Autor: Hafiz Khalid, Sr. Product Manager, High Voltage, XP Power
A lo largo de los años, a través de observaciones en campo y conversaciones con ingenieros de diseño, se presentan regularmente cuatro desafíos al integrar módulos de potencia CC-CC de alto voltaje en aplicaciones críticas a largo plazo. El criterio más importante es definir correctamente los requisitos del módulo de potencia, luego considerar la precisión del convertidor en diversas condiciones, los circuitos circundantes necesarios y su ubicación con respecto al convertidor, y cómo integrar el módulo en el diseño final.
Definir los parámetros clave
Cuando se busca un módulo de potencia de alta tensión, un punto de partida fundamental en el proceso de diseño es definir con precisión sus requisitos. Dependiendo de la aplicación, esto abarca todos los parámetros significativos del módulo. Por tanto, el primer paso es comprender las condiciones de entrada y salida de la aplicación. La tensión de entrada y su precisión definen los requisitos necesarios de regulación de la línea y de protección del módulo. En la mayoría de los casos, las condiciones del tiempo de carga y de la carga son complejas, pero, una vez conocidas, ayudan a definir los parámetros básicos del módulo, como la tensión, la corriente y la polaridad. Un tubo fotomultiplicador típico, por ejemplo, puede requerir 1200Vdc a unos pocos microamperios de corriente. Además, saber qué señales están disponibles para controlar y supervisar el módulo para que funcione correctamente y con seguridad, mejora la aplicación final.
También hay que tener en cuenta las condiciones ambientales. Por ejemplo, los diseñadores deben prestar atención a las elevadas temperaturas de funcionamiento o a los niveles de humedad si la aplicación final es en equipos destinados a ser instalados en el trópico. También hay que tener en cuenta las limitaciones de espacio; por lo general, el objetivo de los equipos, desde los dispositivos portátiles hasta los instrumentos de prueba y medida de sobremesa, es hacerlos lo más pequeños posible o incluir más funciones en el mismo espacio.
Por último, pero no por ello menos importante, están las homologaciones requeridas por las agencias para los equipos finales. Un ejemplo típico es la norma UL/IEC/EN 61010 para instrumentos analíticos. La selección de un módulo preaprobado según las normas pertinentes facilita el diseño y ahorra tiempo y dinero.
Evaluación de la precisión
Una vez definidos correctamente los requisitos del módulo de potencia, hay que evaluar su precisión global. La precisión puede verse afectada por variaciones en la tensión de entrada, las condiciones de carga, la temperatura de funcionamiento y otros factores ambientales. Por ejemplo, considere la tolerancia de la tensión de salida, que define cualquier variación de la tensión especificada. También hay que tener en cuenta la precisión del punto de ajuste del módulo, que confirma su capacidad para alcanzar el punto de ajuste utilizando la tensión de control.
De nuevo, la regulación de la línea y de la carga, determinan la capacidad del módulo para mantener la tensión de salida dentro de ciertos límites, independientemente de las variaciones de la entrada o de la carga. El rizado y el ruido también pueden afectar a la precisión del módulo. Para ciertas aplicaciones del módulo de potencia, como la instrumentación analítica, la estabilidad de la salida en el tiempo es esencial para garantizar la repetibilidad. Por ejemplo, esta estabilidad en el tiempo adquiere una importancia crítica en la espectrometría de masas, donde los equipos pueden estar funcionando durante varias horas. En este caso, el instrumento debe ofrecer los mismos resultados si la misma muestra pasa dos veces. Los cambios en la temperatura ambiente también pueden afectar a la tensión de salida. Normalmente, la deriva a largo plazo y el coeficiente de temperatura del módulo se especifican en la hoja de datos.
