高壓 DC/DC 模組的設計考量

當應用需要緊湊、隔離的高壓電源時，在設計上選擇正確的 DC/DC 轉換器是一大關鍵。這些轉換器必須確保準確、穩定，提供可調的輸出電壓，同時耐受可能影響可靠性和安全性的各種電氣和環境壓力。

雖然高壓 DC/DC 轉換器的效能規格在書面上看起來很可靠，但真正的測試是在模組整合到實體產品，並部署到現實世界後才開始。

瞭解如何評估和整合 DC/DC 轉換器，對於確定原型設計和投入生產的成功與否相當重要。

高壓 DC/DC 轉換器在分析儀器、半導體製程、醫療診斷、科學研究等應用中，扮演關鍵角色。將高壓模組整合到關鍵的長期應用，需要滿足一些標準：

• 質譜法和電泳法需要穩定、低雜訊的高電壓，以進行準確的化學分離和偵測。
• 晶圓製程中的靜電卡盤需要精準的電壓，在加工過程中固定矽或玻璃基板。
• 掃描電子顯微鏡 (SEM) 依靠超穩定的偏壓控制光束及達成清晰影像。
• 光電倍增管 (PMT) 需要穩定的偏壓和無漣波電壓，以避免在測量或偵測光子時出現雜訊。
• 調節器的快速電流限制和電弧保護有利於電容充電電路。
• 醫療診斷工具使用高壓調節器進行分析物 (目標物質) 偵測或治療控制，要求高可靠度和安全性。

XP Power 的 HRC05 系列 (圖 1) 高壓 DC/DC 轉換器模組是領導解決方案之一，此模組採用緊湊的 5 W 型號滿足這些要求，在調節效能和易於實作之間取得平衡。

圖 1：HRC05 系列穩壓 5 W 高壓 DC/DC 轉換器的外型尺寸。(圖片來源：XP Power)

模組要求

無論是設計緊湊型儀器、以感測器進行實驗、打造新的造影系統，若能瞭解這些模組的適用性，都有助於以有效且創意的方式加以運用。 HRC05 系列為產品設計人員提供高度整合的解決方案，若要有效運用，還需要注意幾個設計相關細節。

檢視 XP Power 的 HRC0524S6K0P 和 HRC0524S6K0N 型號，瞭解設計選擇。 兩者具有幾乎相同的電氣和機械特性，但極性相反。皆提供以下特性：

• 輸入電壓：22 V_DC 至 30 V_DC (標稱 24 V_DC)
• 輸出範圍：0 → ±6,000 V，可透過 0 V 至 5 V 控制引腳編程
• 最大輸出電流：0.83 mA (~5 W)
• 外形尺寸：緊湊型 SIP 封裝 (~64.8 mm × 33 mm × 15.2 mm)
• 溫度範圍：-40°C 至 +70°C
• 保護：短路、電弧、過載、輸入欠壓／過壓、熱關斷
• 隔離：輸入至輸出 5.2 kV_DC

兩者的關鍵差異在於其輸出極性，HRC0524S6K0P 提供正高壓輸出，範圍從 0 V 至 +6,000 V，而 HRC0524S6K0N 提供負高壓輸出，範圍從 0 V 至 −6,000 V。

由最終應用來決定選用極性 (圖 2)。例如，光電倍增管 (PMT) 和靜電卡盤通常需要負偏壓來拉動電子或將基板固定到位，但壓電致動器、電容充電電路或離子光學元件，則可能需要正電壓擺盪。

圖 2：HRC05 系列適用於關鍵分析、醫療、半導體、偵測器應用。(圖片來源：XP Power)

這兩款模組具有相同的機械尺寸和控制行為，在設計具有多種變款的平台或產品系列時很實用。設計人員能在不改變電路板佈局的情況下切換極性，只需改變電氣連接和應用邏輯。

極性錯誤不一定會損壞模組，但可會使精心設計的產品失效。即使轉換器看起來在工作，也可能毫無功能或得到不準確的測量。

瞭解負載的電氣要求與滿足電壓或功率規格同樣重要。必須依據應用，明確定義所需的電壓和極性。

高壓電源轉換器準確度

在高壓系統中，輸出準確度是一項關鍵效能因素。即使很小的電壓誤差或漣波，都可能會降低整體系統效能。

XP Power 的 HRC05 系列採取直接的方法，透過類比介面控制輸出電壓，為設計人員提供簡易性和靈活性。施加到 VIN_CTRL 引腳的 0 至 5 V 訊號可為輸出進行線性編程，從 0 V 到模組的最大額定電壓，範圍介於 2 kV 至 6 kV。

輸出穩定性同樣重要。HRC05 系列通常將漣波保持在滿量程輸出的 0.5% 以下，對於大多數類比前端、偏壓電源、感測器電路而言已足夠。在許多系統中，特別是涉及光學或低位準訊號偵測的系統，這種低漣波可能會導致得到充滿雜訊、不可用的結果或清晰的測量結果之間大大的差異。

