Was ist bei der Integration von HV-DC/DC-Wandlern zu beachten?

Durch Beobachtungen in der Praxis und Gespräche mit Entwicklern haben sich im Wesentlichen vier bei der Integration von Hochspannungs-DC/DC-Leistungsmodulen in kritischen, langfristigen Anwendungen herauskristallisiert.

Demnach ist das wichtigste Kriterium die korrekte Definition der Anforderungen des Leistungsmoduls. Des Weiteren sind die Genauigkeit des Wandlers unter verschiedenen Bedingungen, die erforderliche Schaltungsumgebung und die Platzierung zum Wandler und schließlich die Integration des Moduls in das finale Design zu beachten.

Die wesentlichen Parameter definieren

Bei der Wahl eines Hochspannungs-Leistungsmoduls ist die genaue Definition der Anforderungen ein wichtiger Aspekt für das Design-in. Abhängig von der Anwendung umfasst das alle wesentlichen Parameter des Moduls.

Ein- und Ausgangsbedingungen

Der erste Schritt besteht darin, die Eingangs- und Ausgangsbedingungen der Anwendung zu verstehen. Die Eingangsspannung und deren Genauigkeit bestimmen die notwendigen Ansprüche an die Netzregelung und den Schutz des Moduls. In den meisten Fällen sind die Last und die Lastbedingungen komplex, helfen aber wenn sie bekannt sind, die grundlegenden Parameter des Moduls wie Spannung, Strom und Polarität zu definieren. Eine Photomultiplier-Röhre benötigt zum Beispiel 1200 V Gleichspannung bei einigen Mikroampere Strom. Außerdem ist es für die Endanwendung von Vorteil, wenn der Entwickler weiß, welche Signale zur Steuerung und Überwachung des Moduls verfügbar sind, damit dieses korrekt und sicher arbeitet.

Umgebungsbedingungen

Auch die Umgebungsbedingungen sind zu berücksichtigen. Entwickler müssen auf erhöhte Betriebstemperaturen oder Feuchtigkeit achten, wenn die Endanwendung beispielsweise zum Einsatz in den Tropen vorgesehen ist. Auch der Platzbedarf spielt eine Rolle. Generell geht es bei Geräten – von tragbaren bis hin zu Labor-Test-/Messgeräten – darum, diese so klein wie möglich zu gestalten oder mehr Funktionen auf demselben Raum unterzubringen.

Behördliche Zulassungen

Ebenso müssen Entwickler die behördlichen Zulassungen für die Endgeräte beachten. Ein typisches Beispiel dafür ist die Norm UL/IEC/EN 61010 für Analysegeräte. Die Auswahl eines Moduls, das bereits nach den relevanten Standards zugelassen ist, erleichtert das Design-in und spart Zeit und Geld.

Genauigkeit beachten

Sobald die Anforderungen an das Leistungsmodul definiert wurden, muss dessen Gesamt-Genauigkeit bewertet werden. Diese wird durch Schwankungen der Eingangsspannung, Lastbedingungen, Betriebstemperatur und verschiedenen anderen Umgebungsfaktoren beeinflusst, wie beispielsweise durch die Ausgangsspannungstoleranz, die jede Abweichung von der angegebenen Spannung definiert. Auch die Einstellgenauigkeit des Moduls, die bestätigt, dass der Sollwert mit der Steuerspannung erreicht werden kann, ist zu berücksichtigen.

Genauigkeit der Ausgangsspannung

Netz- und Lastregelung geben die Fähigkeit des Moduls an, die Ausgangsspannung unabhängig von Eingangs- oder Lastschwankungen innerhalb bestimmter Grenzen zu halten. Welligkeit und Rauschen können sich auch auf die Genauigkeit des Moduls auswirken. Bei bestimmten Leistungsmodulen, z. B. in Analyse-Instrumenten, ist die Ausgangsstabilität über der Zeit von entscheidender Bedeutung, um die Wiederholbarkeit zu gewährleisten. Dies trifft beispielsweise in der Massenspektrometrie zu, wo Geräte mehrere Stunden lang in Betrieb sind. Hier muss das Gerät beim zweimaligen Durchlauf der gleichen Probe die gleichen Ergebnisse liefern. Auch Änderungen der Umgebungstemperatur können die Ausgangsspannung beeinflussen. Das Datenblatt gibt in der Regel die Langzeitdrift und den Temperatur-Koeffizient des Moduls an.

