Высоковольтные преобразователи напряжения в виде стандартных модулей: просто, компактно, экономно

До недавних пор разработчики электрооборудования, которым требовался уникальный высоковольтный источник питания, могли выбирать из двух вариантов – приобретать заказное изделие у стороннего производителя или создавать источник самостоятельно. Сегодня появился третий вариант – использование высоковольтных DC/DC-преобразователей компонентного (модульного) типа. Широкий выбор стандартных модулей даёт возможность разработчикам комбинировать их согласно индивидуальным требованиям, избегая при этом многих специфических проблем, связанных с созданием высоковольтных изделий.

Небольшие DC/DC-преобразователи, монтируемые на печатную плату, представляют собой герметизированные скомпонованные сборки, формирующие полностью высоковольтный выходной канал, регулируемый с использованием стандартных низковольтных схем (см. рис. 1).

Теперь разработчики могут использовать метод, подобный распределённому принципу электропитания. То есть встраивать миниатюрные высоковольтные модули непосредственно в те участки платы, где необходимо высокое напряжение. Таким образом, отпадает необходимость в громоздком, монтируемом на шасси заказном высоковольтном источнике питания.

Применение стандартных высоковольтных DC/DC-преобразователей обеспечивает производителям электрооборудования целый ряд преимуществ:

1. Сокращение длительности этапов проектирования. Встраивание серийных высоковольтных модулей осуществляется в гораздо меньшие сроки, чем специфицирование заказного высоковольтного источника питания или полностью самостоятельная разработка. Изменения таких характеристик источника, как уровень напряжения или мощности, легко производятся на любом этапе разработки и практически не увеличивают её длительность.
2. Уменьшение размеров и массы готового изделия. Бо¢льшая часть модульных высоковольтных DC/DC-пре-образователей занимают объём ме-нее 82 см³ (5 дюйм³) и имеют массу менее 155 г. Более крупные модули применяются лишь там, где требуются значения напряжения свыше 30 кВ и мощности более 30 Вт. Отдельные ультракомпактные модели преобразователей занимают объём не больше 2 см³ (0,125 дюйм³) и весят до 5 г.
3. Снижение затрат на разработку и производство. Модули для монтажа на плату не требуют установки на шасси и ручной разводки проводов. Тем самым они удешевляют и ускоряют сборку, а также уменьшают вероятность ошибок. Снижение затрат обусловлено и тем, что стандартные высоковольтные модули выпускаются в больших объёмах, что, с одной стороны, благоприятно сказывается на их ценообразовании, а с другой стороны, способствует простой масштабируемости производства электрооборудования. Кроме того, в большинстве случаев конструкция стандартного высоковольтного модуля имеет подтверждённую надёжность, благодаря широкому применению.
4. Повышение гибкости разработок. Модификация конструкции модулей и внесение индивидуальных конструктивных изменений с небольшой доработкой могут осуществляться в короткие сроки. Также могут поставляться модули в корпусах со стандартной площадью основания, с уменьшенным напряжением или изменениями мощности.

Стандартные высоковольтные модули становятся жизнеспособной альтернативой заказным источникам питания, время и стоимость производства которых могут быть непривлекательными. Как известно, выбирая вариант использования заказного источника питания, OEM-производитель должен сначала уделить определённое время формированию технического задания, содержащего электрические и механические характеристики требуемого источника, а затем запрашивать квоты и выбирать поставщика. При этом в стоимость заказных изделий часто входит покрытие затрат изготовителя на нестандартное проектирование и использование производственного оборудования, а срок поставки может составлять несколько месяцев.

Другой путь производителя электрооборудования к получению необходимого высоковольтного источника питания – собственная разработка – чреват возникновением проблем при конструировании надёжного трансформатора, выборе высоковольтных компонентов, компоновке высоковольтной платы, герметизации и особых сборочных операциях. Как правило, на разработку надёжного, пригодного для запуска в производство источника питания уходит много времени из-за большого объёма работ. Появление в процессе разработки проблем, связанных с надёжностью и технологичностью, могут отодвинуть плановую дату завершения работ и задержать выпуск готового изделия.

Быстрое и экономически эффективное производство высоконадёжных систем электропитания стало возможным благодаря современным модульным источникам питания компании XP-EMCO.

