干货 | 将高压模块集成到关键的长期应用中

由 winniewei 提交于周二, 25 五月 2021 - 09:13

作者：Hafiz Khalid，XP Power高级高压产品经理

高压研发过程在各种应用中提出了许多挑战。这些挑战是通过多年来在现场的观察和与研发工程师的交谈而呈现的。下面列出了一些：

<ol>
<li>确定高压模块要求</li>
<li>高压功率转换器的精度</li>
<li>应用中围绕高压的电路设计</li>
<li>在终端应用中易于处理和集成</li>
</ol>

1. 确定高压模块的要求

定义需求在设计过程中至关重要。下面列出了在寻找高压模块时应考虑的一些事项。

<ul>
<li>输入和输出条件：了解高压模块的可用输入和应用中的负载条件是获得正确解决方案的第一步。输入电压及其精度非常重要，有助于确定模块所需的线路调节和保护要求。在大多数应用中，负载是电阻和电容元件的混合体。因此，了解负载和负载条件对于确定高压电源的电压和电流要求至关重要。</li>
<li>电压和电流要求：根据高压需要做的事情，需要定义电压和电流以及极性。这主要取决于负载规格。例如，光电倍增管可能需要1200VDC和微安的电流。</li>
<li>控制和监控信号：由于当今世界的大多数应用都是由数字电路控制的，因此了解应用中用于控制和监控高压模块的信号对于更易于集成至关重要。 </li>
<li>环境条件：根据应用情况，可能需要考虑特定的环境条件，如工作温度、湿度等。注意应用的去向以及高压模块在应用中的位置。</li>
<li>尺寸限制：这与高压电源和整体应用的空间可用性相对应。在小型桌面和手持应用中，大小变得非常关键。即使在半导体制造、检验工具和分析仪器等需要更多空间的应用中，重点也是使它们尽可能小，以便在同一空间中提供更多功能，或为更多新一代仪器提供空间。</li>
<li>机构批准：当最终应用进入具有特定监管批准要求的行业部门时，这一点变得至关重要。例如，用于分析仪器市场的UL/IEC/EN 61010。</li>
</ul>

2. 高压功率转换器的精度

高压功率转换器的精度受其他变量的影响，这些变量可能包括输入电压、负载条件、工作温度和其他环境因素的变化。以下是定义模块高电压精度要求时需要考虑的规格列表。

<ul>
<li>输出电压公差：与规定电压的偏差</li>
<li>设定值精度：电源使用控制电压达到设定值的能力  </li>
<li>线路和负载调节：电源根据输入电压和负载的变化将输出电压保持在调节规格内的能力</li>
<li>纹波和噪声：DC高压电源顶部的残余AC信号</li>
<li>控制的线性度：输出电压相对于控制电压的传递函数</li>
<li>温度系数：相对于每摄氏度的温度变化，输出电压的变化</li>
<li>随时间变化的稳定性：高压电源在规定时间内保持高压在一定规格范围内，同时保持其他参数不变的能力。这在质谱分析等应用中变得非常关键，因为在质谱分析中，仪器要保持8小时的工作状态，并且如果使用相同的样品，预期会产生相同的结果。如果高压电源不够稳定，无法确保这一点，这将成为一个问题。</li>
</ul>

3.  应用中围绕高压的电路设计

在设计低压或数字电路板时，高压电路板的设计需要特别注意与之无关的细节。在设计过程中，您可能需要在高压电源周围安装部件，这对高压侧尤其具有挑战性。在高压下工作时，某些规范变得更为重要，下面列出了这些规范以及在高压板设计期间需要注意的细节。

<ul>
<li>与低压电路的适当爬电距离和间隙距离</li>
<li>高压区域没有接地层</li>
<li>避免电路板上焊盘的锐边</li>
<li>在高压线附近不得使用丝网</li>
<li>在高压区没有电镀孔  </li>
<li>如果需要的话，在板子上开槽，以提供绝缘</li>
<li>保形涂料和其他绝缘材料，如果需要的话</li>
<li>高压部件的主要规格和注意事项</li>
<li>电压和功率额定值</li>
<li>部件降额</li>
<li>电压和温度系数</li>
<li>热性能 </li>
</ul>

4. 易于在终端应用中处理和集成

易操作性和易集成性是模块集成的电气和机械方面，也需要加以考虑。如果在设计的模块中已经包含以下内容，则集成高压变得更容易。

4.1 保护和安全

<ul>
<li>输入保护

<ul>
<li>输入欠压和过压保护保护装置防止输入线路出现故障</li>
<li>控制过压保护保护装置和应用免受编程设定的高于其设计的电压</li>
</ul>
</li>
<li>输出保护
<ul>
<li>电弧保护可避免产品在应用中发生电弧事件</li>
<li>过流保护和短路保护为模块和应用提供安全，以防产品过载超过其最佳交付点或在应用中出现短路</li>
</ul>
</li>
<li>热保护
<ul>
<li>热关机保护模块，以防其温度范围超出规定的工作温度范围。根据其设计方式，通常在消除过温条件后恢复</li>
</ul>
</li>
</ul>

4.2 控制信号

这些信号用于控制和监控高压模块。控制和监控信号的数字兼容性很重要，因为它定义了控制高压所需的电路。如果信号是DAC兼容的，那么控制高电压就变得容易得多，因为模块具有该功能。测量高压和负载电流是一个挑战，因为您的数字万用表和示波器探头所需的特殊设备仅限于某些电压，通常不超过1000VDC。如果该模块具有数字兼容的监控信号，这就使设计者的工作变得更加容易。下面列出了一些在模块集成中非常有用的信号及其特性。

<ul>
<li>电压编程</li>
<li>启用/禁用输入</li>
<li>输出电压监控</li>
<li>负载电流监控</li>
<li>控制和监控信号的数字兼容性 </li>
<li>性能的可重复性</li>
</ul>

4.3  物理模块集成

这与应用电路中模块的空间和物理集成相对应。以下是应该考虑的因素。

<ul>
<li>输入和输出连接</li>
<li>尺寸限制</li>
<li>机械布局</li>
<li>PCB安装</li>
<li>机板安装</li>
<li>环境因素</li>
<li>散热能力（如需要）</li>
</ul>

XP Power的新款HRC05旨在解决系统设计者面临的准确性、可靠性和集成问题，并在一个微型封装中提供最佳解决方案。