Circuitos circundantes
A diferencia de las placas de circuitos de baja tensión o digitales, el diseño de una placa de circuitos de alta tensión requiere una atención especial a los componentes circundantes, especialmente en el lado secundario del módulo. Los diseñadores deben vigilar de cerca las distancias de fuga y separación de los circuitos de baja tensión y asegurarse de que no haya planos de tierra, serigrafías u orificios chapados en la zona de alta tensión.
Si es necesario el aislamiento, considere la posibilidad de añadir ranuras en la placa. También es una buena práctica evitar los bordes afilados en las pastillas de la placa de circuito y considerar el uso de un revestimiento de conformidad u otros materiales aislantes si es necesario. Es importante que, al especificar los componentes para su uso en aplicaciones de alta tensión, tenga en cuenta sus valores nominales de tensión/potencia y su reducción de potencia. Los coeficientes de tensión/temperatura y el rendimiento térmico de los propios componentes también desempeñan un papel importante a la hora de diseñar los circuitos de alta tensión.
Integración del módulo eléctrico
A la hora de elegir un módulo de alimentación de alta tensión hay que tener en cuenta varias características integradas que facilitan el manejo y la integración, simplificando y acortando los tiempos de diseño. Por ejemplo, muchos módulos incorporan circuitos de protección contra subtensión y sobretensión para proteger de fallos en la línea de entrada. También puede haber circuitos que eviten la programación errónea de la tensión de control, protegiendo el módulo de daños involuntarios.
En el lado secundario, la protección contra arcos eléctricos evita que el módulo se dañe debido a eventos de arco en las aplicaciones. Además, los circuitos de protección contra sobrecorriente y cortocircuito proporcionan seguridad al módulo y a la aplicación en caso de una condición de fallo, como una sobrecarga o un cortocircuito. Asimismo, el apagado térmico protege el módulo si la temperatura se eleva por encima de su rango de temperatura de funcionamiento especificado. Existen varios mecanismos de apagado térmico; no obstante, la mayoría de los módulos de potencia se recuperan una vez que se elimina la condición de sobretemperatura.
Controlar y supervisar el módulo
La compatibilidad digital de las señales utilizadas para controlar y supervisar el módulo de potencia define la circuitería necesaria. Por ejemplo, muchos módulos de potencia cuentan con señales compatibles de digital a analógico, lo que facilita el control de la alta tensión. Los equipos generales de laboratorio, como los multímetros digitales y las sondas de alcance, suelen estar limitados a 1kVdc, lo que dificulta la medición de la alta tensión del módulo de potencia. Sin embargo, los módulos de potencia que tienen señales de monitorización digitales compatibles anulan por completo la necesidad de utilizar un instrumento, lo que facilita mucho el trabajo del ingeniero de diseño.
Integración del módulo mecánico
A nivel práctico, hay que tener en cuenta muchas más cosas a la hora de integrar un módulo de potencia de alta tensión en una aplicación que un módulo de baja tensión. En muchos casos, los pines de entrada y salida son soldables, pero también existen otros tipos de conexión. Además, conocer el número, la posición y el tipo de pines es importante para garantizar el enrutamiento seguro de las trazas de la placa de circuito impreso para asegurar el cumplimiento de los requisitos de seguridad, como la línea de fuga y el espacio libre.
También es esencial conocer el tamaño físico del módulo, tanto la huella como la altura. Su peso total también es una consideración clave, sobre todo si el diseñador sabe que la aplicación final probablemente se enfrentará a cargas de choque/vibración, aunque sean poco frecuentes. Por último, si el módulo necesita un disipador térmico adicional, hay que tenerlo en cuenta a la hora de considerar el tamaño y el peso, y saber si su colocación es compatible con el proceso de producción.
Conclusión
Reconocer la necesidad de un convertidor CC-CC de alto voltaje y altamente fiable con especificaciones de salida precisas es sólo el comienzo del viaje de diseño. XP Power puede ayudarle con soporte técnico y muestras de productos. El módulo de potencia HRC05 de XP Power ofrece un alto voltaje ajustado a las especificaciones que usted necesita.