Umgebende Komponenten

Anders als bei Niederspannungs- oder Digital-Schaltkreisen stehen bei der Entwicklung eines Hochspannungs-Boards vor allem auf die umgebenden Komponenten im Fokus, gerade auf der Sekundärseite des Moduls. Entwickler sollten die Kriech- und Luftstrecken zu den Niederspannungs-Schaltkreisen genau betrachten und sicherstellen, dass sich im Hochspannungsbereich keine Masseflächen, Siebdrucke oder durchkontaktierte Bohrungen befinden.

Ist eine Isolierung erforderlich, sollten Steckplätze in die Platine eingefügt werden. Es empfiehlt sich auch, scharfe Kanten an den Pads auf der Leiterplatte zu vermeiden und bei Bedarf eine konforme Beschichtung oder andere isolierende Materialien zu verwenden.

Wichtig ist, bei der Spezifikation von Komponenten für Hochspannungs-Anwendungen deren Spannungs-/Leistungswerte und Derating zu beachten. Spannungs-/Temperaturkoeffizienten und das Wärmeverhalten der Komponenten selbst spielen ebenfalls eine wichtige Rolle beim Design von Hochspannungs-Schaltkreisen.

Integration elektrischer Module

Bei der Wahl eines Hochspannungs-Leistungsmoduls sollten Entwickler auf verschiedene integrierte Funktionen achten, die die Handhabung und Integration erleichtern und damit die Entwicklungszeit verkürzen. Viele Module verfügen über Unter- und Überspannungs-Schutzschaltungen um vor Störungen auf der Eingangsleitung zu Schützen. Es kann auch eine Schaltung vorhanden sein, die eine Fehlprogrammierung der Steuerspannung verhindert und das Modul vor versehentlicher Beschädigung schützt.

Schutzmaßnahmen auf der Sekundärseite

Auf der Sekundärseite verhindert ein Lichtbogenschutz eine Beschädigung des Moduls durch Überschläge in den Anwendungen. Zudem gewährleisten Überstrom- und Kurzschluss-Schutzschaltungen Sicherheit für das Modul und die Anwendung im Falle eines Fehlerzustands, z. B. einer Überlast oder eines Kurzschlusses. Auch eine thermische Abschaltung schützt das Modul, wenn die Temperatur über den angegebenen Betriebstemperaturbereich ansteigt. Diese gibt es in verschiedenen Arten. Die meisten Leistungsmodule erholen sich jedoch, sobald die Übertemperatur beseitigt ist.

Steuerung und Überwachung des Moduls

Die digitale Kompatibilität der Signale, die zur Steuerung und Überwachung des Leistungsmoduls verwendet werden, bestimmt die erforderliche Schaltung. Bei vielen Leistungsmodule spielen digital-analog-kompatible Signale eine Rolle, was die Steuerung der hohen Spannung erleichtert. Allgemeine Laborgeräte wie Digital-Multimeter und Oszilloskope sind oft auf 1 kV_DC begrenzt, was die Messung der Hochspannung des Leistungsmoduls zu einer Herausforderung macht. Leistungsmodule mit digital kompatiblen Überwachungssignalen machen den Einsatz eines Messgeräts jedoch überflüssig und erleichtern so die Arbeit des Entwicklers.

Integration mechanischer Module

Auf praktischer Ebene ist bei der Integration eines Hochspannungs-Leistungsmoduls in eine Anwendung viel mehr zu beachten als bei einem Niederspannungs-Modul. In vielen Fällen sind die Eingangs- und Ausgangspins lötbar, aber auch andere Anschlussarten stehen zur Verfügung. Außerdem ist es wichtig, die Anzahl, Position und Art der Pins zu kennen, um eine sichere Führung der Leiterbahnen auf dem Board zu gewährleisten, damit die Sicherheitsanforderungen wie Kriech- und Luftstrecken eingehalten werden.

Größe des Moduls

Die Kenntnis der physischen Größe des Moduls ist ebenfalls von Bedeutung, also die Grundfläche und die Höhe. Das Gesamtgewicht des Moduls ist auch ein wichtiger Aspekt, gerade wenn die Endanwendung Stoß- und Vibrationsbelastungen ausgesetzt sein wird, auch wenn diese nur selten auftreten. Falls zusätzliche Kühlkörper auf dem Modul erforderlich sind, muss dies bei den Überlegungen zu Größe und Gewicht mit einfließen, und es muss geprüft werden, ob deren Anbringung mit dem Fertigungsprozess vereinbar ist.

Fazit

Erkennt man den Bedarf an einem hochzuverlässigen Hochspannungs-DC/DC-Wandler mit präzisen Ausgangsspezifikationen, beginnen auch die Design-in-Herausforderungen. XP-Power steht mit technischem Support und Produktmustern zur Seite. (bs)