高压 DC/DC 模块设计考量

在应用需要紧凑的隔离式高压电源的情况下，选择合适的 DC/DC 转换器是重要设计选择。转换器必须确保输出电压的精确性、稳定性和可调性，同时能够承受各种电气和环境应力，以确保可靠性和安全性。

尽管高压 DC/DC 转换器的性能规格在纸面上看起来相当可靠，但真正的考验在于将模块集成到实际产品中，并部署到真实环境中。

了解如何评估和集成 DC/DC 转换器，对于成功进行原型设计并顺利过渡到量产阶段至关重要。

高压 DC/DC 转换器在分析仪器、半导体加工、医疗诊断和科学研究等领域中发挥着至关重要的作用。将高压模块集成到关键的长期应用中需要满足一定的条件：

• 质谱分析和电泳技术需要稳定、低噪声的高电压，以实现准确的化学分离和检测。
• 晶圆制造中用到的静电吸盘需要精确控制电压以在加工过程中固定硅片或玻璃基板。
• 扫描电子显微镜 (SEM) 依赖超稳定的偏压来控制电子束并确保图像清晰。
• 光电倍增管 (PMT) 需要稳定的偏压和无纹波电压，以避免测量或光子检测中的噪声。
• 电容器充电电路得益于稳压器的快速限流和电弧保护功能。
• 医疗诊断设备采用高压调制器进行分析物（目标物质）检测或治疗控制，对设备可靠性和安全性提出了严格要求。

XP Power 推出的 HRC05 系列（图 1）高压 DC/DC 转换模块是满足这些需求的领先解决方案，其紧凑型 5 W 版本在调节能力与易实施性之间实现了平衡。

图 1：HRC05 系列 5 W 高压 DC/DC 转换器封装外形。（图片来源：XP Power）

模块要求

无论是设计紧凑型仪器、实验传感器，还是开发新的成像系统，了解这些模块的适用之处都能帮助您更有效、更创造性地应用它们。HRC05 系列为产品设计人员提供了高度集成的解决方案，但要有效利用该系列，需特别关注多个设计层面的细节。

通过分析 XP Power 的 HRC0524S6K0P 和 HRC0524S6K0N 型号我们可以做出自己的设计选择。它们具有几乎相同的电气和机械特性，但输出极性相反。具体规格如下：

• 输入电压：22 V_DC 至 30 V_DC（额定值 24 V_DC）
• 输出电压范围：0 → ±6,000 V，可通过 0 V 至 5 V 控制引脚进行编程设定。
• 最大输出电流： 0.83 mA (~5 W)
• 外形尺寸：紧凑型 SIP 封装 (~64.8 mm × 33 mm × 15.2 mm)
• 温度范围：-40°C 至 +70°C
• 保护功能：短路、电弧、过载、输入欠压/过压、热关断
• 隔离：输入到输出 5.2 kV_DC

关键区别在于输出极性，其中 HRC0524S6K0P 提供正高压输出，范围为 0 V 至 +6,000 V，而 HRC0524S6K0N 提供负高压输出，范围为 0 V 至−6,000 V。

最终应用决定极性选择（图2）。例如，光电倍增管 (PMT) 和静电吸盘通常需要施加负偏压以吸引电子或固定基板。相比之下，压电执行器、电容充电电路或离子光学系统可能需要正电压摆幅。

图 2：HRC05 系列适用于关键分析、医疗、半导体或检测应用。（图片来源：XP Power）

这两个模块具有相同的机械结构和控制行为，这在设计包含多个变体的平台或产品系列时非常有用。设计人员可以在不改变电路板布局的情况下，在两种极性之间切换——只需更改电气连接和应用逻辑。

极性接反不会必然损坏模块，但可能导致精心设计的產品失效。即使转换器看似正常工作，也可能无法提供任何功能或产生不准确的测量结果。

理解负载的电气要求与满足电压或功率规格同样重要。根据具体应用，所需电压和极性必须明确规定。

高压电源转换器精度

在高压系统中，输出精度是关键性能指标。即使是微小的电压误差或纹波也可能导致整个系统性能下降。

XP Power 的 HRC05 系列通过模拟接口提供了一种简单直观的输出电压控制方案，为设计人员带来了简便性和灵活性。将 0 至 5 V 的信号施加至 VIN_CTRL 引脚，可对输出电压进行线性编程设定，范围从 0 V 至模块的最大额定电压，该电压可达 2 kV 至 6 kV。

同样重要的是输出稳定性。HRC05 系列通常将纹波保持在满量程输出的 0.5% 以下，这对于大多数模拟前端、偏置电源和传感器电路而言已绰绰有余。在许多系统中，尤其是涉及光学或低电平信号检测的系统，这种低纹波可能决定了测量结果是干净清晰还是噪声严重且无法使用的关键因素。

