può rendere inefficace un prodotto progettato con cura: il convertitore potrebbe funzionare all'apparenza, ma non fornire alcuna funzionalità o fornire misurazioni inaccurate.

Conoscere quindi i requisiti elettrici del carico è importante tanto quanto soddisfare le specifiche di tensione o potenza. A seconda dell'applicazione, è necessario definire chiaramente la tensione e la polarità richieste.

Precisione di un convertitore di potenza ad alta tensione

Nei sistemi ad alta tensione, la precisione dell'uscita è un fattore prestazionale critico. Anche minimi errori di tensione o ripple possono compromettere le prestazioni dell'intero sistema.

La serie HRC05 di XP Power offre un modo semplice per controllare la tensione di uscita tramite un'interfaccia analogica, garantendo ai progettisti semplicità e flessibilità. Un segnale da 0 a 5 V applicato al pin VIN_CTRL programma l'uscita in modo lineare, da 0 V alla tensione nominale massima del modulo, che può variare da 2 kV a 6 kV.

Altrettanto importante è la stabilità dell'uscita. La serie HRC05 mantiene tipicamente una ripple inferiore allo 0,5% dell'uscita a fondo scala, un valore più che adeguato per la maggior parte dei front-end analogici, alimentatori di polarizzazione e circuiti di sensori. In molti sistemi, soprattutto in quelli dotati di ottica o di rilevamento di segnali a basso livello, questo basso ripple può fare la differenza tra una misurazione pulita e un risultato rumoroso e inutilizzabile.

Tuttavia, per applicazioni che richiedono una precisione elevata, il controllo ad anello aperto potrebbe non essere sufficiente. In questi casi, è spesso necessaria una calibrazione esterna o addirittura la creazione di un sistema di controllo ad anello chiuso. Ad esempio, un divisore di tensione ad alta resistenza può abbassare l'uscita a un livello sicuro per un ADC, che a sua volta fornisce la retroazione a un microcontroller. Questo ciclo di retroazione può quindi regolare dinamicamente il segnale VIN_CTRL per mantenere una tensione target precisa, anche al variare delle condizioni di temperatura o di carico.

In definitiva, la scelta di un modulo della serie HRC05 offre ai progettisti una solida base per garantire la precisione; tuttavia, il mantenimento di tale precisione dipende dal modo in cui viene implementato all'interno dell'intero sistema.

Considerazioni sui circuiti stampati ad alta tensione

Quando si integra un convertitore c.c./c.c. ad alta tensione come la serie HRC05 di XP Power in un circuito stampato, il layout deve tenere conto di dettagli atipici nei sistemi a bassa tensione o puramente digitali.

L'alta tensione comporta una serie di sfide più o meno evidenti, che possono influire sia sulle prestazioni sia sulla sicurezza se non sono affrontate nelle prime fasi di progettazione, ad esempio:

• Distanza di isolamento superficiale e distanza di isolamento in aria adeguate dai circuiti a bassa tensione
• Assenza di piani di massa nell'area ad alta tensione
• Assenza di spigoli acuti sulle piazzole del circuito stampato
• Assenza di serigrafia nelle vicinanze dell'alta tensione
• Assenza di fori placcati nell'area ad alta tensione
• Slot nella scheda, se necessarie, per garantire l'isolamento
• Tropicalizzazione e altri materiali isolanti, se applicabile

Inoltre, sul lato ad alta tensione della PCB, la scelta dei componenti in prossimità del convertitore può diventare difficile. Alcune considerazioni e specifiche chiave da tenere a mente sono:

• Tensione, corrente e potenza nominali
• Declassamento dei componenti
• Coefficienti termici
• Prestazioni termiche

Oltre a garantire la distanza di isolamento superficiale e distanza di isolamento in aria sulla PCB, i progettisti potrebbero dover pensare a come migliorare l'isolamento, con intagli/aperture o rivestimenti conformi, soprattutto quando il modulo viene integrato in ambienti in cui è presente umidità o che sono soggetti a inquinamento.

