Considérations de conception pour les modules CC/CC haute tension

La sélection d'un convertisseur CC/CC approprié est cruciale lors de la conception d'applications exigeant des sources d'alimentation haute tension, isolées et compactes. Les convertisseurs doivent garantir des tensions de sortie précises, stables et ajustables tout en résistant à diverses contraintes électriques et environnementales susceptibles de compromettre la fiabilité et la sécurité.

Les spécifications de performances d'un convertisseur CC/CC haute tension peuvent sembler solides sur le papier, mais le véritable test ne commence que lorsque le module est intégré dans un produit physique et utilisé dans la pratique.

Comprendre comment évaluer et intégrer les convertisseurs CC/CC contribue largement à la réussite du prototypage et à la transition vers la production.

Les convertisseurs CC/CC haute tension jouent un rôle crucial dans des applications telles que les instruments d'analyse, le traitement des semi-conducteurs, les diagnostics médicaux et la recherche scientifique. L'intégration de modules haute tension dans des applications critiques à long terme repose sur des critères spécifiques :

• La spectrométrie de masse et l'électrophorèse requièrent une haute tension stable à faible bruit pour une séparation et une détection chimiques précises.
• Les mandrins électrostatiques utilisés dans la fabrication de plaquettes nécessitent une tension précise pour maintenir les substrats en silicium ou en verre pendant le traitement.
• Les microscopes électroniques à balayage (MEB) dépendent d'une polarisation ultra-stable pour le contrôle du faisceau et la netteté de l'image.
• Les tubes photomultiplicateurs (PMT) exigent une polarisation stable et une tension sans ondulation pour éviter le bruit dans les mesures ou la détection de photons.
• Les circuits de charge de condensateurs bénéficient de la limitation rapide du courant et de la protection contre les arcs électriques du régulateur.
• Les outils de diagnostics médicaux utilisent des modulateurs haute tension pour la détection d'analytes (substance cible) ou le contrôle thérapeutique, exigeant fiabilité et sécurité.

Les modules de convertisseurs CC/CC haute tension série HRC05 de pointe de XP Power (Figure 1) répondent à ces exigences avec des versions compactes de 5 W qui équilibrent les performances de régulation avec la facilité de mise en œuvre.

Figure 1 : Facteur de forme des convertisseurs CC/CC haute tension 5 W régulés série HRC05. (Source de l'image : XP Power)

Exigences relatives aux modules

Qu'il s'agisse de concevoir des instruments compacts, d'expérimenter avec des capteurs ou de développer un nouveau système d'imagerie, il est important de comprendre où utiliser ces modules pour pouvoir les appliquer de manière efficace et créative. La série HRC05 offre aux concepteurs de produits une solution hautement intégrée, mais son utilisation efficace exige une attention particulière à plusieurs détails au niveau de la conception.

L'examen des modèles HRC0524S6K0P et HRC0524S6K0N de XP Power illustre les choix de conception. Ils partagent des caractéristiques électriques et mécaniques presque identiques mais fournissent des polarités opposées. Ils présentent tous les deux les caractéristiques suivantes :

• Tension d'entrée : 22 V_CC à 30 V_CC (24 V_CC, nominal)
• Plage de sortie : 0 → ±6000 V, programmable via la broche de commande de 0 V à 5 V
• Courant de sortie maximum : 0,83 mA (~5 W)
• Facteur de forme : boîtier SIP compact (~64,8 mm × 33 mm × 15,2 mm)
• Plage de températures : -40°C à +70°C
• Protections : court-circuit, arc électrique, surcharge, sous-tension/surtension d'entrée, blocage thermique
• Isolement : entrée-sortie 5,2 kV_CC

La différence critique réside dans la polarité de sortie, le HRC0524S6K0P fournissant une sortie haute tension positive de 0 V à +6000 V, et le HRC0524S6K0N fournissant une sortie haute tension négative de 0 V à −6000 V.

L'application finale dicte la sélection de la polarité (Figure 2). Par exemple, les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les mandrins électrostatiques requièrent souvent une polarisation négative pour attirer les électrons ou maintenir un substrat en place. En revanche, les actionneurs piézoélectriques, les circuits de charge de condensateurs ou l'optique ionique peuvent nécessiter une excursion de tension positive.

