장기 애플리케이션에 고전압 모듈 통합 시 고려할 사항

2021년 05월 28일

고전압 디자인 중인 프로세스는 다양한 응용 분야에서 수많은 과제를 제시한다. 이러한 과제들은 현장에서의 관찰과 디자인 엔지니어와의 대화를 통해 여러 해에 걸쳐 제시되어 왔다.

고전압 모듈 요구사항 정의

요구사항 정의는 설계 프로세스에서 매우 중요하다. 다음은 고전압 모듈을 찾을 때 고려해야 할 몇 가지 사항 목록이다.

· 입력 및 출력 조건: 애플리케이션의 고전압 모듈 및 부하 조건에 대한 입력 정보를 이해하는 것이 올바른 솔루션을 얻기 위한 첫 번째 단계이다. 입력 전압과 정확도가 중요하며 모듈에서 필요한 라인 조절 및 보호 요구 사항을 정의하는 데 도움이 된다. 대부분의 애플리케이션에서 발생하는 로드는 저항성 요소와 용량성 요소가 혼합되어 있다. 따라서 부하 및 부하 조건을 이해하는 것이 고전압 공급 장치의 전압 및 전류 요구 사항을 정의하는 데 매우 중요하다.

· 전압 및 전류 요구 사항: 고전압이 수행해야 하는 작업에 따라 전압 및 전류와 극성을 정의해야 한다. 이는 대부분 부하 사양에 따라 다르다. 예를 들어 광전자 증배관은 전류의 마이크로암페어(micro-Amp)가 있는 1200VDC를 요구할 수 있다.

· 제어 및 모니터링 신호: 오늘날의 대부분의 애플리케이션은 디지털 회로에 의해 제어되므로 고전압 모듈을 제어 및 모니터링하기 위해 애플리케이션에서 사용할 수 있는 신호를 이해하는 것이 더 쉬운 통합을 위해 중요하다.

· 환경 조건: 용도에 따라 고려해야 할 작동 온도, 습도 등과 같은 특정 환경 조건이 있을 수 있다. 애플리케이션이 어디로 가고 있으며 애플리케이션에서 고전압 모듈이 있는 위치에 주의를 기울여야 한다.

· 크기 제약: 이는 고전압 공급 장치 및 전체 애플리케이션의 공간 가용성에 해당한다. 소규모 데스크톱 및 이동형장치 애플리케이션에서 크기는 매우 중요하다. 반도체 제조, 검사 도구 및 분석 도구와 같은 더 많은 공간이 필요한 애플리케이션에서도 동일한 공간에 더 많은 기능을 넣거나 더 많은 차세대 기기를 위한 공간을 확보하기 위해 가능한 한 작은 공간을 만드는 데 초점을 맞추어야 한다.

· 인증 승인: 이 문제는 최종 애플리케이션이 특정 규제 승인 요건을 갖춘 산업 부문으로 진입할 때 매우 중요하다. 예를 들어 분석 기기 시장의 경우 UL/IEC/EN 61010 승인이 필요하다.

고전압 전력 변환기의 정확도

고전압 전력 변환기의 정확도는 입력 전압, 부하 조건, 작동 온도 및 기타 환경 요인의 변동을 포함할 수 있는 다른 변수의 영향을 받는다. 다음은 모듈에 대한 고전압 정확도 요구 사항을 정의할 때 고려해야 하는 사양 목록이다.

· 출력 전압 임계값: 지정된 전압과의 변동이다.
· 설정점 정확도: 제어 전압을 사용하여 설정점을 달성하는 제어 능력이다.
· 라인 및 부하 조절 : 입력 전압과 부하 변화에 따라 조절 사양 내에서 출력 전압을 유지하는 제어 능력이다.
· 리플 및 노이즈: DC 고전압 공급 장치 위에 있는 잔류 AC 신호이다.
· 제어의의 선형성이다. 제어 전압에 대한 출력 전압의 전송 기능이다.
· 온도 계수: 섭씨 온도당 온도 변화에 따른 출력 전압의 변화이다.
· 시간에 따른 안정성: 지정된 기간 동안 고전압을 특정 사양 내에서 유지하면서도 다른 파라미터는 일정하게 유지하는 고전압 공급 기능이다. 이는 계측기가 8시간 동안 작동하며 동일한 샘플이 진행되는 경우 동일한 결과를 제공할 것으로 예상되는 질량 분석 같은 애플리케이션에서 매우 중요한다. 이 문제는 고전압 공급이 안정적이지 않을 경우 문제가 된다.