История бренда EMCO

В течение более четырёх десятилетий компания EMCO High Voltage Corporation (в настоящее время является частью компании XP Power) лидирует в области разработки и производства высоковольтных источников питания для OEM-производителей комплексного оборудования, исследовательских лабораторий и учебных институтов по всему миру. Миссия компании – обеспечивать заказчиков высоконадёжными, компактными высоковольтными источниками питания с управляемыми параметрами, основываясь на производственных мощностях с отработанными технологическими процессами и предсказуемым временем изготовления.

Много лет назад руководитель и основатель компании EMCO Майк Доэрти принял верное стратегическое решение о смене направления деятельности компании. Приём заказов на разработку источников питания по техническим условиям заказчиков был приостановлен, и инженерной команде была поставлена задача сконцентрировать усилия на оптимизации серийных разработок. В результате такого смелого шага по переориентации бизнеса компания EMCO создала стандартные линейки изделий, параметры которых максимально соответствуют требованиям рынка. В частности, были разработаны высоковольтные DC/DC-преобразователи с низким уровнем шумов для медицинской рентгенографии.

Благодаря многолетней успешной работе на рынке, в компании накоплены обширные и глубокие научно-технические знания. Сегодня одна из целей XP-EMCO – завоевать имидж всеобъемлющего центра компетенции в области высоковольтного оборудования. Поэтому специалисты компании с удовольствием помогают заказчикам решать их специфические проблемы.

Компания XP-EMCO постоянно развивает высоковольтную технологию и выпускает на рынок новые модели источников питания в компактных корпусах и с превосходными техническими характеристиками. При этом цены на новинки, по сравнению с предшествующими моделями, остаются сопоставимыми или даже снижаются. Производимые компанией высоковольтные преобразователи напряжения устанавливают промышленные стандарты на габариты, рабочие характеристики и надёжность. Фактически, многие из современных промышленных стандартных форм-факторов высоковольтных модулей основаны на конструкциях XP-EMCO.

Передовые конструкции компании отмечены в нескольких продуктовых номинациях целым рядом престижных наград:

Источники питания марки EMCO получили хорошую репутацию среди многих поколений заказчиков своей высоконадёжной работой в составе готовых изделий. Сегодня продукция XP-EMCO соответствует требованиям самых ответственных применений, оставаясь при этом конкурентоспособной по цене, и пользуется заслуженным доверием за высокие технические показатели и надёжность – работает ли она в открытом космосе, глубоко под землёй или в лаборатории с высокочувствительным оборудованием.

Обширный опыт в разработке и производстве высоковольтных изделий позволяет компании использовать проверенные высоконадёжные компоненты и отлаженные технологические процессы. Вся современная продукция XP-EMCO изготовлена по оптимальному производственному процессу Flex-Chain, который обеспечивает наивысшее качество, небольшое время выполнения заказа и гарантирует заказчикам наименьший показатель общей стоимости владения.

Широкий ассортимент пропорциональных и стабилизированных источников питания XP-EMCO предлагает заказчикам максимум гибкости при разработке высокоточных изделий. В таблице 1 представлены серии стандартных высоковольтных преобразователей напряжения мощностью до 15 Вт.

Помимо стандартных линеек высоковольтных изделий производитель предлагает новаторские заказные и полузаказные решения с выходной мощностью до 50 Вт, соответствующие техническим требованиям заказчиков.

Так называемые пропорциональные источники питания – это источники питания с нестабилизированным выходным напряжением, которые, как правило, имеют низкую цену и отличаются небольшими габаритами (серии Q, A, G, GP, FS, F, E).

Основные характеристики пропорциональных преобразователей:

• мощность и управляющее напряжение подаются со стороны первичной цепи;
• выходное напряжение зависит от нагрузки (параметры указываются при полной нагрузке);
• выполняются в самых компактных корпусах;
• пульсация обычно больше, чем у стабилизированных моделей, так как фильтрация применяется в меньшей степени;
• первичная и вторичная цепи гальванически развязаны;
• напряжение может стабилизироваться внешней схемой;
• выходное напряжение пропорционально входному (значение 0,7U_вх является напряжением включения);
• выходное напряжение связано с входным напряжением линейно, но также зависит от нагрузки: чем меньше нагрузка, тем круче наклон характеристики (см. рис. 2).

