Consideraciones de diseño para módulos CC/CC de alto voltaje

La selección del convertidor CC/CC adecuado es una decisión de diseño fundamental cuando las aplicaciones requieren fuentes de alimentación compactas, aisladas y de alto voltaje. Los convertidores deben garantizar voltajes de salida precisos, estables y ajustables, al tiempo que soportan diversos factores de estrés eléctrico y ambiental que pueden afectar a la fiabilidad y la seguridad.

Aunque las especificaciones de rendimiento de un convertidor CC/CC de alto voltaje puedan parecer sólidas sobre el papel, la prueba real comienza una vez que el módulo se integra en un producto físico y se utiliza en el mundo real.

Comprender cómo evaluar e integrar los convertidores CC/CC será de gran ayuda para determinar el éxito en la creación de prototipos y el paso a la producción.

Los convertidores CC/CC de alto voltaje desempeñan un papel crucial en aplicaciones tales como instrumentos analíticos, procesamiento de semiconductores, diagnóstico médico e investigación científica. La integración de módulos de alto voltaje en aplicaciones críticas y de larga duración requiere cumplir ciertos criterios:

• La espectrometría de masas y la electroforesis requieren una tensión alta estable y con poco ruido para una separación y detección química precisas.
• Los mandriles electrostáticos utilizados en la fabricación de obleas necesitan un voltaje preciso para sujetar los sustratos de silicio o vidrio durante el procesamiento.
• Los microscopios electrónicos de barrido (SEM) dependen de un sesgo ultraestable para el control del haz y la claridad de la imagen.
• Los tubos fotomultiplicadores (PMT) requieren una polarización estable y un voltaje sin ondulaciones para evitar el ruido en las mediciones o la detección de fotones.
• Los circuitos de carga de condensadores se benefician de la rápida limitación de corriente y la protección contra arcos del regulador.
• Las herramientas de diagnóstico médico utilizan moduladores de alto voltaje para la detección de analitos (sustancias objetivo) o el control terapéutico, lo que exige fiabilidad y seguridad.

Una solución líder es la serie HRC05 (Figura 1) de módulos convertidores CC/CC de alto voltaje de XP Power, que satisfacen estas exigencias con versiones compactas de 5 W que equilibran el rendimiento de la regulación con la facilidad de implementación.

Figura 1: Factor de forma de la serie HRC05 de convertidores CC/CC regulados de alta tensión de 5 W. (Fuente de la imagen: XP Power)

Requisitos del módulo

Ya sea que esté diseñando instrumentos compactos, experimentando con sensores o desarrollando un nuevo sistema de imágenes, comprender dónde encajan estos módulos puede ayudarle a aplicarlos de manera eficaz y creativa. La serie HRC05 ofrece a los diseñadores de productos una solución altamente integrada, pero su uso eficaz requiere prestar atención a varios detalles del diseño.

El análisis de los modelos HRC0524S6K0P y HRC0524S6K0N de XP Power ilustra las opciones de diseño. Comparten características eléctricas y mecánicas casi idénticas, pero ofrecen polaridades opuestas. Ambos ofrecen lo siguiente:

• Voltaje de entrada: 22 V_CC a 30 V_CC (nominal 24 V_CC)
• Rango de salida: 0 → ±6000 V programable mediante pin de control de 0 V a 5 V.
• Corriente de salida máxima: 0.83 mA (~5 W)
• Formato: paquete SIP compacto (~64.8) mm × 33 mm × 15.2 mm)
• Rango de temperatura: -40 °C a +70 °C
• Protecciones: cortocircuito, arco eléctrico, sobrecarga, subtensión/sobretensión de entrada, desconexión térmica.
• Aislamiento: entrada a salida de 5.2 k_VDC

La diferencia fundamental radica en la polaridad de salida, ya que el HRC0524S6K0P ofrece una salida de alta tensión positiva, con un rango de 0 V a +6000 V, y el HRC0524S6K0N ofrece una salida de alta tensión negativa, con un rango de 0 V a −6000 V.

La aplicación final determina la selección de polaridad (Figura 2). Por ejemplo, los tubos fotomultiplicadores (PMT) y los mandriles electrostáticos suelen requerir un sesgo negativo para atraer electrones o mantener un sustrato en su sitio. Por el contrario, los actuadores piezoeléctricos, los circuitos de carga de capacitores o la óptica iónica pueden requerir una oscilación de tensión positiva.