Progettare per l'alta tensione non significa solo soddisfare le specifiche elettriche, ma anche comprendere come le caratteristiche fisiche della scheda interagiscono con le sollecitazioni elettriche che dovrà sopportare. Una scheda ben progettata garantisce al modulo HRC05 un funzionamento affidabile, sicuro e conforme alle specifiche per tutta la durata del prodotto.

Integrazione dell'applicazione finale

La scelta di un modulo ad alta tensione è metà dell'opera. Integrarlo nel prodotto in modo sicuro, affidabile ed economico richiede un'attenzione meticolosa sia agli aspetti elettrici sia a quelli fisici del progetto. La serie HRC05 di XP Power è un modulo compatto e affidabile, ma richiede comunque un'integrazione di sistema accurata per soddisfare le esigenze di applicazioni critiche.

I progettisti devono tenere conto dell'altezza del modulo, specialmente nei prodotti con vincoli di spazio o in quelli portatili, e garantire un adeguato isolamento dalle superfici conduttive vicine. Un modulo HRC05 è alloggiato in un SIP completamente incapsulato che misura circa 64,8 × 33,0 × 15,2 mm. Si monta verticalmente tramite pin PCB, contribuendo a ridurre lo spazio occupato sulla scheda e migliorando le distanze di isolamento superficiale e in aria attorno ai pin ad alta tensione.

Il contenitore SIP semplifica la gestione termica evitando ai componenti caldi di entrare in contatto con la scheda. Tuttavia, i progettisti devono comunque garantire un flusso d'aria adeguato o un raffreddamento passivo se l'unità funziona vicino al limite di 5 W, specialmente in ambienti caldi.

Il pin VIN_CTRL funge da interfaccia di controllo principale, utilizzando un segnale analogico da 0 V a 5 V che programma linearmente la tensione di uscita dallo 0% al 100% della potenza nominale del modulo (ad esempio, da 0 kV a 6 kV). Ciò rende il modulo HRC05 una scelta ideale per l'integrazione con DAC a microcontroller o circuiti di controllo analogici. Inoltre, il modulo offre uscite di monitoraggio: VOUT_MON (feedback di tensione scalare) e IOUT_MON (uscita di corrente proporzionale). Queste uscite consentono al sistema di monitorare le prestazioni del convertitore e di implementare routine di protezione o calibrazione.

Nelle applicazioni di precisione, il progettista può scegliere di chiudere l'anello tramite firmware. Questo approccio prevede la regolazione continua del segnale di controllo in base alle letture dell'ADC di VOUT_MON e IOUT_MON. In tal modo, il sistema mantiene la stabilità anche in presenza di carichi variabili.

La serie HRC05 vanta un isolamento ingresso-uscita di 5,2 kV_c.c., che protegge i circuiti di controllo a bassa tensione dai rischi legati all'alta tensione. La serie è inoltre conforme ai requisiti di isolamento di base ed è quindi adatta a varie applicazioni industriali e scientifiche. Tuttavia, è importante notare che potrebbe non essere adatta per apparecchiature mediche collegate a pazienti, dove potrebbe essere richiesto un isolamento doppio o rinforzato.

La serie HRC05 non ha un filtro EMI integrato. Pertanto, per superare i test EMC a livello di sistema, i progettisti dovrebbero aggiungere un filtro di ingresso (come filtri π o bobine di arresto di modo comune) e prendere in considerazione la soppressione dell'uscita o il caricamento resistivo, a seconda della natura del carico ad alta tensione.

Conclusione

L'integrazione di funzionalità ad alta tensione in sistemi compatti dipende dalle prestazioni del modulo e dalla meticolosa integrazione da parte del progettista, dal layout alla gestione termica, dal filtraggio al controllo del segnale. I convertitori c.c./c.c. ad alta tensione serie HRC05 di XP Power sono soluzioni all'avanguardia per applicazioni che richiedono alimentazione ad alta tensione precisa, stabile e affidabile. Grazie all'uscita programmabile, all'eccellente regolazione, alla protezione robusta e al design compatto, la serie HRC05 è una soluzione ottimale in un formato miniaturizzato per applicazioni mediche, industriali e scientifiche.