У стабилизированных источников питания выходное напряжение изменяется на <1% вне зависимости от условий нагрузки (низкое значение нестабильности выходного напряжения по току). Имеется контур обратной связи с маломощным входным программирующим напряжением для точной стабилизации. Так как в модуле используется больше схем и цепей фильтрации, размеры стабилизованных преобразователей больше, чем размеры пропорциональных моделей.

Структурная схема стабилизированного преобразователя (серии C, CA, H, ULP, 4000, DX, USB) показана на рисунке 3.

Основные свойства стабилизированных высоковольтных преобразователей:

Далее в статье представлены серии высоковольтных источников питания, которые в разное время были отмечены в различных номинациях специализированными изданиями и разного рода компаниями.

Миниатюрные источники питания серии CA

Источники питания XP-EMCO серии CA, выполняющие работу, сравнимую с работой более крупных модулей, были отмечены редакцией журнала Electronic Products в 2000 г. за прогресс в технологии, существенный вы-игрыш в цене и за уникальные рабочие па-раметры.

Миниатюрный высоковольтный источник питания серии CA выполнен в экранированном корпусе с размерами 44,45 × 27,94 × 12,7 мм и массой 47 г. Он демонстрирует пульсацию выходного напряжения не выше 2 мВ (от пика до пика) и временну¢ю стабильность 0,001% в час.

Этот источник питания способен заменить более громоздкие модули в применениях, требующих высокостабилизированного, постоянного высокого напряжения. Значение напряжения программируется от 0 до 100% от номинального посредством напряжения 0...+5 В, подаваемого через высокоимпедансный вход программирования. Таким образом обеспечиваются номинальные выходные напряжения 0...250 В и 0...2000 В с отрицательной или положительной полярностью. Диапазон входного напряжения составляет 11,5...15,5 В.

Другими эксплуатационными характеристиками являются:

Источник напряжения имеет потенциометр для индивидуальной калибровки после монтажа и защищён от образования дуги и коротких замыканий. Структурная схема источника питания серии CA показана на ри-сунке 5.

Внутренний генератор квазисинусоидального сигнала, экранирование трансформатора и изолированный стальной корпус снижают индуцированное электромагнитное излучение до чрезвычайно низких уровней. Источники серии CA в удобных миниатюрных корпусах для монтажа на шасси или печатную плату предназначены для применения с фотоэлектронными умножителями, лавинными фотодиодами, прецизионными электрооптическими линзами, пьезоприборами, а также в других применениях, требующих точного значения высокого напряжения с малым уровнем шумов.

Патентованный процесс герметизации корпуса и использование высококачественного огнестойкого материала, производимого по заказному рецепту и относящегося к классу 94V-0, позволяют достигать превосходных тепловых характеристик источника.

Для удобного макетирования, компоновки и инженерной оценки при разработке систем электропитания компания XP-EMCO предлагает адаптер CM1 (MHV), позволяющий смонтировать модули на шасси, вместо того, чтобы разрабатывать печатную плату. Дополнительная фильтрация на входе и выходе улучшают параметры готового изделия. Диод Шоттки на входе обеспечивает защиту от неправильной полярности напряжения. Входное соединение осуществляется через разъём 15P SUM MIN-D, выход – через коаксиальный соединитель типа MHV. На рисунке 6 показана схема подключения модуля серии CA к адаптеру CM1.

Выпускаются также модели источников питания серии CA-T с расширенным диапазоном рабочих температур –55...+70°C (на корпусе).

5- и 10-киловольтные DC/DC-преобразователи серии Q

В 1999 г. редакторы журнала Elec-tronic Products, делая непростой выбор из тысячи новинок с целью награждения лучшей из них за выдающиеся достижения в области технологий или их применения, бесспорной инновации в конструкции или реального выигрыша в экономической эффективности, отдали пальму первенства источникам питания серии Q производства компании EMCO High Voltage.

Выпуск ультраминиатюрных высоковольтных DC/DC-преобразователей EMCO Q (см. рис. 7) стал значительным шагом мировой электронной промышленности на пути уменьшения размеров высоковольтных источников питания. Эти преобразователи имеют размеры в несколько раз меньше, чем другие источники с выходным напряжением 5 кВ – всего лишь 12,7 × 12,7 × 12,7 мм при массе 4,7 г. Производителю не пришлось жертвовать ради миниатюризации электрическими характеристиками изделий: преобразователи серии Q отличаются уровнем пульсации выходного напряжения 0,05%, то есть вдвое меньше, чем у многих более крупных преобразователей.