Figura 2: La serie HRC05 es adecuada para aplicaciones analíticas críticas, médicas, de semiconductores o detectores. (Fuente de la imagen: XP Power)

Ambos módulos comparten el mismo espacio mecánico y el mismo comportamiento de control, lo que resulta útil a la hora de diseñar una plataforma o una familia de productos con múltiples variantes. Un diseñador puede cambiar de una polaridad a otra sin alterar el diseño de la placa; solo cambian la conexión eléctrica y la lógica de la aplicación.

Si se invierte la polaridad, no se dañará necesariamente el módulo, pero puede hacer que un producto cuidadosamente diseñado resulte ineficaz. Aunque el convertidor parezca funcionar, es posible que no ofrezca ninguna funcionalidad o que las mediciones sean inexactas.

Comprender los requisitos eléctricos de la carga es tan importante como cumplir con las especificaciones de voltaje o potencia. Dependiendo de la aplicación, se debe definir claramente el voltaje y la polaridad requeridos.

Convertidores de potencia de alto voltaje

En los sistemas de alta tensión, la precisión de la salida es un factor crítico para el rendimiento. Incluso pequeños errores de tensión o ondulaciones pueden degradar el rendimiento de todo el sistema.

La serie HRC05 de XP Power ofrece una forma sencilla de controlar el voltaje de salida a través de una interfaz analógica, lo que proporciona a los diseñadores simplicidad y flexibilidad. Una señal de 0 a 5 V aplicada al pin VIN_CTRL programa la salida de forma lineal, desde 0 V hasta la tensión nominal máxima del módulo, que puede oscilar entre 2 kV y 6 kV.

Igualmente importante es la estabilidad de la producción. La serie HRC05 mantiene normalmente una ondulación inferior al 0.5% de la salida a escala completa, lo que es más que suficiente para la mayoría de los frontales analógicos, fuentes de polarización y circuitos sensores. En muchos sistemas, especialmente aquellos que implican óptica o detección de señales de bajo nivel, esta baja ondulación puede marcar la diferencia entre una medición limpia y un resultado ruidoso e inutilizable.

Sin embargo, para aplicaciones de alta precisión, el control de bucle abierto puede no ser suficiente. En tales casos, a menudo es necesario realizar una calibración externa o incluso crear un esquema de control de bucle cerrado. Por ejemplo, un divisor de tensión de alta resistencia puede reducir la salida a un nivel seguro para un ADC, que a su vez proporciona retroalimentación a un microcontrolador. Este bucle de retroalimentación puede ajustar dinámicamente la señal VIN_CTRL para mantener un voltaje objetivo preciso, incluso cuando cambian las condiciones de temperatura o carga.

En última instancia, elegir un módulo de la serie HRC05 proporciona a los diseñadores una base sólida para la precisión; sin embargo, el grado de precisión que se consiga dependerá de lo bien que se implemente en todo el sistema.

Consideraciones sobre placas de circuitos de alto voltaje

Al integrar un convertidor CC/CC de alta tensión como el de la serie HRC05 de XP Power en una placa de circuito, el diseño debe tener en cuenta detalles que no son habituales en sistemas de baja tensión o puramente digitales.

El diseño de alta tensión presenta una serie de desafíos, algunos sutiles y otros no tanto, que pueden afectar tanto al rendimiento como a la seguridad si no se abordan en las primeras fases del proceso de diseño, tales como:

• Distancias adecuadas de fuga y separación respecto a los circuitos de baja tensión.
• No hay planos de tierra en la zona de alta tensión.
• Evitar bordes afilados en las almohadillas de la placa de circuito impreso.
• No hay pantallas de seda en las proximidades de alta tensión.
• Sin orificios chapados en la zona de alta tensión.
• Ranuras en el tablero, si es necesario, para proporcionar aislamiento.
• Recubrimiento conformado y otros materiales aislantes, si procede.