Figure 2 : La série HRC05 convient aux applications analytiques, médicales, de semi-conducteurs et de détection critiques. (Source de l'image : XP Power)

Les deux modules partagent la même empreinte mécanique et le même comportement de commande, ce qui est utile lors de la conception d'une plateforme ou d'une gamme de produits avec plusieurs variantes. Un concepteur peut passer d'une polarité à l'autre sans modifier la disposition de la carte — seules les connexions électriques et la logique d'application changent.

Une polarité incorrecte n'endommagera pas nécessairement le module, mais elle peut rendre inefficace un produit conçu avec soin. Même si le convertisseur semble fonctionner, il se peut qu'il ne remplisse aucune fonction ou qu'il fournisse des mesures inexactes.

Comprendre les exigences électriques de la charge est tout aussi important que de respecter les spécifications de tension ou de puissance. En fonction de l'application, la tension et la polarité requises doivent être clairement définies.

Précision des convertisseurs de puissance haute tension

Dans les systèmes haute tension, la précision de sortie est un facteur de performances critique. Même de petites erreurs de tension ou ondulations peuvent dégrader les performances de l'ensemble du système.

La série HRC05 de XP Power offre un moyen simple de contrôler la tension de sortie via une interface analogique, offrant aux concepteurs simplicité et flexibilité. Un signal de 0 à 5 V appliqué à la broche VIN_CTRL programme la sortie de manière linéaire, de 0 V à la tension nominale maximum du module, qui peut s'étendre de 2 kV à 6 kV.

La stabilité de sortie est tout aussi importante. La série HRC05 maintient généralement l'ondulation en dessous de 0,5 % de la sortie pleine échelle, ce qui est plus que suffisant pour la plupart des circuits d'entrée analogiques, des alimentations de polarisation et des circuits de capteurs. Dans de nombreux systèmes, en particulier ceux impliquant l'optique ou la détection de signaux de faible niveau, cette faible ondulation peut faire la différence entre une mesure propre et un résultat inutilisable.

Cependant, pour les applications haute précision, le contrôle en boucle ouverte peut s'avérer insuffisant. Dans de tels cas, un étalonnage externe voire la création d'un schéma de contrôle en boucle fermée sont souvent nécessaires. Par exemple, un diviseur de tension à haute résistance peut réduire la sortie à un niveau sûr pour un CAN, qui à son tour fournit une rétroaction à un microcontrôleur. Cette boucle de rétroaction peut ensuite ajuster dynamiquement le signal VIN_CTRL pour maintenir une tension cible précise, même lorsque les conditions de température ou de charge changent.

En fin de compte, choisir un module de la série HRC05 offre aux concepteurs une base solide pour garantir la précision. Cependant, la qualité du maintien de cette précision dépend d'une implémentation réfléchie dans l'ensemble du système.

Considérations relatives aux circuits imprimés haute tension

Lors de l'intégration d'un convertisseur CC/CC haute tension comme ceux de la série HRC05 de XP Power sur un circuit imprimé, la disposition doit tenir compte de détails qui ne sont pas typiques des systèmes basse tension ou purement numériques.

La conception haute tension présente un certain nombre de défis — certains subtils, d'autres moins — qui peuvent avoir un impact sur les performances et la sécurité s'ils ne sont pas pris en compte dès le début du processus de conception, notamment :

• Ligne de fuite et distance de dégagement appropriées par rapport aux circuits basse tension
• Absence de plans de masse dans la zone haute tension
• Absence de bords tranchants sur les pastilles du circuit imprimé
• Absence de sérigraphie à proximité de la zone haute tension
• Absence de trous plaqués dans la zone haute tension
• Emplacements sur la carte, si nécessaire, pour fournir l'isolement
• Revêtement conforme et autres matériaux isolants, si applicable

De plus, du côté haute tension du circuit imprimé, le choix des composants situés à proximité du convertisseur peut s'avérer difficile. Voici quelques considérations et spécifications clés à prendre en compte :

• Tension, puissance et courant nominaux
• Détarage des composants
• Coefficients de température
• Performances thermiques

Outre le respect de la ligne de fuite et de la distance de dégagement sur le circuit imprimé, les concepteurs peuvent devoir envisager d'améliorer l'isolation, par exemple par des découpes ou des revêtements conformes, en particulier lors de l'intégration du module dans des environnements exposés à une forte humidité ou à la pollution.