然而，对于高精度应用，开环控制可能不够。在这种情况下，通常需要进行外部校准，甚至构建闭环控制方案。例如，一个高阻抗电压分压器可以将输出电压降至 ADC 可安全处理的水平，进而为单片机提供反馈。该反馈回路可动态调整 VIN_CTRL 信号，以维持精确的目标电压，即使温度或负载条件发生变化。

最终，选择 HRC05 系列中的模块可为设计人员提供坚实的基础来实现精准度；然而，这种精准度能否得到有效维持，取决于其在整个系统中的实现是否经过精心设计。

高压电路板设计注意事项

在将 XP Power 的 HRC05 系列等高压 DC/DC 转换器集成到电路板时，布局设计必须考虑一些在低电压或纯数字系统中不常见的细节。

高压设计面临一系列挑战，有些不易觉察，有些则显而易见。如果在设计初期未予妥善处理，这些挑战可能对性能和安全造成影响，例如要处理好以下问题：

• 低压电路采用了适当的爬电距离和间距
• 高压区域内无接地平面
• 避免电路板焊盘出现锐边
• 不要在高压区域附近使用丝网印刷
• 高压区域不要有镀孔
• 电路板上的插槽（如需）则要采用隔离措施
• 使用三防漆及其他绝缘材料（如适用）

此外，在 PCB 的高压侧，选择靠近转换器的组件也可能会变得具有挑战性。需要注意以下几点考虑因素和关键规格：

• 电压、电流和功率等级
• 组件降额
• 温度系数
• 散热性能

除了确保 PCB上的爬电距离和间距外，设计人员还可能需要考虑使用绝缘增强措施，如开口或使用三防漆，尤其是在将模块集成到高湿度或易受污染的环境中时。

高压设计不仅仅是满足电气规格需要，它还涉及理解电路板的物理特性如何与所承受的电气应力相互作用。布局合理的电路板确保了 HRC05 模块在产品整个生命周期内可靠、安全地运行并符合规格要求。

最终应用集成

选择高压模块是成功的一半。以安全、可靠且经济高效的方式将其集成到产品中需要密切关注电气和物理设计注意事项。XP Power 的 HRC05 系列是一款紧凑且性能稳定的模块，但要满足关键应用的需求，仍需进行周密的系统集成。

设计人员应考虑模块的高度，尤其是在空间有限或便携式产品中，并确保与附近导电表面之间有适当的隔离。HRC05 模块采用全密封 SIP 封装，尺寸约为 64.8 mm × 33.0 mm × 15.2 mm。它通过 PCB 引脚垂直安装，有助于节省电路板空间，同时提升高压引脚周围的爬电距离和间隙。

SIP 封装通过防止发热组件与电路板直接接触，简化了热管理。然而，设计人员仍需确保器件在接近 5 W 输出极限时，尤其是处于温暖环境中，能够保持充足的空气流通或有被动散热措施。

VIN_CTRL 引脚作为主要控制接口，通过 0 V 至 5 V 的模拟信号，对模块的额定输出电压（例如 0 kV 至 6 kV）进行从 0% 至 100% 线性编程设定。这种设计使得 HRC05 模块成为与单片机 DAC 或模拟控制回路集成时的理想选择。此外，该模块还提供监控输出：VOUT_MON（按比例的电压反馈）和 IOUT_MON（成比例的电流输出）。这些输出能够让系统监控转换器性能并执行保护或校准程序。

在精密应用中，设计人员可能会选择通过固件关闭回路。这种方法通过根据 VOUT_MON 和 IOUT_MON 的 ADC 读数持续调整控制信号来实现。通过这种方式，系统在不同负载条件下都能保持稳定。

HRC05 系列产品具备 5.2 kV_DC 输入至输出隔离电压，可有效保护低压控制电路免受高压危害。该系列还符合基本绝缘要求，适用于各种工业和科学应用。然而，需要注意的是，此类设备可能不适用于医疗患者连接设备，因为此类设备可能需要强化或双重绝缘。

HRC05 系列未内置 EMI 滤除电路。因此，为了通过系统级 EMC 测试，设计人员应添加输入滤波器（如 π 型滤波器或共模扼流圈），并根据高压负载的特性考虑输出阻尼或阻性负载。

结语

将高压功能集成到紧凑型系统中，关键在于模块的性能以及设计人员从布局和热管理到滤波和信号控制的精心考量。XP Power HRC05 系列高压 DC/DC 转换器为需要精确、稳定、可靠高压电源的应用提供了先进解决方案。凭借可编程输出、出色的调节能力、强大的保护功能以及紧凑型设计，HRC05 系列以小型封装为医疗、工业及科学应用提供了一个理想的解决方案。