Ранее высоковольтные DC/DC-пре-образователи были слишком громоздкими и тяжёлыми для применения в портативных изделиях с автономным питанием, таких как, например, плоские дисплеи на полевой эмиссии (FED, Field-Emission Displays) и небольшие научные измерительные приборы. Серия Q преодолела эти ограничения. Для достижения существенной экономии размеров и массы в конструкции преобразователя широко применяются компоненты для поверхностного монтажа.

Награды журнала Electronic Products удостоились модели Q50 c положительным выходным напряжением и Q50N с отрицательным выходным напряжением, способные отдавать в нагрузку ток 0,1 мА (выходная мощность 0,5 Вт, опционально – 1,25 Вт). Обе модели не требуют применения каких-либо внешних компонентов и способны работать в режиме холостого хода. Диапазон рабочих температур составляет –10...+70°C. Преобразователи выполнены в герметизированных корпусах из пластика со стеклонаполнителем.

В 2001 г. «выбором редакции» журнала Electronic Product за низкий уровень пульсаций и излучаемых помех стал уже 10-киловольтный модуль Q101, выполненный в корпусе объёмом 14 см³. Масса модуля составляет 31 г. Модуль был заявлен как самый маленький высоковольтный DC/DC-пре-образователь, доступный в то время. Выходная мощность модуля составила 0,5 Вт (максимальный ток нагрузки 50 мкА), а пульсация выходного напряжения – менее 0,75%.

В настоящее время доступны модели с выходными напряжениями до 5 кВ в объёме 2 см³ и до 10 кВ в объёме 10 см³. Выходное напряжение не зависит от нагрузки, прямо пропорционально входному напряжению и линейно от уровня <0,7 В входного напряжения до максимального, что позволяет регулировать выходное напряжение. Контур управления позволяет обеспечить полный контроль над выходным напряжением через высокоимпедансный вход, идеальный для управления усилителем сигнала ошибки в системах регулирования с замкнутой обратной связью. Многие модели серии Q могут поставляться с опцией – выводом от средней точки, который создаёт положительный и отрицательный выходы из миниатюрного недорогого модуля.

На рисунке 8 схематично показан метод замены медного экрана, монтируемого на корпусе преобразователя для экранирования помех излучения. Медный экран устанавливается при производстве модуля.

Низкопрофильные высоковольтные источники питания серии A

В 2014 г. преобразователи серий A и AG получили признание UL и утверждение маркировки CE. Ультраминиатюрные пропорциональные преобразователи выполнены в корпусах менее чем 1,6 см³. Серия A отличается высотой 6,35 мм, тогда как отмеченные наградой преобразователи серии AG имеют высоту компонента всего лишь 3,25 мм. Обе серии, A и AG, являются идеальными для чувствительных применений, которые требуют источников питания минимальных размеров и веса. Диапазон контролируемых выходных напряжений составляет 100…6000 В, стандартная выходная мощность – 1 Вт, но доступны модели и с выходными мощностями 1,5 Вт. Получение маркировок UL Recognized Component и CE позволяют заказчикам использовать преимущество малогабаритных корпусов, улучшенных рабочих характеристик и низкой себестоимости производства, предлагаемых сериями A и AG. Внешний вид конструкции модулей серии A показан на рисунке 9.

Необходимо добавить, что 1-ваттные модели доступны также в исполнении с расширенным диапазоном рабочих температур –55...+105°C (температура корпуса). Основные применения модулей серий A и AG – лавинные фотодиоды, зарядка конденсаторов, фотоэлектронные умножители, масс-спектрометрия, поддерживающая подкачка ионов, пьезо-электрические приборы. В 2013 г. серия AG получила приз Products of the Year от журнала Electronic Products Magazine.