애플리케이션의 고전압을 중심으로 회로 설계

고전압 회로 기판을 설계하려면 저전압 또는 디지털 회로 기판을 설계할 때 관련이 없는 세부 사항에 각별히 주의해야 한다. 설계 프로세스 중에 고전압 공급 장치 주변에 구성 요소가 필요할 수 있으며, 특히 고전압 측에서 이러한 구성 요소가 매우 까다로워진다. 고전압 작업 시 더욱 중요해지는 사양이 있으며, 아래에 고전압 보드 설계 시 주의해야 할 세부 정보와 함께 나열되어 있다.

· 저전압 회로로부터의 적절한 크리프 및 간극 거리이다.
· 고전압 영역에 접지면이 없다.
· 회로 기판의 패드에서 날카로운 가장자리를 피한다.
· 고전압 주변에는 실크 스크린이 없다.
· 고전압 영역에 도금된 홀이 없다.
· 절연를 제공하기 위해 필요한 경우 보드의 슬롯을 제공한다.
· 필요한 경우 적합성 코팅 및 기타 절연재

고전압 구성 요소의 주요 사양 및 고려 사항
· 전압 및 전력 정격
· 부품의 변화치
· 전압 및 온도계수
· 열성능 제공

최종 애플리케이션의 손쉬운 처리 및 통합

취급 용이성과 통합 용이성은 모듈 통합의 전기적, 기계적 측면이며, 이러한 측면도 고려해야 한다. 다음 사항이 설계 중인 모듈에 이미 포함되어 있는 경우 고전압 통합이 쉬워진다.

보호 및 안전

· 입력 보호
- 입력 저전압 및 과전압 보호 기능은 입력 라인의 문제로부터 장치를 보호한다.
- 제어 과전압 보호 기능은 장치와 애플리케이션이 설계한 것보다 높은 전압에 대해 프로그래밍되는 것을 방지한다.

· 출력 보호
   - 불꽃 보호 기능을 통해 애플리케이션에서 불꽃이 발생하지 않도록 장치를 보호한다.
   - 과전류 보호 및 단락 보호는 장치가 최적으로 전달할 수 있는 지점 또는 애플리케이션에서 단락이 보이는 지점 이상으로 과부하된 경우 모듈과 애플리케이션에 대한 안전을 제공한다.
· 열 보호
   - 열 차단은 모듈이 지정된 작동 온도 범위를 벗어날 경우 모듈을 보호한다. 이러한 설계 방식에 따라 대개 과열 상태가 해제되면 자동 복구된다.

제어 신호
이 신호는 고전압 모듈을 제어 및 모니터링하는 데 사용되는 신호이다. 컨트롤 및 모니터 신호의 디지털 호환성은 고전압을 제어하는 데 필요한 회로를 정의하는데 중요하다. 신호가 DAC와 호환되는 경우 모듈에 사용 가능한 기능이 있으므로 고전압 제어가 훨씬 쉬워진다. DMM 및 스코프 프로브는 일반적으로 1000VDC를 초과하지 않는 특정 전압으로 제한되기 때문에 필요한 특수 장비 를 고전압 및 부하 전류 측정은 어려운 과제이다. 모듈에 디지털 호환 모니터 신호가 있으면 설계자가 훨씬 쉽게 사용할 수 있다. 모듈 통합에 유용한 일부 신호 및 해당 기능은 아래에 나와 있다.

· 전압 프로그래밍
· 입력 활성화/비활성화
· 출력 전압 모니터링
· 전류 모니터링 로드
· 제어 및 모니터 신호의 디지털 호환성
· 성능의 반복성

물리적 모듈 통합
이는 애플리케이션 회로에서 모듈의 공간 및 물리적 통합에 해당한다. 고려해야 할 사항은 다음과 같다.

· 입출력 연결부
· 크기 제약
· 기계 배치
- PCB 장착
- 섀시 장착
· 환경 고려사항
· 필요한 경우 열 제거 기능

XP Power의 새로운 HRC05는 시스템 설계자가 직면한 정확도, 신뢰성 및 통합 문제를 해결하고 미니어처 패키지로 최적의 솔루션을 제공하는 것을 목표로 한다.

글/ 하피즈, XPPOWER 고전압 제품 책임자