La conception pour la haute tension ne consiste pas seulement à respecter les spécifications électriques — il s'agit de comprendre comment les réalités physiques de la carte interagissent avec les contraintes électriques auxquelles elle sera soumise. Une carte correctement configurée garantit qu'un module HRC05 pourra fonctionner de manière fiable, sûre et conforme aux spécifications pendant toute la durée de vie du produit.

Intégration de l'application finale

Le choix d'un module haute tension ne représente que la moitié du travail. Son intégration au produit de manière sûre, fiable et rentable exige une attention méticuleuse aux considérations de conception électrique et physique. Le HRC05 de XP Power est un module compact et performant, mais il requiert néanmoins une intégration système réfléchie pour répondre aux besoins des applications critiques.

Les concepteurs doivent tenir compte de la hauteur du module, en particulier dans les produits à espace limité ou portables, et veiller à ce qu'il soit correctement isolé des surfaces conductrices à proximité. Les modules HRC05 sont fournis en boîtiers SIP entièrement encapsulés, mesurant environ 64,8 mm × 33,0 mm × 15,2 mm. Ils se montent verticalement via des broches de circuit imprimé, contribuant à économiser l'espace sur la carte tout en améliorant la fuite en surface et le dégagement autour des broches haute tension.

Le boîtier SIP simplifie la gestion thermique en empêchant les composants chauds d'entrer en contact avec la carte. Les concepteurs doivent néanmoins veiller à garantir un flux d'air adéquat ou un refroidissement passif si l'unité fonctionne près de sa limite de sortie de 5 W, en particulier dans les environnements chauds.

La broche VIN_CTRL sert d'interface de commande principale, utilisant un signal analogique de 0 V à 5 V qui programme linéairement la tension de sortie de 0 % à 100 % de la sortie nominale du module (par exemple, 0 kV à 6 kV). Cette conception fait du module HRC05 un choix idéal pour l'intégration avec des CNA de microcontrôleurs ou des boucles de commande analogiques. De plus, le module offre des sorties de surveillance : VOUT_MON (contre-réaction de tension à l'échelle) et IOUT_MON (sortie de courant proportionnelle). Ces sorties permettent au système de surveiller les performances des convertisseurs et de mettre en œuvre des routines de protection ou d'étalonnage.

Dans les applications de précision, le concepteur peut choisir de fermer la boucle via le micrologiciel. Cette approche implique d'ajuster en continu le signal de commande en fonction des mesures CAN de VOUT_MON et IOUT_MON. Ce faisant, le système maintient la stabilité sous des charges variables.

La série HRC05 présente un isolement entrée-sortie de 5,2 kV_CC, protégeant ainsi les circuits de commande basse tension contre les risques haute tension. La série respecte également les exigences d'isolement de base, ce qui la rend adaptée à diverses applications industrielles et scientifiques. Toutefois, il est important de noter que cette série peut ne pas convenir aux équipements médicaux connectés aux patients, pour lesquels un isolement renforcé ou double peut être obligatoire.

La série HRC05 ne dispose pas de filtrage EMI intégré. Par conséquent, pour réussir les tests CEM au niveau du système, les concepteurs doivent ajouter un filtrage d'entrée (tel que des filtres π ou des selfs de mode commun) et envisager un amortissement de sortie ou une charge résistive, en fonction de la nature de la charge haute tension.

Conclusion

L'intégration de fonctionnalités haute tension dans des systèmes compacts dépend des performances du module et du soin apporté par le concepteur à l'intégration — de la disposition et de la gestion thermique au filtrage et au contrôle des signaux. Les convertisseurs CC/CC haute tension série HRC05 de XP Power offrent des solutions de pointe pour les applications exigeant une alimentation haute tension précise, stable et fiable. Avec leur sortie programmable, leur excellente régulation, leur protection robuste et leur conception compacte, les convertisseurs série HRC05 constituent une solution optimale dans un boîtier miniature pour les applications médicales, industrielles et scientifiques.