Микромощные стабилизированные преобразователи серии P c низким уровнем пульсаций

Недавно компания XP-EMCO представила новую серию микромощных (выходная мощность 2,4 мВт) стабилизированных преобразователей постоянного напряжения (5...12 В) в высоковольтное напряжение, предназначенных для монтажа на печатную плату. Преобразователи серии P (см. рис. 10) отличаются чрезвычайно низкими пульсациями выходного напряжения (<100 мкВ) и низким уровнем излучаемых электромагнитных помех, что обусловлено уникальной конструкцией без индуктивных элементов (трансформаторов и катушек индуктивности). Чрезвычайно низкая потребляемая мощность и небольшой вес, а также высота корпуса 6,2 мм делают эти модули идеальными для применения в портативном оборудовании, работающем от аккумулятора.

Стабилизированные выходные напряжения 0...1200 В и 0...2000 В (с возможностью программирования) доступны с положительной и отрицательной полярностью. Стабильное опорное напряжение и высокоимпедансный вход программирующего напряжения обеспечивают простое интегрирование преобразователя в измерительную систему. Модули серии P имеют стандартную функцию контроля выходного напряжения. Схема плавного включения высокого напряжения с отслеживанием скорости нарастания выходного напряжения защищает чувствительные детекторы и обеспечивает длительный срок службы. Выходное напряжение линейно по отношению к программирующему напряжению (от момента включения до максимального выходного напряжения), что позволяет легко управлять высоким напряжением с помощью низкого. Прецизионный источник опорного напряжения обеспечивает простое конфигурирование во всём измерительном диапазоне фиксированного или изменяемого выходного напряжения. Предусмотрен мониторинг выходного напряжения с коэффициентом 1000:1. Структурная схема преобразователя серии P показана на рисунке 11.

В таблице 2 приведён перечень моделей и основные электрические характеристики модулей серии P.

Основные характеристики и функциональные возможности:

Применения преобразователей се-рии P:

Заключение

Недавно Майк Доэрти (см. рис. 12) в интервью журналу Electronic Products поделился с читателями секретом своих успехов.

Руководитель EMCO сказал, что новые идеи часто рождаются в свободное время и даже во время сна или отдыха. «Необходимо только иметь постоянное страстное желание что-то создать и быть полностью поглощённым задачей, – подчеркнул Майк Доэрти. – А ещё нужно очистить мозг от суеты и хаоса, ведь в наше время почти всё, о чём мы обычно думаем, – просто шум: тонны электронных сообщений, собрания, непрерывный поток новостей... Для продуктивного созидательного мышления важно научиться распознавать слабый сигнал среди множества шумов и сфокусировать все усилия на этом сигнале».

Сам Майк Доэрти научился этому ещё в юности, когда был радиолюбителем-коротковолновиком. Он концентрировался на установке связи с далёким слабым сигналом, и наряду с этим старался отстроиться от сильных шумов. Сейчас основатель компании EMCO любит уединяться на несколько дней в своей хижине в горах Орегона (где нет телефона, Интернета и соседей), взяв с собой запас материалов для чтения. Как утверждает Майк Доэрти, временный уход от суеты современной жизни помогает ему увидеть важные мысленные образы. По меткому выражению руководителя EMCO, «идеи должны вскипеть в подкорке».

Так было найдено решение для уменьшения высоты источника питания при монтаже на печатную плату: модуль был установлен в вырез на плате (технология Z-Height Stuck-Up). 

В настоящее время источник пи-тания возвышается над поверх-ностью платы только на 3 мм, то есть лишь на четверть от высоты других изделий.

В январе 2015 г. бизнес и активы корпорации EMCO High Voltage (EMCO) были приобретены компанией XP Power (Великобритания). Поддержка XP Power позволит ускорить исследовательскую и производственную деятельность EMCO, использовать прямые каналы продаж XP Power во всём мире и выйти на новые рынки под новой торговой маркой XP-EMCO.

Литература

1. Michael Doherty. Standard High-Voltage Modules Save Time, Space and Money. Electronic Products. March. 2000.
2. Michael Doherty, Michael Janto, Mark Helmreich. Frozen Photodetectors Present Design Challenges. Photonics Spectra September 2005 Issue. www.photonics.com/Article.aspx?PID=5&amp;VID=19&amp;IID=121&amp;AID=22935.
3. High-Voltage Module Occupies 1 in.³. Electronic Products. December. 2000.
4. 5-kV DC/DC Converter Breaks New Ground in Size, Performance. Electronic Products. January. 2000.
5. 10-kV Supply Measures 0.85 in.³. Electronic Products. October. 2001.