然而，對於高精密度應用，開迴路控制可能還不夠。在這種情況下，通常需要進行外部校準，甚至建立閉迴路控制機制。例如，高電阻分壓器可以將輸出降低到 ADC 的安全位準，為微控制器提供回饋。 即使溫度或負載條件變化，此回授迴路也可以動態調整 VIN_CTRL 訊號，維持精準的目標電壓。

最終，選擇 HRC05 系列模組為設計人員提供精密度的堅實基礎；但是，精密度的維持取決於在整體系統中實作時是否有全面考量。

高壓電路板注意事項

將高壓 DC/DC 轉換器 (如 XP Power 的 HRC05 系列) 整合到電路板時，其佈局必須考量低電壓或純數位系統中不常見的細節。

高壓設計包含一系列挑戰 (有些很隱晦，有些則很明顯)，如果不在設計早期就解決，可能會影響效能和安全性，例如：

• 與低壓電路保持適當的沿面距離和間隙
• 高壓區域無接地層
• 避免電路板焊盤上的尖銳邊緣
• 高壓附近無網版
• 高壓區域無鍍孔
• 如果需要，板上有插槽，以提供隔離
• 共形塗層和其他絕緣材料 (若適用)

此外，在 PCB 的高壓側，選擇轉換器附近的組件可能具有挑戰性。以下為需要牢記的幾點注意事項和關鍵規格：

• 電壓、電流、功率額定值
• 組件降額
• 溫度係數
• 熱效能

除了確保 PCB 上的沿面距離和間隙之外，設計人員可能還需要考慮使用絕緣強化措施，例如切口或共形塗層，尤其是在將模組整合到高濕度或易受污染的環境時。

高壓設計不僅要滿足電氣規格，還要瞭解電路板的實際情況，以及如何與電應力相互作用。佈局合理的電路板可確保 HRC05 模組可靠、安全運作，並符合產品使用壽命內的規格。

末端應用整合

選擇高壓模組就成功了一半。以安全、可靠、符合經濟效益的方式將其整合到產品中，需要仔細地注意電氣和實體設計。XP Power 的 HRC05 系列是一款小巧且效能良好的模組，但仍需要細心的整合系統，才能滿足關鍵應用的需求。

設計人員應考量到模組的高度 (尤其是針對空間受限或可攜式產品)，並確保與附近的導電表面有適當隔離。HRC05 模組納入完全密封的 SIP 封裝，尺寸約為 64.8 mm × 33.0 mm × 15.2 mm。與 PCB 引腳垂直安裝，有助於節省電路板空間，同時增強高壓引腳周圍的沿面距離和間隙。

SIP 封裝可防止熱組件接觸電路板，進而簡化熱管理。然而，如果裝置在接近其 5 W 輸出極限的情況下運作 (尤其是在溫暖的環境中)，設計人員仍應確保提供足夠的氣流或被動冷卻。

VIN_CTRL 引腳用作主要控制介面，利用 0 V 至 5 V 類比訊號線性編程輸出電壓，範圍從模組額定輸出的 0% 至 100% (例如，0 kV 至 6 kV)。這種設計可讓 HRC05 模組成為與微控制器 DAC 或類比控制迴路整合的現成選擇。 此外，此模組還提供監控輸出：VOUT_MON (比例電壓回授) 和 IOUT_MON (比例電流輸出)。這些輸出讓系統能夠監控轉換器效能，並且實作保護或校正常式。

在精密應用中，設計人員可能會選擇透過韌體來閉合迴路。此方法會根據 VOUT_MON 和 IOUT_MON 的 ADC 讀數，不斷調整控制訊號。如此，在不同的負載下，系統也可以保持穩定。

HRC05 系列有 5.2 kV_DC 輸入到輸出隔離，可保護低電壓控制電路免受高壓危害。此系列還符合基本的絕緣要求，適用於各種工業和科學應用。然而，值得注意的是，此系列可能不適用於醫療患者連接設備，因為這些設備可能要求加強或雙重絕緣。

HRC05 系列缺少內建 EMI 濾波器。因此，若要通過系統級 EMC 測試，設計人員應添加輸入濾波 (如 π 濾波器或共模扼流圈)，並且考量輸出緩衝或電阻式負載，實際作法取決於高壓負載的性質。

結論

將高壓功能整合到緊湊型系統中，需考量模組的效能並由設計人員精心整合，包含從佈局和熱管理到濾波和訊號控制。XP Power 的 HRC05 系列高壓 DC/DC 轉換器為需要精準、穩定且可靠的高壓電源應用提供頂尖解決方案。HRC05 系列具有可編程輸出、傑出的調節、強大的保護、緊湊的設計，是醫療、工業、科學應用的小型封裝之最佳解決方案。