Además, en el lado de alta tensión de la placa CI, seleccionar componentes que se encuentren cerca del convertidor puede resultar complicado. Algunas consideraciones y especificaciones clave a tener en cuenta son:

• Voltaje, corriente y potencias nominales
• Reducción de la potencia nominal de los componentes
• Coeficiente de temperatura
• Rendimiento térmico

Además de garantizar las distancias de fuga y aislamiento en la placa de circuito impreso, los diseñadores pueden necesitar considerar el uso de mejoras de aislamiento, como recortes o recubrimientos conformados, especialmente cuando se integra el módulo en entornos con alta humedad o propensos a la contaminación.

El diseño para alta tensión no consiste solo en cumplir las especificaciones eléctricas, sino en comprender cómo interactúan las realidades físicas de la placa con las tensiones eléctricas a las que se verá sometida. Una placa bien diseñada garantiza que un módulo HRC05 funcione de forma fiable, segura y dentro de las especificaciones durante toda la vida útil del producto.

Integración de la aplicación final

Seleccionar un módulo de alta tensión es la mitad del trabajo. Integrarlo en el producto de forma segura, fiable y rentable exige prestar una atención meticulosa a los aspectos eléctricos y físicos del diseño. La serie HRC05 de XP Power es un módulo compacto y de buen comportamiento, pero aún así requiere una integración cuidadosa en el sistema para satisfacer las necesidades de aplicaciones críticas.

Los diseñadores deben tener en cuenta la altura del módulo, especialmente en productos con espacio limitado o que sean portátiles, y garantizar un aislamiento adecuado de las superficies conductoras cercanas. El módulo HRC05 está alojado en un SIP totalmente encapsulado que mide aproximadamente 64.8 mm × 33.0 mm × 15.2 mm. Se monta verticalmente mediante pines para placa CI, lo que ayuda a ahorrar espacio en la placa y mejora la distancia de fuga y el espacio libre alrededor de los pines de alta tensión.

El paquete SIP simplifica la gestión térmica al evitar que los componentes calientes entren en contacto con la placa. Sin embargo, los diseñadores deben garantizar un flujo de aire adecuado o una refrigeración pasiva si la unidad funciona cerca de su límite de salida de 5 W, especialmente en entornos cálidos.

El pin VIN_CTRL sirve como interfaz de control principal, utilizando una señal analógica de 0 V a 5 V que programa linealmente el voltaje de salida desde 0% hasta 100% de la salida nominal del módulo (por ejemplo, 0 kV a 6 kV). Este diseño hace que el módulo HRC05 sea una opción ideal para su integración con DAC de microcontroladores o bucles de control analógico. Además, el módulo ofrece salidas de monitorización: VOUT_MON (retroalimentación de tensión escalada) e IOUT_MON (salida de corriente proporcional). Estos resultados permiten al sistema supervisar el rendimiento del convertidor e implementar rutinas de protección o calibración.

En aplicaciones de precisión, el diseñador puede optar por cerrar el bucle mediante firmware. Este enfoque implica ajustar continuamente la señal de control basándose en las lecturas del ADC de VOUT_MON e IOUT_MON. De este modo, el sistema mantiene la estabilidad bajo cargas variables.

La serie HRC05 cuenta con un aislamiento de entrada a salida de 5.2 k_VDC, lo que protege los circuitos de control de baja tensión contra los riesgos de alta tensión. La serie también cumple con los requisitos básicos de aislamiento, lo que la hace adecuada para diversas aplicaciones industriales y científicas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que puede no ser adecuado para equipos médicos conectados a pacientes, en los que puede ser obligatorio un aislamiento reforzado o doble.

La serie HRC05 no cuenta con filtro EMI integrado. Por lo tanto, para superar las pruebas de compatibilidad electromagnética a nivel del sistema, los diseñadores deben añadir filtros de entrada (como filtros π o bobinas de modo común) y considerar la posibilidad de utilizar amortiguación de salida o cargas resistivas, dependiendo de la naturaleza de la carga de alta tensión.

Conclusión

La integración de la funcionalidad de alta tensión en sistemas compactos depende del rendimiento del módulo y de la meticulosa integración del diseñador, desde el diseño y la gestión térmica hasta el filtrado y el control de señales. Los convertidores CC/CC de alta tensión de la serie HRC05 de XP Power ofrecen soluciones de vanguardia para aplicaciones que requieren una alimentación de alta tensión precisa, estable y fiable. Con su salida programable, excelente regulación, protección resistente y diseño compacto, la serie HRC05 es una solución óptima en un paquete en miniatura para aplicaciones médicas, industriales y científicas.